32-Bit-MCUs: 99 Prozent Energieersparnis im Standby

Auf der Basis einer Version des 32-Bit-CPU-Cores, der bereits in den RX600-Bausteinen verwendet wird, hat Renesas Electronics die Mikrocontroller (MCUs) der RX200-Serie mit niedrigeren Betriebsspannungen entwickelt. Sie haben einen geringeren Stromverbrauch sowie bessere Sicherheitsfunktionen als bestehende Bausteine und eignen sich damit besonders für Haushaltsgeräte, tragbare Geräte, Energiezähler und andere low-power Instrumente sowie weitere Produkte, die anspruchsvolle Anwendungen ausführen, eine lange Batterielebensdauer und Energiesparfunktionen erfordern.

Bild 1: Die Mikrocontroller der Baureihe RX210 sind die ersten Produkte aus der Strom sparenden Niederspannungs-Mikrocontrollern-Familie RX200 von Renesas Electronics.Renesas Electronics

MCU-gestützte Lösungen, ein Beitrag für die Umwelt

Die Produktfamilie RX200 rundet bei Renesas die Mikrocontroller-Roadmap für Strom sparende Mikrocontroller ab. Für die Zukunft seines MCU-Geschäfts verfolgt das Unternehmen eine Global&Green-Strategie. Es ist davon überzeugt, dass die Anwendungen der kommenden Generation neue, umweltfreundliche Kriterien erfüllen und höchste Leistung mit geringstmöglichem Stromverbrauch verbindet. Um diese Anforderungen zu erfüllen, hat Renesas für high-end Anwendungen Mikrocontroller der Serien SuperH und V850 im Programm. Im mittleren Segment setzt das Unternehmen auf die MCUs der RX-Familie, wie etwa die neue RX200-Serie und RX600-Serie. Für low-end Anwendungen hat Renesas diverse MCUs aus den Produktlinien 78K und R8C sowie die Serie RL78 im Portfolio.

Die RX-Architektur beruht auf der 32-Bit-RX-CPU-Core-Architektur. Diese ermöglicht eine Steigerung der maximalen Taktfrequenz um den Faktor fünf, eine Steigerung der Rechenleistung (gemessen in MIPS/MHz) um den Faktor 2 sowie eine 30-prozentige Steigerung der Code-Effizienz. Gleichzeitig benötigt sie nur ein Drittel des Stromverbrauchs bisheriger Renesas-Bausteine. Der RX-Core kam erstmals in den MCUs der im Jahr 2010 vorgestellten RX600-Baureihe zum Einsatz. RX600-Mikrocontroller besitzen momentan eine maximale Betriebsfrequenz von 100 MHz, implementieren eine Multi-Bus-Konfiguration und enthalten sehr schnelle Monos-Flash-Speicher. Mit der Einführung der ersten Bausteine aus der RX200-Serie hat das Unternehmen jetzt seine RX-Produktfamilie erweitert.

75 DMIPS Rechenleistung bei 50 MHz Takt

Der RX200-CPU-Kern ist die Basis aller ICs aus der RX200-Serie. Dabei handelt es sich um ein Harvard-Design, das aus der gleichen Basis-Architektur abgeleitet wurde, die auch in der RX600-Familie zum Einsatz kommt. Um die im Vergleich zum RX600 vollkommen unterschiedlichen Anwendungen zu unterstützen, wurde der neu entwickelte 32-Bit-CPU-Core für ein niedrigeres – aber immer noch relativ hohes – Maß an Rechenleistung ausgelegt. Dieser arbeitet mit einer Taktfrequenz von bis zu 50 MHz (2,7 V bis 5,5 V) und bietet bei maximaler Betriebsfrequenz eine Rechenleistung von 75 DMIPS. Dies entspricht einem Leistungsindex von 1,5 Dhrystone MIPS (DMIPS)/MHz. Durch die damit mögliche Rechenleistung verringert sich der Zeitbedarf – und der Stromverbrauch – für die Ausführung der Anwendungen.

Die RX200-CPU arbeitet bei sehr niedrigen Betriebsspannungen bis zu 1,62 V. Dieser Wert ist klein genug, dass Systeme mit zwei Trockenbatterien selbst dann noch arbeiten können, wenn diese bis zu ihrer minimalen Arbeitsspannung von 0,9 V (2 x 0,9 V = 1,8 V) am Ende ihrer Lebensdauer entladen werden. Die maximale CPU-Taktfrequenz hängt von der Versorgungsspannung ab. Genauer gesagt beträgt sie 20 MHz von 1,62 V bis 1,8 V, steigt dann zwischen 1,8 V und 2,7 V auf 32 MHz an und erreicht 50 MHz bei Spannungswerten zwischen 2,7 V und 5,5 V.

Schnelles Umschalten auf Stromsparbetrieb

Im Normalbetrieb beträgt der Stromverbrauch 0,2 mA/MHz oder 0,13 mA pro DMIPS, was einem sehr effizienten Niveau entspricht. Wenn keine Berechnungen benötigt werden, fällt der Stromverbrauch auf ein minimales Niveau von nur 1,68 µA im Software Standby-Modus und noch geringere 0,3 µA im Deep Software Standby-Modus. Bild 2 zeigt diese Stromersparnis im Vergleich zum Stromverbrauch der beliebten Renesas-Bausteine H8SX/1655, obwohl die Rechenleistung der RX200-MCUs mit 1,5 DMIPS/MHz um etwa den Faktor 1,8 größer ist als bei diesen älteren ICs. Ein Leistungstest, in dem eine einzige Berechnung nur einmal pro Sekunde ausgeführt wird, ergab bei der RX200-MCU einen um etwa 65% geringeren Stromverbrauch als beim H8SX/1655-Mikrocontroller. Im Software-Standby-Modus steigt die Stromersparnis bei diesen Bausteinen auf circa 99 %.

Bild 2: Vergleich der Stromaufnahme in den verschiedenen Betriebszuständen.Renesas Electronics

Aufgrund ihres speziellen Designs ist die RX200-CPU ungewöhnlich schnell für diese Bausteinklasse, um vom Normalbetrieb in den Standby-Modus umzuschalten. Dies senkt den Gesamt-Stromverbrauch erheblich und bringt eine Gesamt-Stromersparnis von 85 % bei dem oben beschriebenen, wiederholten Test mit einer Berechnung.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des RX200-CPU-Designs sollte hier ebenfalls erwähnt werden: Der Chip kann in einer standardisierten 130 nm Prozesstechnologie gefertigt werden, was wiederum sehr kosteneffektive Lösungen für viele Anwendungen ermöglicht.

Widersprüchliche Produktentwicklungsziele?

Den Designingenieuren der RX200-Familie bei Renesas war klar, dass die Entwickler vieler moderner low-power Anwendungen wie Smartphones, Digitalkameras, Musikplayer und anderer tragbarer Geräte einige widersprüchliche Systemanforderungen erfüllen müssen: Einerseits geht es um hohe Leistung und Vielseitigkeit beim Einsatz, andererseits auch um lange Batterielaufzeiten. Auch bei der Entwicklung neuer elektrischer Haushalts- und Energiemessgeräte müssen Systementwickler sehr ähnliche widersprüchliche Anforderungen erfüllen. Bei solchen Anwendungen sind nicht nur zwingend Energie-Einsparungen vorgeschrieben, sondern auch ein hohes Sicherheitsniveau, wie etwa die europäische Norm IEC 60730. Software-Zuverlässigkeit und Produkt-Sicherheit werden in Zukunft bei allen Produktarten eine noch größere Rolle spielen.

Die RX200 Design-Abteilung von Renesas hat bereits Bausteine erstellt, die diese Anforderungen erfüllen können: Die ersten, jetzt vorgestellten MCUs der RX200-Serie sind die 28 Produkte aus der RX210-Gruppe (Bild 3). Darüber hinaus konnte das Unternehmen eine solide Basis für eine langfristige Produkt- und Technologie-Roadmap für die Anforderungen des globalen Marktes aufbauen. Es liefert eine breite Palette von Mikrocontrollern, mit denen Lösungen zur Bereitstellung der vom Endanwender geforderten sehr langen Batterielaufzeiten möglich werden.

Bild 3: Übersicht über die MCUs der RX210-Produktgruppe.Renesas Electronics

Integrierte Peripherieschaltungen

Die Produkte aus der RX200-Serie enthalten zahlreiche Funktionen, die zu höherer Systemleistung und damit auch zu verringerten Systemkosten beitragen. Die wichtigsten im Überblick:

• Flash-Speicher mit Schnellzugriff: Renesas nutzt eine bewährte, extrem zuverlässige und ausgereifte Flashspeicher-Technologie, die keine Wartezyklen besitzt und damit eine schnelle Rechenleistung bei bis zu 50 MHz Taktfrequenz ohne Wartezeiten ermöglicht. Der On-Chip Flash-Speicher kann auch bei der minimalen MCU-Betriebsspannung von 1,62 V noch beschrieben werden. Damit spart der Baustein Leistung und vereinfacht die Auslegung der System-Stromversorgung. Lösch/Schreibbefehle lassen sich zudem mit Blockgrößen bis hinab zu 2 KByte ausführen; damit bleiben die Rewriting-Zeiten kurz, was auch die Lebensdauer des Flash-Speichers verlängert.
• Event Link Controller (ELC): Der in die Mikrocontroller der RX200-Familie integrierte ELC erzeugt eine direkte Verknüpfung zwischen einzelnen Hardware-Peripheriefunktionen bei jedem Gerät und ermöglicht es, dass ein Ereignis an einem Peripherieelement ein anderes Peripheriemodul ohne Intervention durch einen Interrupt-Controller oder eine auf der RX200-CPU laufenden Software aktivieren kann (Bild 4). Wenn zum Beispiel ein Komparator oder ein A/D-Wandler ein Ereignis erkennt, dann kann er direkt ein entsprechendes Modul über den ELC aktivieren, selbst wenn sich die CPU im Sleep-Modus befindet.
  

  Bild 4: Funktionsprinzip des Event Link Controllers.Renesas Electronics

• Optimierte Peripheriefunktionen: RX200-Mikrocontroller bieten eine große Auswahl an Peripheriefunktionen, die für die unterschiedlichsten Anwendungen wichtig sind. So lässt sich zum Beispiel ein optimiertes Umrichter-System problemlos mit einem RX200 implementieren, das mit einem 16-Bit-Timer MTU2 (Multifunktions-Pulseinheit #2) ausgestattet ist. Die MTU2 kann mehrere Funktionen und Systemelemente zugleich ansteuern – so zum Beispiel einen Dreiphasen-Motor, eine auf dem Chip integrierte Pulsbreitenmodulations-Ausgangs-Schutzfunktion und den integrierten A/D-Wandler. Zu den weiteren, verfügbaren Peripherieelementen zählen POR- (Power-on Reset)- und LVD-(Low-Voltage Detection)-Funktionen, RTC (Real-Time Clock) und Temperatursensoren. Die interne Integration dieser und anderer Funktionen spart Platz, verringert Probleme bei der Bestückung, vereinfacht die Stückliste des Systems, eliminiert Probleme bei der Systemintegration und hilft, die Gesamt-Systemkosten zu senken.
• Multifunktionaler Pin-Controller (MPC): Dank der MPC-Funktion lassen sich Pin-Zuweisungen für verschiedene Funktionen wie etwa Timer-Ein- und -Ausgänge per Software ändern. Diese Pinout-Flexibilität ermöglicht die Entwicklung von Produkt-Upgrades oder Ersatzprodukten; zugleich wird die Entwicklung speziell an unterschiedliche Marktsegmente angepasster Produktpaletten wesentlich einfacher. Der größte Vorteil dieser Funktion besteht für den Anwender in einer erheblich größeren Flexibilität bei der Leiterplatten-Entwicklung. So lassen sich viele Funktionen mit genau den Pins verknüpfen, die in nächster Nähe zu der Stelle liegen, wo diese Funktion verwendet wird. Das senkt die Komplexität beim Leiterplatten-Routing, woraus sich einfachere und kompaktere Leiterplatten-Designs und robustere Systeme ergeben.
• Sicherheitsfunktionen: Um die Einhaltung des IEC-60730-Standards und andere Sicherheitsnormen zu gewährleisten, bieten RX200-Mikrocontroller eine Reihe von Funktionen, mit denen sich die Ausführung von On-Chip Tasks und System-Aktivitäten überprüfen lassen. Ein Beispiel dafür ist der CAC (Clock Frequency Accuracy Measurement Circuit). Diese Schaltung kann durch die Erkennung von Fluktuationen der Taktfrequenz vermeiden, dass Systeme außer Kontrolle geraten. Weitere integrierte Sicherheitsfunktionen sind der DOC (Data Operation Circuit), der RAM-Ausfalltests unterstützt, eine Schaltung zur Erkennung von Oszillationsunterbrechungen, eine Selbst-Diagnoseeinheit für die A/D-Wandler sowie eine Erkennungsschaltung für Unterbrechungsfehler. Diese auf dem Chip integrierten Hardwareelemente führen Ausfallsicherungsfunktionen aus und verringern damit die CPU-Auslastung.

RX210 MCUs, ideal für Haushaltsgeräte und tragbare Geräte

Die in Bild 3 gezeigten 28 MCUs aus der RX210-Produktgruppe enthalten Spezialfunktionen für Haushaltsgeräte und tragbare Geräte. Renesas plant, diese Gruppe um weitere 48 Bausteine zu erweitern und seinen Kunden damit insgesamt 76 verschiedene Versionen für ein großes Maß an Design-Flexibilität bereitzustellen. Die RX200-Mikrocontroller enthalten bis zu 1 MByte Flash-Speicher und bis zu 96 KByte RAM; sie werden in verschiedenen Gehäuseformen mit 36 bis 144 Pins erhältlich sein und umfassen auch kompakte Typen wie Quad Flat Non-Leaded Gehäuse (QFNs). Bild 5 zeigt ein typisches Blockdiagramm.

Bild 5: Blockdiagramm einer RX210 MCU.Renesas Electronics

Renesas plant, eine Palette neuer RX200-Bausteine anzubieten, die für verschiedenste Anwendungen optimiert sind, bei denen nicht nur geringer Stromverbrauch und hohe Rechenleistung, sondern auch ein hohes Maß an Bauteil-Integration erforderlich sind. Diese Bausteine eignen sich für zahlreiche Anwendungen, wie Stromzähler oder Weiße Ware, und werden in den kommenden 12 Monaten eingeführt.

Die ersten RX210-Mikrocontroller werden bereits gefertigt. Renesas erwartet, dass die Fertigungskapazität des Unternehmens zunehmen wird, so dass man im Jahre 2012 eine Auslieferungsrate von ungefähr 2 Millionen Einheiten pro Monat erreichen wird.

Systementwicklung mit Hardware/Software-Tools

Renesas Electronics bietet eine breite Palette an Hardware/Software-Entwicklungs- und -Debugging Tools, um seinen Kunden die nötigen Werkzeuge für die Entwicklung von Embedded-Systemen mit diesen neuen Mikrocontrollern zur Verfügung zu stellen. Zu den Hardware-Tools zählt ein Starter Kit, der low-cost On-Chip-Debugging-Emulator E1 sowie der multifunktionale, äußerst leistungsfähige In-Circuit Emulator E100. Eines der Softwarewerkzeuge ist ein Peripheral Driver Generator (PDG) für die Kodierung von Treibern für RX200-Peripherieschaltungen, wie etwa SCI, Timer, A/D-Wandler und DMAC. Diese Software entlastet die Systemingenieure von der Entwicklung oder der Beschaffung von Treiber-Code.

Besonders wichtig: Es gibt eine leistungsfähige und bedienerfreundliche IDE (Integrated Development Environment). Die IDE enthält einen Compiler, der Code generiert, der sich für Geschwindigkeit oder Umfang optimierten lässt. Mit ihm können Kunden auch Software-Ressourcen nutzen, die zuvor für MCU-Familien, wie zum Beispiel die Bausteine der Serien M16C und H8S, erstellt wurden. 

(jj)