История микроконтроллеров (сокращенно МК или MCU) отмечена постоянным стремлением к стандартизации. В 1990-х годах производители микроконтроллеров соревновались в скорости и возможностях в пределах своих собственных базовых архитектур. К 2010 году большинство из них выбрали 32-битное семейство Arm Cortex-M в качестве стандартной архитектуры для MCU.
Значит ли это, что чипы разных производителей с одним и тем же ядром Cortex-M более-менее взаимозаменяемы? К сожалению, нет, так как помимо того же ядра, микроконтроллер еще и состоит из множества блоков и функциональных модулей, и может быть выполнен в разных технологиях.
Эти различия особенно заметны в одном семействе микроконтроллеров на базе Cortex-M, известном своей уникальной технологией, — семействе Infineon PSoC.
В то время, когда проекты требуют все больше и больше коммуникационных интерфейсов и более подвержены быстро меняющимся требованиям клиентов, чем когда-либо прежде, уникальные функции PSoC становятся все более ценными для инженеров-проектировщиков.
Семейство чипов PSoC
Семейство чипов PSoC было разработано в 2000-х компанией Cypress Semiconductor, которая была приобретена Infineon в 2020 году. Компания заметила возникающую потребность на промышленном, автомобильном и потребительском рынках, которые искали универсальное решение с помощью которого можно было бы оперировать различными типами датчиков и обеспечить на выходе высокоскоростные интерфейсы связи, такие как USB. Cypress также поняла, что такой продукт общего назначения будет еще более ценным для пользователя если его можно будет легко адаптировать к конкретным требованиям.
Конечно, PSoC сильно изменился за эти годы, но они по-прежнему предоставляют те же три ключевых преимущества для разработчиков продуктов:
- Периферийные устройства PSoC предназначены для максимальной гибкости. Например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) позволяет настраивать его работу, включая установку опорного напряжения, обработку несимметричных или дифференциальных входов, различные аппаратные или программные режимы запуска и так далее. Кроме того, встроенная программируемая логика и программируемая маршрутизация обеспечивают гибкую реализацию приложений. Это другой подход, чем в случае стандартного микроконтроллера, где возможности приложений ограничены тем, что предлагают аппаратные ресурсы, доступные на используемой микросхеме.
- Оптимизированный набор аппаратных блоков в PSoC часто позволяет разработчику исключить многие внешние компоненты, который потребуется для любого другого MCU. Экономия места и снижение стоимости компонентов являются естественным преимуществом гибкости PSoC. Эта гибкость доступна не только в начале проекта, но и в любое время, позволяя инженерам адаптировать аппаратные функции в соответствии с изменениями требований без необходимости дорогостоящего и трудоемкого реинжиниринга печатной платы.
- Эффективные аналоговые блоки включенные в PSoC позволяют напрямую подключаться к системе передовых датчиков, сохраняя при этом высокое разрешение, линейность и целостность входного сигнала. Эти возможности лучше всего демонстрирует функциональность емкостной технологии обнаружения касаний CAPSENSE, которая широко используется производителями бытовой техники. МК обеспечивает плавную работу сенсорного пользовательского интерфейса в сложных условиях работы в вытяжках, духовых шкафах, индукционных плитах и стиральных машинах. Хорошим примером использования возможности работы с несколькими датчиками является умный дверной замок. На рисунке показано, как один микроконтроллер PSoC 4 может обмениваться данными с несколькими датчиками для обнаружения движения, измерения интенсивности света, вибрации, а также напряжения и тока в оборудовании с батареечным питанием.
Простота реализации связи — в первых решениях за связь отвечал проводной USB-интерфейс. Современные серии PSoC 4 и PSoC 6 теперь имеют встроенную связь Bluetooth с низким энергопотреблением, а PSoC 6 также поддерживает проводные интерфейсы Wi-Fi, CAN и USB и предлагает возможность использования облака AWS или Microsoft Azure.
В настоящее время у разработчиков есть выбор из двух серий продуктов: PSoC 4 предназначена для создания мультисенсорных управляющих приложений, работающих в автономном режиме или с подключением к хосту через CAN, USB или BLE. Так как практически в каждом PSoC 4 есть сенсорный контроллер CAPSENSE, эта серия часто используется для реализации управления устройствами без механических кнопок и переключателей, и там где нет дисплея с сенсорной панелью.
Ядро Arm Cortex-M0+ в PSoC 4 и богатый набор программируемых аналоговых и цифровых блоков делают этот чип идеальным для других устройств, где используется несколько датчиков. Серия PSoC 4500 выполняет функции управления двигателем и питанием. Например в стиральной машине PSoC 4500 может управлять барабанным двигателем и одновременно отвечать за пользовательский интерфейс и другие системные функции.
PSoC 6 определяет более продвинутые системы, включая приложения IoT. Эти чипы содержат два ядра: Arm Cortex-M4 (150 МГц) и Cortex-M0+ (100 МГц) и подходят для выполнения сложных вычислений, запуска операционной системы реального времени и стека протоколов Wi-Fi/или Bluetooth, а также как поддержание связи с облачным сервисом, таким как Amazon Web Services (AWS).
Эта вычислительная мощность не снижает срок службы батареи. Изготовленный по 40-нм техпроцессу, чип PSoC 6 чрезвычайно энергоэффективен и потребляет всего 22 мкА/МГц в активном режиме. Двухъядерная архитектура также упрощает экономию энергии, поскольку ядро Cortex-M0 с более низкой производительностью и энергопотреблением можно использовать для реализации постоянно включенных функций, таких как считывание состояния сенсорного датчика, в то время как более быстрое ядро Cortex-M4 может оставаться в рабочем состоянии в спящем режиме большую часть времени, просыпаясь только для быстрого выполнения задач Wi-Fi или Bluetooth.
Связь в PSoC 6 осуществляется с помощью набора готовых к использованию функций и программного обеспечения ModusToolbox, поддерживающего встроенный приемопередатчик Bluetooth (в серии PSoC 63) или внешние модули AIROC Bluetooth/Wi-Fi.
Программное обеспечение и инструменты Modus-Toolbox представляют собой блок готовых к использованию стеков протоколов для Bluetooth Wi-Fi, а также драйверов устройств, пакетов для работы с платами, RTOS, графики и функций безопасности. Документированные и протестированные образцы кода помогут быстро приступить к работе над новым проектом. Программное обеспечение, подключенное к облаку, упрощает подключение устройств IoT к популярным службам.
PSoC 6 прост и безопасен, потому что был специально создан для Интернета вещей. Следовательно, является идеальным выбором для оборудования, подверженного кибератакам. Вот почему архитектура PSoC 6 была разработана с учетом сильных функций безопасности, и для ее упрощения была представлена линейка PSoC 64 Security MCU. Так называемой Защищенные среды выполнения — зоны выполнения приложений, которые аппаратно изолированы от других зон в схеме, чтобы безопасные функции не могли быть нарушены незащищенными функциями. Зона безопасного выполнения также поддерживает иерархический контекст защиты, который дает клиентам возможность дополнительно изолировать доступ к защищенным ресурсам. Эта аппаратная и логическая защита защищенных функций достигается без необходимости использования внешней защищенной памяти или безопасного элемента.
PSoC 6 имеет аппаратный ускоритель поддерживающий работу криптографических алгоритмов и защищенную внутреннюю память для прошивки, приложений и защищенных ресурсов, таких как криптографические ключи. Благодаря широкому набору функций безопасности серия PSoC 64 сертифицирована PSA Level 2, что делает эти чипы пригодными для использования в устройствах с ценными данными с высоким риском перехвата, например в двухфакторной аутентификации.
Ресурсы для разработчиков приложений
Ядром среды разработки выступает инструментальное программное обеспечение ModusToolbox с расширением для задач машинного обучения, набором библиотек и промежуточного программного обеспечения, которые помогают внедрять решения для машинного обучения. Разнообразные оценочные платы, в том числе наборы для прототипирования Pioneer, предназначены для первоначальной оценки и проверки идей. Платы Pioneer совместимы с платами Arduino и Digilent Pmod.
Для разработчиков использующих PSoC-системы подготовлены обучающие видео и обширная техническая документация. Платформа продукта PSoC интуитивно понятна и проста в реализации благодаря бесшовной интеграции микроконтроллеров, плат, инструментов и IDE, программного обеспечения и драйверов, а также примеров кода для типичных приложений. В сочетании с готовым подключением к облаку и надежными функциями безопасности, серия микроконтроллеров PSoC дает возможность значительно ускорить вывод продукта на рынок и воплотить цифровой мир в реальность.
