ARM-Architektur

ARM-Architektur erobert Fujitsu.Fujitsu Semiconductor Europe

Den Unterschied zu den zahlreichen Wettbewerbern, die ARM-Cores verwenden, erreicht Fujitsu mit der neuen FM3-Produktfamilie durch die gelungene Kombination eigener Technologien mit der bewährten ARM-Technologie. Die ARM Cortex-M3-Architektur füllt quasi die Lücke zwischen 16-Bit-CISC- und 32-Bit-RISC-CPU-Cores, wobei die Fujitsu eigenen MCU-Linien 16FX und FR weiter im Programm bleiben.

Die im Folgenden beschriebenen Leistungs- und Applikationsmerkmale sollen dem Entwickler helfen, die für seine Anwendung exakt passenden Bausteine aus der FM3-Familie auszuwählen. Die ARM Cortex-M3-basierten MCUs der FM3-Familie werden zunächst in zwei Linien angeboten (Basic und High-Performance), wobei die 44 neuen Controller beider Linien ganz klar für Embedded Industrie-Applikationen konzipiert sind.

Zwei Leistungsklassen

Die High-Performance-Linie mit den Serien B9B500/400/300/ 100 zeichnet sich durch hohe Prozessorleistung aus und bietet viele von der FR-Familie übernommene Peripherie-Funktionen, die für Servo-Steuerungen, Fertigungsautomatisierung und andere industrielle Anwendungen optimiert wurden.

Die Basic-Linie Serie MB9A100 mit dem günstigen Preis/Leistungsverhältnis verfügt über eingeschränkte Versionen der Peripherie-Funktionen aus der High-Performance-Linie, die vorrangig für die Bereiche Hausgeräte (Klimaanlagen, Waschmaschinen, Kühlschränke), Elektronische Konsumgüter, Büro- oder Medizingeräte optimiert sind.

Bild 1: Übersicht über die einzelnen Versionen der FM3-Familie.Fujitsu Semiconductor Europe

Dem steigenden Bedarf an stromsparenden Mikrocontrollern wird zusätzlich mit zwei ergänzenden Produktgruppen Rechnung getragen. Die Ultra Low Leakage und Low Power Serien werden ab der zweiten Jahreshälfte 2011 verfügbar sein. Die Architektur dieser Produkte ist für batteriebetriebene Geräte optimiert – z.B. tragbare medizinische Geräte. Bild 1 zeigt eine Übersicht über die einzelnen Derivate der FM3-Familie. Die wichtigsten Eigenschaften der FM3-Familie sind in Bild 2 dargestellt, das Blockschaltbild zeigt Bild 3.

Die besonderen Merkmale

Die FM3-Mikrocontroller verfügen über einen integrierten und höchst zuverlässigen High-Speed-NOR-Flash-Speicher, der für eine Datenhaltung bis zu 20 Jahren und bis zu 100.000 Schreib-/Lese-Zyklen ausgelegt ist. Mit den schnellsten Speicherzugriffszeiten in der Cortex-M3-Klasse sind verzögerungsfreie Operationen bis 60 MHz möglich und machen diesen Speicher zum Maßstab der Flash-Memory-Technologie in Embedded-Applikationen.

Bild 2: Ausstattung und Merkmale der 32-Bit-Mikrocontroller- Familie FM3 auf Basis des ARM Cortex-M3-Cores.Fujitsu Semiconductor Europe

Industrielle Steuerungssysteme sind einerseits oft über viele Jahre in Betrieb und steuern Produktionslinien die auf lange Lebensdauer ausgelegt sind. Andererseits müssen Haushaltsgeräte Betriebsprofile und Leistungsdaten regelmäßig in nichtflüchtigen Speichern hinterlegen, um beispielsweise Stromausfällen vorzubeugen. In beiden Fällen sind 100.000 Lösch-Zyklen ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal, und wenn diese Flash-Technologie anstelle von E2PROMs eingesetzt wird, kommen die beiden wichtigsten Eigenschaften zum Tragen: Zuverlässigkeit über große Zeiträume und Reduzierung der Kosten.

Mit Taktzeiten bis 144 MHz bei der High-Performance-Linie gehören diese zu den schnellsten dieser Klasse und garantieren in Verbindung mit dem High-Speed-Flash-Memory hohe Leistung in industriellen Embedded-Applikationen. Die FM3-Familie kann in 3,3-V- und 5-V-Anwendungen betrieben werden und hebt sich dadurch von den meisten Mikrocontrollern mit Cortex-M3-Core ab, die mit 3,3 V oder weniger arbeiten aber nicht in 5-V-Systemen einsetzbar sind. Daher kommt die FM3-Familie der starken Nachfrage nach 5-V-MCUs für industrielle Applikationen entgegen.

Bild 3: Blockschaltbild der 32-Bit-Mikrocontroller-Familie FM3.Fujitsu Semiconductor Europe

Die FM3-Familie bietet dem Entwickler von Industrie-Applikationen über die Standard-USB-, Ethernet- und CAN- I/O- Anschlussmöglichkeiten hinaus noch weitere ungewöhnliche Peripherie-Unterstützung. Am bedeutendsten für industrielle Anwendungen dürften neben den drei High-Speed- 12-Bit-A/D-Wandlern (1,0 µs Wandlungszeit) mit 16 Eingangskanälen die anspruchsvollen Multifunktions-Timer sein, die Signale zur Ansteuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren erzeugen können. Mit diesen lassen sich auch automatisch Totzeiten in die komplementären pulsweiten modulierten Signale einfügen, um Querströme in der Leistungsstufe zu vermeiden. Außerdem können die A/D-Wandler präzise getriggert werden, um die Motorströme exakt zu messen. In Verbindung mit dem neuen Quadratur Encoder für die automatische Ermittlung der Rotorposition können so mit den FM3-Mikrocontrollern sehr anspruchsvolle Antriebssysteme implementiert werden.

Tools

Von Entwicklern wird erwartet, dass sie die Ideen der Produktmanager sehr schnell umsetzen und zeitnah erste Prototypen erstellen können. Fujitsu unterstützt sie bei diesem Prozess mit einem umfangreichen Angebot an Hardware- und Softwaretools. Starterkits werden in verschiedenen Ausstattungsvarianten angeboten. Von einfachen, günstigen Typen bis üppig ausgestatteten Boards mit LC-Display, SD-Karten-Slot und Motorcontrol-Treiberstufe. Besonders interessant ist das erweiterbare Kit SK-FM3-100PMC, dessen Funktionsumfang durch verschiedene Erweiterungen ergänzt werden kann. So sind beispielsweise Aufsteckplatinen mit externen Flash- und SRAM Speichern erhältlich, Kapazitive Touch Sensorik, oder Motor Treiber. Außerdem sind zusätzliche, externe Kommunikationsfunktionen wie WLAN oder RFID Reader/Writer in Vorbereitung.

Auf der Softwareseite verfolgt Fujitsu ein modulares Konzept. So wird für jede Peripheriekomponente mindestens ein Softwaremodul mit Low-Level Funktionen als Quellcode angeboten. Für komplexere Funktionen wie z.B. USB, wurden gleich mehrere Softwarebeispiele vorbereitet. Das ermöglicht dem Entwickler, die für seine Applikation benötigten Komponenten aus dem Baukasten zu nehmen. Für spezielle Themen wie Motor Control oder Funktionale Sicherheit stehen darüber hinaus umfangreiche Bibliotheken kurz vor der Fertigstellung.

Es besteht also der Anspruch, dem Kunden über den reinen Siliziumchip hinaus, Lösungen anzubieten. Diese bestehen sowohl aus Hardware- als auch aus Softwarekomponenten und ermöglichen den schnellen Einstieg in ein bestimmtes Thema. Abgerundet wird dieser Ansatz durch das Angebot von verschiedenen Trainings und Seminaren.

Die gängigen Compilerhersteller unterstützen in ihren integrierten Entwicklungsumgebungen die FM3 Familie und stellen über eine JTAG Schnittstelle die üblichen Debug-Funktionen zur Verfügung. Zusätzlich wird auch Trace-Funktionalität unterstützt, da Fujitsu ARMs embedded trace macorcell implementiert hat. Daneben unterstützt bereits eine große Zahl an Anbietern von Flashprogrammier-Werkzeugen die neue Mikrocontroller Familie.

Applikationsbeispiel

Die Mikrocontroller der High-Performance Serien sind optional mit zwei CAN Kanälen ausgestattet. Damit eignen sie sich gut zur Implementierung in Geräte, die in CANopen Netzwerke eingebunden werden sollen.

Obwohl die CAN – Controller Area-Network-Schnittstelle vor 25 Jahren ursprünglich für Automobilanwendungen entwickelt wurde, zeichnete sich schnell ab, dass sie auch in industriellen Systemen sinnvoll eingesetzt werden kann. Gründe hierfür liegen in der hohen Zuverlässigkeit der Kommunikation, der relativ hohen Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 1Mbit pro Sekunde und den kurzen Latenzzeiten. Diese Eigenschaften werden durch entsprechende Hardwarefunktionen realisiert und müssen nicht durch CPU belastende Software abgedeckt werden. Beispielsweise finden CRC Prüfsummenberechnungen statt und im Fehlerfall werden andere Busteilnehmer automatisch durch das Versenden von Error-Frames benachrichtigt. Ein weiteres Merkmal von vielen CAN Controllern, so auch dem der FM3 MCUs, ist die automatische Filterung, Selektion und Speicherung von eingehenden Nachrichten. Hierzu stehen bei FM3 pro CAN-Kanal 32 Nachrichtenspeicher zur Verfügung.

Fujitsu hat schon seit geraumer Zeit die sogenannte C_CAN IP von Bosch lizensiert und implementiert, damit den Quasi-Industriestandard in alle propritären sowie ARM Cortex basierten Mikrocontroller. Die CAN Schnittstelle erfüllt den ISO Standard 11898-1 (CAN Spezifikation Version 2.0 Teil A und B). Das hat den Vorteil, dass bestehende CAN Software sehr schnell auf die FM3 Familie angepasst werden kann, weil das Registermodell des Bosch CANs eben auf allen Mikrocontroller Plattformen das gleiche ist. Mit CANopen steht zusätzlich ein CAN basierter Feldbusstandard zur Verfügung, der die Kompatibilität der Geräte untereinander auch auf höheren Protokollebenen sicherstellt. CANopen dient zur Vernetzung aller Arten von Sensoren, Aktoren und Steuereungen. Der Standard definiert verschiedene Kommunikationsobjekte, wie z.B. Servicedaten- oder Prozessdatenobjekte zum Transport von Parametrierungsinformationen oder Echtzeitdaten. Außerdem werden Geräte- und Anwendungsprofile definiert, in denen die Funktionalität einzelner Geräteklassen beschrieben ist. CANopen-Geräte kommen in Fertigungsanlagen, Fahrstühlen, Schiffen, Sonderfahrzeugen wie Kränen und Baggern, Feuerwehrfahrzeugen und vielen weiteren Anwendungen zum Einsatz. Beispielsweise kann ein, oder mehrere Neigungssensoren in einem Kran den Winkel des Auslegers bestimmen und über CANopen an die zentrale Steuereinheit melden.

Schlussbemerkung

Fujitsu bietet schon seit vielen Jahren CAN-Mikrocontroller für Industrieanwendungen an. Deshalb besteht eine gewachsene Struktur von Drittanbietern, die Software- und Hardware-Tools für CAN sowie CANopen entwickelt. Auch für FM3 stehen entsprechende Protokollstacks bereits zur Verfügung oder befinden sich in der Entwicklung.

(sb)