Im Mikrocontroller-Dschungel den Überblick behalten

ARM ist für viele Hersteller der klare Favorit, besonders im 32-Bit-Embedded-Markt. Die Architektur wird von mehr als 1000 Unternehmen unterstützt, die Chips, Entwicklungstools und Software bereitstellen. Zudem wurden über 100 Milliarden Prozessoren verkauft, welche die ARM-Architektur verwenden. Die meisten der führenden Hersteller bieten Mikrocontroller oder Prozessoren auf ARM-Basis an, wobei es auch geeignete Alternativen gibt. Die beiden bekanntesten sind MIPS und RISC-V.

MIPS war eine der ursprünglichen RISC-Architekturen, welche die Stanford-Universität in den 1980er-Jahren entwickelte und in einer eigenen Firma ausgründete. Als einer der ersten Prozessoren seiner Zeit hatte MIPS großen Einfluss auf die Bildung in Sachen Computerarchitektur.

RISC-V ist noch relativ jung, mittlerweile jedoch als freie und offene Befehlssatzarchitektur (ISA) ein wichtiger Open-Source-Kern. Er wurde für die Verwendung in aktuellen computergestützten Geräten wie Cloud-Computern im Lagerbereich, High-End-Mobiltelefonen und den kleinsten Embedded-Systemen entwickelt, die allesamt ein hohes Maß an Leistung und Energieeffizienz erfordern. RISC-V macht teure Lizenzen überflüssig und bietet Benutzern Flexibilität.

Der Embedded-Mikrocontroller-Markt

Bild 1: Der MSP430 ist für einen sehr geringen Stromverbrauch ausgelegt und daher eine geeignete Option für Anwendungen wie Prozessleitsysteme. Farnell element14

Texas Instruments ist ein interessanter Fall. Das Unternehmen verfügt nicht nur über 32-Bit-Mikrocontroller auf ARM-Basis, sondern verwendet auch einen eigenen Kern mit der Bezeichnung MSP430 (Bild 1). Der MSP430 ist für einen sehr geringen Stromverbrauch ausgelegt und daher eine geeignete Option für Anwendungen wie Prozessleitsysteme, wo dies besonders wichtig ist. In diesen Anwendungen müssen die einzelnen Sensoreinheiten sowohl die lokalisierte Datenanalyse als auch die Kommunikation übernehmen. Dies hat dazu geführt, dass Hersteller einen Mikrocontroller in den Sensorknoten integriert haben, um diese zusätzlichen Funktionen zu ermöglichen.

Eine weitere verbreitete 32-Bit-Architektur, die in einer Reihe von Embedded-Prozessoren zur Anwendung kommt, ist die IBM-Power-Architektur. Die häufigsten Anwendungsfelder für diese Architektur sind Rechenzentren (IBM-Server, Workstations, Supercomputer) und Embedded-Prozessoren von NXP, insbesondere für Automotive-, Netzwerk-, Verbraucher- und Industrieanwendungen.

Ein Haupttreiber der Kosten von Halbleitern ist die benötigte Siliziumfläche, was bedeutet, dass komplexere Prozessoren teurer sind. Während die Prozessgeometrien schrumpfen, sind viele Mikrocontroller auf die Anzahl der Pads festgelegt. Damit ist die für einen 32-Bit-Kern zusätzlich erforderliche Siliziumfläche weniger wichtig, obwohl sich Prozessoren mit kürzerer Wortlänge oft in kostengünstigeren Prozesstechnologien herstellen lassen, als dies bei 32-Bit-Bausteinen möglich ist.

Nicht nur 32 Bit

Für die meisten Embedded-Anwendungen liefern 32-Bit-Kerne ausreichend Leistung, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Daher kommen 64-Bit-Prozessoren in der Regel nur in datenintensiven oder rechenintensiven Systemen zum Einsatz. Dazu gehören Anwendungen, die Echtzeit-Multitasking und eine höhere Rechenleistung erfordern, wie computergestütztes Design, Datenbank-Managementsysteme und einige technische und wissenschaftliche Projekte. Sowohl MIPS als auch ARM verfügen über 64-Bit-Prozessorkerne.

Am anderen Ende ist der Einsatz von 4-Bit-Prozessoren drastisch zurückgegangen, wobei diese heute noch am häufigsten in Infrarot-Fernbedienungen und Sicherheitsalarmen Verwendung finden. Es gibt jedoch nach wie vor eine bedeutende Entwicklung von 8-Bit-Prozessoren, die in der Regel eine geringere Leistung bieten, aber viel kostengünstiger als ein 32-Bit-Kern sind. Darüber hinaus ist es möglich, mit einem 8-Bit-Kern den Stromverbrauch zu reduzieren, denn es müssen weniger Transistoren schalten, da die Wortlänge nur ein Viertel der Wortlänge von 32-Bit-Kernen beträgt.

Bild 2: Microchip bietet 8-Bit-Mikrocontroller sowohl mit PIC- als auch mit AVR-Architektur an. Farnell element14

Microchip beispielsweise bietet 8-Bit-Mikrocontroller sowohl mit PIC- als auch mit AVR-Architektur an (Bild 2). AVR ist aus der Übernahme von Atmel durch Microchip hervorgegangen. Die Technologie des Unternehmens basiert auf kernunabhängigen Peripheriegeräten, um sich wiederholende Embedded-Aufgaben zu bewältigen, ohne Ressourcen vom Kern abzuziehen. Dadurch können einige der 8-Bit-Bausteine bei der Bewältigung alltäglicher Aufgaben sogar 32-Bit-Mikrocontroller übertreffen.

Einige Experten prognostizieren seit vielen Jahren das Ende des 8-Bit-Marktes, in der Tat ist aber das Gegenteil der Fall, denn es werden mehr 8-Bit- als 32-Bit-Bausteine in Designs integriert. Technologische Fortschritte, wie kernunabhängige Peripheriegeräte, spielen dabei eine wesentliche Rolle.

Bild 3: Die RL78-Familie ist ein 16- und 8-Bit-CPU-Kern für Embedded-Mikrocontroller von Renesas Electronics. Farnell element14

Die meisten Mikrocontroller-Hersteller, deren Produkte bei Farnell Element 14 erhältlich sind, bieten eine 8-Bit-Architektur an (Bild 3). Der Bedarf an 8-Bit-Produkten ist natürlich dort besonders hoch, wo es nur einen geringen Leistungsbedarf gibt. Dieses Marktsegment profitiert also sehr vom Wachstum des Internets der Dinge (IoT). Viele der sogenannten „Dinge“ erfüllen grundlegende Aufgaben wie die Durchführung von Messungen und das Senden von Daten zur Verarbeitung. Sie werden nur bei Bedarf geweckt und verbrauchen sehr wenig Strom – Aufgaben, für die auch einige der 8-Bit-Mikrocontroller gut geeignet sind.

Spezialisierte Prozessoren

Manchmal müssen Prozessoren ein bestimmtes Leistungsniveau für bestimmte Anwendungen erfüllen. Digitale Signalprozessoren (DSP) sind beispielsweise Mikroprozessoren mit einer speziellen Architektur – vor allem entwickelt für die Durchführung von Berechnungen. Für rechenintensive Anwendungen sind auch DSP-Anwendungen von Texas Instruments nutzbar. Die Bausteine eignen sich für komplexe Anwendungen wie die industrielle Bildverarbeitung, die häufig in der Werksautomatisierung und Roboterführung zum Einsatz kommt. Ein DSP ermöglicht dabei die analytische Verarbeitung von Bildern und erlaubt sonst blinden Geräten das Sehen.

Für Anwendungen mit künstlicher Intelligenz (KI) sind spezialisierte Prozessoren oft die beste Wahl. Viele Halbleiterhersteller führen Projekte zur Entwicklung von Prozessoren durch, die die Leistung von Embedded-Anwendungen steigern und verfügen über spezielle Bibliotheken, die KI unterstützen.

Fazit

Obwohl es auf den ersten Blick den Anschein hat, dass der Erfolg von ARM die Mikrocontroller-Branche weniger spannend gemacht hat, gibt es ein enormes Interesse und Investitionen in die Entwicklung von Mikrocontrollern und Mikroprozessoren, die eine Reihe verschiedener Kerne verwenden, um die Bedürfnisse von wachsenden Märkten wie IoT und KI zu erfüllen.

Angesichts der breiten Palette von MPU- und MCU-Optionen wenden sich immer mehr Entwickler an Distributoren, um fachkundige und produktunabhängige Tipps zu erhalten, die es ihnen ermöglichen, die idealen Mikroprozessoren, Mikrocontroller und Entwicklungskits für ihre Designprojekte zu finden.

(aok)