Hard- und Softwareplattform für IoT-Entwicklungen mit MCUs

Im Zukunftsmarkt des Internet der Dinge (IoT) spielen 32-Bit-Mikrocontroller (MCUs) eine zentrale Rolle, da sie einer Vielzahl von IoT-Geräten die erforderliche Intelligenz verleihen. Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von IoT-Geräten gehen Marktforschungsunternehmen wie IC Insights bei 32-Bit-MCUs bis 2018 von einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 9,5 Prozent aus. Grund genug, dass sich der MCU-Hersteller Renesas verstärkt im Bereich IoT engagiert und sich von anderen Anbietern unterscheidet.

So bietet der MCU-Spezialist Entwicklern nicht nur umfassendes Know-how zum Realisieren von Anwendungen für vertikale Märkte wie Medizinelektronik, Haushaltsgeräte, Gebäudeautomatisierung, Fertigungsautomatisierung und Energiemanagement, sondern versteht auch die Herausforderungen der Ingenieure. Darüber hinaus setzt das Unternehmen hohe Maßstäbe in puncto Qualität, Zuverlässigkeit, und Unterstützung sowie in den Bereichen Safety und Security, die auf die Anforderungen der Kunden in diesen Märkten ausgerichtet sind.

IoT-Markt mit Besonderheiten

Bild 1: Durch vereinfachte Verwaltung wichtiger Softwarekomponenten und -werkzeuge senkt die Synergy-Plattform die Gesamtbetriebskosten. Renesas

Der IoT-Markt weist eine Reihe von Besonderheiten auf und unterscheidet sich von anderen Märkten. Aber auch bei diesem Zukunftsmarkt gilt, dass derjenige die größten Gewinne erzielen kann, der ein Produkt als Erster auf den Markt bringt. Da auf dem heutigen IoT-Markt vor allem allgemein akzeptierte Branchenstandards fehlen, kann derjenige, der sein Produkt als Erster auf den Markt bringt, diese „Standards“ am besten beeinflussen und sich damit Vorteile gegenüber dem Mitbewerb sichern.

Embedded-Entwickler zwingt der IoT-Markt, ihre Definition eines Designs auf Systemebene zu überprüfen. So dürfen IoT-Entwickler ihre Applikation nicht länger als separate Einheit betrachten. Stattdessen sollten sie mit einem weiter gefassten Blick darüber nachdenken, wie ihre Anwendung in eine vernetzte Welt passt. Dies wiederum wird Entwickler zum Einsatz neuer Technologien motivieren.

In dem Maße, wie sich neue Kommunikations-, Security- und Benutzerschnittstellen sowie Sensortechnologien durchsetzen, müssen Entwickler von Embedded-Systemen, die an Produkten für den IoT-Markt arbeiten, ihre Fähigkeiten und ihr Wissen über Connectivity, die Cloud und mobile Anwendungen verbessern. Da bei den meisten aktuell verwendeten MCUs eine Vernetzung im traditionellen Sinne nie zur Debatte stand, verfügen nur wenige Entwickler über das nötige Know-how zum Umsetzen von IoT-Produkten. Um im IoT-Markt erfolgreich zu sein, benötigen die meisten Entwickler ein tiefergreifendes Verständnis von Connectivity- und Security-Problemen sowie von großen komplexen Netzwerken.

Security-Funktionen unabdingbar

Parallel zu diesen Herausforderungen nehmen die Sicherheitslücken von Systemen mit universeller Vernetzung zu. Security-Risiken lauern in jeder Phase des Produktlebenszyklus – von der Entwicklung und Fertigung über den Einsatz bis hin zu Aktualisierungen über Fernzugriff. Die meisten Geräte, die mit dem Internet verbunden sind, verfügen bis dato nicht über ausreichende Security-Funktionen. Daher benötigen Entwickler von IoT-Geräten ein wesentlich besseres Verständnis von Safety- und Security-Technologien, wenn sie die Erwartungen ihrer Kunden erfüllen möchten.

Komplexe Entwicklungen benötigen Zeit

Jede dieser Herausforderungen zwingt Entwickler, mehr Zeit für Test und Fehlersuche beziehungsweise -beseitigung (Debugging) zu investieren und die Prioritäten ihrer Entwicklungen sorgfältig zu überdenken. Zugleich stehen die Ingenieure umfassenden Einschränkungen hinsichtlich Entwicklungszeit und Ressourcen gegenüber, wenn sie Embedded-Produkte für einen Markt entwickeln, in dem sich die Produktlebenszyklen ständig verkürzen und gleichzeitig das Zeitfenster für die Markteinführung immer kleiner wird. Gelingt es Entwicklern, die Produktentwicklungszyklen in einem solchen Szenario zu verkürzen, lassen sich schnell wechselnde Marktchancen erfolgreicher wahrnehmen.

Bild 2: Mit der Synergy-Plattform lässt sich der Entwicklungszyklus deutlich verkürzen. Möglich macht dies ein umfassendes Paket qualifizierter Softwarekomponenten, die einen Großteil der Entwicklungsarbeit einsparen. Renesas

Auch wenn der IoT-Markt eine breite Palette an Anwendungen abdeckt, benötigen die meisten Geräte eine Basisausstattung an grundlegendem Funktionsumfang und Peripherieelementen. Für Erfolge auf diesem Markt brauchen Entwickler MCUs, die über zahlreiche Peripherieelemente für die Kommunikation über das Netz verfügen und mit entsprechenden analogen I/O-Kanälen ausgestattet sind. Ausreichend Speicher auf dem Chip und ein vielfältiges Portfolio an Safety- und Security-Funktionen runden das Anforderungsprofil ab.

Auf dem Markt für Embedded-Designs gibt es einige Halbleiterhersteller, die gut ausgestattete MCUs anbieten. Damit IoT-Gerätehersteller künftig von der Vielzahl der IoT-Anwendungen profitieren, ist entscheidend, inwieweit MCU-Hersteller ihren Kunden helfen, die Gesamtbetriebskosten zu senken (Bild 1) und Entwicklungsprojekte schnell auf den Markt zu bringen.

Um Erfolg auf dem IoT-Markt zu haben, müssen Entwickler viele der bisher erforderlichen zeitaufwendigen Low-Level-Integrationsaufgaben einsparen. Ausgehend von der Chip-Ebene mussten sich Entwickler in der Vergangenheit auf dem Weg zu der am besten geeigneten Lösung für eine spezielle Anwendung mit zahlreichen Software- und Tool-Optionen befassen. Dies kostete wertvolle Zeit beim Evaluieren des Angebots eines Anbieters, um dessen Lizenzierungsbedingungen und IP-Kosten zu verstehen. Mit der eigentlichen Entwicklungsarbeit konnten Ingenieure erst nach dem Erwerb der Software und der entsprechenden Tools beginnen.

Zeitraubende Integration von Softwarekomponenten

Parallel dazu muss das Entwicklerteam Zeit für die Integration aller Softwarekomponenten der unterschiedlichen Anbieter aufwenden. Um ein hohes Qualitätsniveau zu halten, sind diese auf Systemebene zu testen und zu qualifizieren. Zugleich muss das Team alle Veränderungen auf dem Markt sowie neue Erfolgsmethoden in der Entwicklung verfolgen. Zwangsläufig müssen die Entwickler die Arbeit an den Unterscheidungsmerkmalen ihrer Produkte – dem endgültigen Anwendungscode oder neue Funktionen – bis zum Ende des Entwicklungszyklus aufschieben. Auf lange Sicht führt dies zu erheblicher Unsicherheit, dem Risiko von Kostenüberschreitungen und der Gefahr eines zu späten Markteintritts.

Hard- und Software in einer Lösung

Die Synergy-Plattform von Renesas (Bild 2) löst diese Problematik. Damit Entwickler schnell mit der Erstellung des Codes für ihre Anwendung beginnen und zugleich die Gesamtbetriebskosten minimieren können, vereint sie Hard- und Software in einer einheitlichen Lösung. Die Vorteile dieses Konzepts greifen bereits auf Chip-Ebene.

Mit einer Familie kompatibler und skalierbarer MCUs auf Basis des ARM Cortex-M Cores und gemeinsamen, über das gesamte MCU-Portfolio verfügbaren Funktionen vereinfacht die Plattform die Produktentwicklung. Die aufwärtskompatiblen Mikrocontroller verbrauchen nur wenig Energie und weisen bei geringer Chipfläche zahlreiche Peripherieschaltungen sowie bis zu 4 MByte Flashspeicher für Programme auf. Jede MCU bietet eine Vielzahl an Kommunikationsschnittstellen sowie eine breite Palette an Funktionen für Safety und Security.

Synergy Software Package

Im Hinblick auf niedrigere Kosten und eine schnellere Entwicklung ergibt sich der eigentliche Gewinn bei diesem Konzept auf Softwareebene. Für jede Synergy-MCU steht ein umfassendes Paket an qualifizierten Softwarekomponenten zur Verfügung. Das bereits im Preis für die MCUs enthaltene Synergy Software Package (SSP) umfasst alle wichtigen Softwarekomponenten, die für den Aufbau der grundlegenden Kernsystemfunktionen erforderlich und für jedes IoT-Entwicklungsprojekt unverzichtbar sind.

Das um das Echtzeitbetriebssystem ThreadX von Express Logic herum aufgebaute SSP enthält Middlewarekomponenten aus X-Ware von Express Logic zusammen mit MCU-spezifischen Softwarekomponenten wie Gerätetreibern, Middleware, Bibliotheken und einem flexiblen API-Framework. Jede Komponente in der Plattform ist integriert, getestet, qualifiziert, skalierbar und wiederverwendbar. Entwickler benötigen daher weniger Zeit zum Implementieren von Treibern und Middleware sowie für die Integration des Echtzeitbetriebssystem und haben so mehr Zeit, um sich auf die wirklich innovativen Aspekte der Produkte zu konzentrieren.

Softwaredatenblatt für MCUs

Von den typischen Ad-hoc-Softwarelösungen herkömmlicher Embedded-Entwicklungen unterscheidet sich das SSP grundlegend. Das Synergy Software Package basiert auf erfolgreich bewährten Methoden und repräsentiert ein qualifiziertes Softwareprodukt mit zugehörigem Datenblatt, in dem gemessene Leistungskennwerte dokumentiert sind.

Laut Renesas ist das Softwaredatenblatt für MCUs eine branchenweite Neuheit. Kein anderer Anbieter von MCUs übernimmt die Gewährleistung für das in einem Softwaredatenblatt definierte Verhalten seiner MCU-Software. Das SSP erfüllt gängige Standards, Tests und Benchmarks wie MISRA und Coremark sowie veröffentlichte Bewertungskriterien, dokumentierte Qualitätsprozesse und Produkt-Lebenszyklusverfahren.

Ferner unterstützt Renesas das SSP umfassend als Produkt. Dies umfasst Wartung mit regelmäßig veröffentlichten Updates und Upgrades, die Veröffentlichung und Verwaltung ergänzender Dokumentation sowie eine Problemverfolgung und -behebung.

Vereinfachter Einstieg

Da die Synergy-Plattform den Einstieg vereinfacht, können Entwickler wesentlich früher als bei einem herkömmlichen Entwicklungsablauf mit der Realisierung der Endprodukte beginnen. Die integrierte Entwicklungsumgebung e2studio von Renesas (Integrated Solution Development Environment, ISDE) auf Eclipse-Basis und ein zugehöriger GNU-C-Compiler sind kostenlos erhältlich. Alternativ ist auch ein kommerzieller Compiler von IAR verfügbar. Unmittelbar nach dem Erwerb eines der vielen Entwicklungs- oder Starter-Kits, die es für jedes Produkt aus der MCU-Serie Synergy von Renesas gibt, können Entwickler direkt mit der eigentlichen Arbeit beginnen. Nach der Registrierung des Kits erhalten sie automatisch die vollen Rechte am Synergy-Softwarepaket für die Entwicklung.

Die integrierte Entwicklungsumgebung bietet Anwendern ein neues Maß an Innovation durch kontextbezogene Echtzeit-Unterstützung mittels integrierter, intelligenter Dokumentation für Software und MCUs. Dank dieser neuen Möglichkeiten kommen Entwickler ohne Tausende Dokumentationsseiten aus. Dies spart Zeit und vermeidet Fehler.

(hb/av)