Aufmacher

(Bild: Microchip)

Mit dem Aufkommen des Internets der Dinge (IoT) sind immer mehr einfache Geräte mit interaktiven Bildschirmen ausgestattet, was für Entwickler neue Herausforderungen mit sich bringt. Die Integration einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) in ein Embedded-Design dient funktionsgebundenen und ästhetischen Zwecken. Eine der am meisten übersehenen und nützlichen Funktionen einer GUI ist die Kommunikation der Markenidentität. Laut Rachel Remington von shuksanweb.com setzt sich die Markenidentität aus einer Reihe visueller Merkmale zusammen, die eine Marke oder ein Unternehmen darstellen: das Logo, die Farbe und die Schriftarten.

Markenidentität ist wichtig, weil sie grafische Elemente verwendet, um die Persönlichkeit, Stimmung und/oder Werte eines Unternehmens zu vermitteln. Konzentriert sich die Markenidentität eines Unternehmens nicht auf ein positives Benutzererlebnis, wenn beispielsweise statische, überladene oder veralteten GUI-Designs im Einsatz sind, kann dies dazu führen, dass Nutzer keine wiederholte positive Erfahrung über das Produkt empfinden. Diese anhaltende Suche nach einer erwarteten Erfahrung heißt Präferenz.

Eck-Daten

Ein eine GUI ist ein hervorragendes Mittel, die Markenidentität zu kommunizieren, stellt Entwickler jedoch vor allem wegen des Speicherbedarfs vor Herausforderungen. Insbesondere Anzeigen mit hoher Farbtiefe werden vom Kunden als qualitativ hochwertig eingestuft. Anstatt von einem MCU-Design auf eine MPU zu wechseln, besteht die Möglichkeit, Grafik-MCUs wie den PIC32MZ-DA von Microchip einzusetzen. Die Grafik-MCU verfügt mit 32 MB Speicher über ausreichend Kapazität, interaktive Grafiken in 32-Bit-Farben zu ermöglichen.

Endverbraucher, die Präferenzen für bestimmte Marken haben, sind in der Regel bereit, mehr für den Zugang zu dieser Marke zu zahlen. Dies wiederum erhöht den Gewinn für diese begehrte Marke. Markenwiedererkennung in Kombination mit einem positiven Benutzererlebnis erhöht somit den Profit. Eine Möglichkeit dies zu realisieren ist, dass Marketing-Abteilungen erhebliche Ressourcen in die „Erziehung“ der Kunden stecken, um Produkte und die zugehörige Produkterfahrung zu fördern, die Kunden erwarten. Dafür gibt es verschiedene Methoden: Anzeigen in Fachpublikationen sowohl im Print- als auch im Online-Bereich, Social Media, E-Mails, Radio, TV-Spots etc.

Unternehmen, die am meisten von einer exzellenten Markenidentität profitieren, legen besonderen Wert darauf, wie die Marke über das Produktdesign kommuniziert wird. Dies gilt vor allem für die Mensch-Maschine-Schnittstelle. Im Extremfall kann das kreative und präzise Branding einer Benutzerschnittstelle (UI, User Interface) wie eine Plakatwand für ein Unternehmen wirken, die sich auf jedem verkauften Produkt befindet.

MCUs für innovative Grafikfunktionen

Bild 1: Die Grafik für das Touchdisplay erzeugt die PIC32MZ-DA-MCU. Für das zoombare Bild sind 12 MB Speicher erforderlich.

Bild 1: Die Grafik für das Touchdisplay erzeugt die PIC32MZ-DA-MCU. Für das zoombare Bild sind 12 MB Speicher erforderlich. Microchip

Bild 2: Für das interaktive Display einer Kaffeemaschine fallen etwa 3 MB an Speicherkapazität an.

Bild 2: Für das interaktive Display einer Kaffeemaschine fallen etwa 3 MB an Speicherkapazität an. Microchip

MCU-Anwendungen, die grafische Benutzeroberflächen enthalten sollen, wurden bisher mit externen Grafikcontrollern oder einer statischen, direkt angesteuerten DMA-basierenden Grafikzusammenstellung ausgestattet, um Vollbilder auf Displays mit Auflösungen bis zu WVGA (800 x 480 Pixel) anzuzeigen. Externe Grafikcontroller sind eine zusätzliche Komponente im Embedded-Design, die zu unerwünschten Mehrkosten, einer größeren Leiterplatte und mehr Designkomplexität führen. Grafikanforderungen wie große Farbtiefe, Farbformatkonvertierung, Alpha-Blending und Animation können Embedded-Designs dazu zwingen, einen Mikroprozessor (MPU) einzusetzen.

MPUs bieten in der Regel eine höhere Leistungsfähigkeit als MCUs, erhöhen aber auch die Komplexität. Der Umstieg von einem MCU- auf ein MPU-Design erfordert aber auch das Wissen über neue Software- und Hardware-Paradigmen, mit denen Entwicklungsteams unter Umständen nicht ausgestattet sind. Jüngste Fortschritte in der Grafiktechnologie ermöglichen nun anspruchsvolle Grafikdesigns, die sonst nur mit MPUs möglich wären, ohne in neue Hardware- und Software-Designmethoden investieren zu müssen. Während bestimmte Anwendungen unbedingt eine MPU erfordern, können viele Entwickler von aktuellen Grafikmöglichkeiten profitieren, die jetzt mit MCUs zur Verfügung stehen (Bild 1 und 2). Dieser Beitrag beschreibt, wie einige dieser Fortschritte dazu beitragen, die Markenwiedererkennung zukünftiger GUI-basierender Embedded-Designs zu erhöhen.

 

Auf der folgenden Seite erfahren Sie mehr über den integrierten Grafikcontroller der MCU und was der ausschlaggebende Faktor für mehr Benutzererlebnis bei grafischen Darstellungen ist.

Integrierte Grafikcontroller

Die zentrale Komponente einer grafikfähigen MCU ist der integrierte Grafikcontroller. In seiner Grundform ist es die Peripherie, die für die Aufnahme von Bilddaten aus dem Speicher verantwortlich ist, um sie auf dem Display darzustellen. Diese Funktion ist einem direkten Speicherzugriff oder einer DMA-Einheit innerhalb der MCU zuweisbar. Bei vollständig grafikfähigen MCUs führt ein integrierter Grafikcontroller diese Arbeit effizienter und effektiver mit mehr Funktionen und Optionen durch, um die Anwendung so attraktiv wie möglich zu gestalten.

Drei wesentliche Funktionen beschreiben die Fähigkeiten eines integrierten Grafikcontrollers: Farbtiefe, Bildgröße und Bildrate. Auf die Farbtiefe wird später eingegangen, da Entscheidungen rund um diesen Aspekt große Auswirkungen auf die Markenwiedererkennung haben. Die Bildgröße ist die Höhe multipliziert mit der Bildschirmlänge in Pixeln. Zu beachten ist, dass der Zoll-Wert eine relativ grobe Art ist, die Bildgröße zu beschreiben, da die gleiche Auflösung in viele verschiedene physikalische Display-Abmessungen passen könnte. Die Bildrate ist die Rate, mit der das gesamte Bild auf dem Display aktualisiert wird. Je höher die Bildrate, desto glatter erscheinen die Übergänge des Bildes für den Nutzer. Glatte Übergänge, die durch die Auswahl der Bildrate bei oder über 15 Bildern pro Sekunde (fps) erzielt werden, machen das Produkt qualitativ hochwertig, verbessern die Benutzererfahrung und tragen zu einem höheren Gewinn bei.

Einschränkungen bei herkömmlichen MCUs wie der Pixeltakt und die Speicherverfügbarkeit führen häufig zu Kompromissen bei der Auswahl unter diesen drei Aspekten. So kann eine umfangreiche, lebendige Farbtiefe ein kleineres Display als gewünscht erfordern, um die Anwendung an den in der MCU zur Verfügung stehenden Speicherplatz anzupassen. Fortschritte in der Entwicklung und Fertigung ermöglichen heute größere integrierte Speicher, was die Fähigkeiten von Grafik-MCUs wesentlich erhöht. Um die Bedeutung eines großen integrierten Speichers zu schätzen, muss die Farbtiefe näher untersucht werden.

Farbtiefe für mehr Benutzererlebnis

Bild 3: Die PIC32MZ-DA-MCU bietet 32 MB DDR-DRAM in einem Chip, der eine vollständige Grafik-MCU bereitstellt.

Bild 3: Die PIC32MZ-DA-MCU bietet 32 MB DDR DRAM in einem Chip, der eine vollständige Grafik-MCU bereitstellt. Microchip

Die Farbtiefe ist definiert als die Anzahl der Bits, die verwendet wird, um die Farbe eines einzelnen Pixels in einem Bitmap-Bild anzuzeigen. Je mehr Bits zur Beschreibung einer Farbe Verwendung finden, desto feiner sind die Farbunterschiede von einem Wert zum nächsten. Mehr Speicher in der MCU ermöglicht dauerhaft eine Farbtiefe von 32 Bit. Das entspricht in etwa 16,7 Millionen Farben. Eine tiefe Farbe ist wichtig für das Benutzererlebnis und die Markenbildung. Der erste Grund für die Wichtigkeit reichhaltiger Farben ist, wie der Nutzer das dargestellte Bild interpretiert. Wenn Anwendungen auf realistischen Darstellungen von Fotografien oder Kunst beruhen, dann beurteilt der Nutzer die Qualität des Geräts anhand der Genauigkeit der Darstellung im Vergleich zum Original.

Der zweite Grund für die hohe Bedeutung der Farbtiefe ist die Markenwiedererkennung. Farben spielen eine äußerst wichtige Rolle, um Kunden dabei zu helfen, eine Marke zu identifizieren. Dabei sind Farben nicht nur sehr spezifisch (Pantone-Farben und andere Unternehmen haben eine ganze Branche auf diesem Konzept aufgebaut), sie helfen Kunden auch festzustellen, ob ein Produkt echt ist. Ist ein Unternehmen nicht in der Lage, eine Marke durch eine Farbdarstellung zu repräsentieren, kann sich dies nachteilig auf die Wahrnehmung der Gerätequalität auswirken.

Für eine 32-Bit-Farbe (24 Bit für die tatsächliche Farbbeschreibung und 8 Bit für die Transparenzebene, genannt Alpha-Kanal) ist viel Speicher erforderlich. Bei einem WVGA-Display (800 x 480 Pixel) werden für 32-Bit-Farben in etwa 1,5 MB Speicher benötigt – für nur einen Puffer, oder für das, was zur Darstellung gerade im Speicher abgelegt ist. Es gibt zahlreiche Fälle, bei denen diese Farbtiefe erforderlich ist. Dazu gehören die Anzeige von Fotos oder Kunstwerken und Anwendungen, die Internet-Zugriff bereitstellen, und wenn die Farbdarstellung von einem Dritten unvorhersehbar und vielfältig ist (zum Beispiel Karten, Bilder und Videos). Da MCUs typischerweise nicht mehr als 512 KB integrierten Speicher enthalten, um den Bildpuffer abzudecken, wäre für solche Anwendungen ein externer Speicher erforderlich.

Der Fortschritt in den Bereichen Chipdesign, Gehäuse und Fertigung hat zu einem größeren integrierten Speicher geführt. Die PIC32MZ-DA-MCU von Microchip (Bild 3) bietet nun 32 MB DDR2 DRAM in einem Chip, der eine vollständige Grafik-MCU bereitstellt. Externer Pufferspeicher erübrigt sich damit. Dies verringert die Kosten, Komplexität und die Gesamtgröße des Designs. In Verbindung mit einem dreilagigen Grafikcontroller und einem voll funktionsfähigen 2D-Grafikprozessor ist der PIC32MZ DA ein Beispiel für die Weiterentwicklung bei hochintegrierten Grafikcontrollern, die für Entwickler GUI-basierender Anwendungen zur Verfügung stehen.

 

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, welche Grafik-Entwicklungstools Microchip zur Implentierung der Grafik-MCU anbietet.

Grafik-Entwicklungstools

Bild 4: Das Starter-Kit für die MCUs verfügt über einen Micro-SD-Anschluss, USB, SQI-Flash und ist Raspberry-Pi-kompatibel.

Bild 4: Das Starter-Kit für die MCUs verfügt über einen Micro-SD-Anschluss, USB, SQI-Flash und ist Raspberry-Pi-kompatibel. Microchip

Bild 5: "What you see is what you get" ist das Credo der Entwicklungsumgebung für die Grafik MCU. Die Software zeigt genau das Bild, das dann auch auf dem Display zu sehen sein wird.

Bild 5: "What you see is what you get" ist das Credo der Entwicklungsumgebung für die Grafik-MCU. Die Software zeigt genau das Bild, das dann auch auf dem Display zu sehen sein wird. Microchip

Die Bedeutung eines umfangreichen Entwicklungspakets (Bild 4), das Automatisierung mit Flexibilität kombiniert, sollte nicht unterschätzt werden. Um optimale Benutzerschnittstellen zu schaffen, sind Tools erforderlich, die es Entwicklern ermöglichen, ihr Know-how auf das Erstellen von Inhalten zu konzentrieren, anstatt Code debuggen und eine unnötig iterative Programmierung vornehmen zu müssen.

Ein Ansatz für das GUI-Design, das Programmierer für Embedded-Designs zu UX-Experten macht, heißt „What You See Is What You Get“ (WYSIWYG). Hinter diesem Ansatz steckt ein Tool, das Entwicklern ermöglicht, ein Bild im Designraum innerhalb des Tools zu erstellen, das genauso aussieht, wie es bei der Übertragung auf die Hardwareplattform aussieht (Bild 5).

In Kombination mit anderen Tools, die das Erstellen von Treibern für nicht standardgemäße Grafikpanels automatisieren, ermöglichen diese tatsächlich ein Highend-Design-Erlebnis und erübrigen den Zeitaufwand, der für die Kodierung und das Debugging der Benutzeroberfläche erforderlich ist. Diese Tools sind aktuell verfügbar – ein Beispiel ist das MPLAB-Harmony-V2-Software-Framework von Microchip. MPLAB Harmony vereint fortschrittliche Funktionen, darunter Design Entry, Speicherverwaltung, Events und Displaytreiber, die eng mit bestehenden Tools wie Code-Erzeugung, Debugger, MPLAB-X und MPLAB-Harmony-Configurator verbunden sind.

Kurt Parker

Autorenbild
(Bild: Microchip)
Product Marketing Manager MCU32 Division bei Microchip

(na)

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