Jste zde

O devatero přednostech nových MCU Kinetis K70

Freescale, 28. Červenec 2011 - 0:00

MCU Kinetis řady K70 tvoří aktuální přírůstek do velké rodiny 32bitových mikrokontrolérů Freescale, vycházejících z jádra ARM Cortex-M4. V tomto článku proto v devíti hlavních bodech zmapujeme základní vlastnosti a také přednosti těchto nových ARMů, které vedle silně „zakořeněného“ smyslu pro energetickou šetrnost dále podporují grafické displeje, Ethernet, USB, šifrování nebo třeba detekci neoprávněného zásahu do systému.

Před časem jsme na stránkách hw.cz přehledovým způsobem představili mikrokontroléry společnosti Freescale řady Kinetis, od struktur K10 až po K60. Jednalo se o tyto dva příspěvky: 

 
Vývoj mezitím pokročil dále a zmiňované 32bitové MCU s jádrem ARM dostávají další posilu, které výrobce vyhradil čestné místo na pozici K70. Obvody, které nazývá
 
  • Low-Power MCU with Floating Point Unit, Graphic LCD, Ethernet, USB, Encryption and Tamper Detect, 
 
si nyní představíme podrobněji. Cílovou skupinu aplikací zde přitom tvoří průmyslové řídicí panely, navigační displeje, terminály POS (point-of-sale) nebo také zařízení, která se ve zdravotnictví používají k monitorování.
 
Mikrokontroléry Kinetis K70 v širších „rodinných“ souvislostech
 

Stručný přehled možností MCU Kinetis řady K70

Nabídka MCU Kinetis obecně zahrnuje větší počet pinově, periférně a také softwarově kompatibilních rodin mikrokontrolérů, vycházejících z jádra ARM Cortex-M4. Vše se zde odvíjí od inovační technologie 90 nm Flash – TFS (thin-film storage), umocněné jedinečnou pamětí FlexMemory (konfigurovatelná embedded EEPROM) spolu s přední nabídkou nízkopříkonových postupů a podporou práce se smíšenými signály, kde např. využíváme integrovaných A/D a D/A převodníků, zesilovačů PGA s nastavitelným ziskem, analogových komparátorů či napěťových referencí.
 
Blokový diagram MCU Kinetis K70
 
MCU řady K70 pak nabídnou integrovanou podporu grafiky – kontrolér pro LCD, IEEE 1588 Ethernet MAC, Full a High-Speed USB 2.0 On-The-Go spolu s blokem USB Device Charger Detect, hardwarovým šifrováním nebo třeba jednotkou Tamper Detection pro odhalení neoprávněného zásahu. Celá struktura je dostupná s 512 KB či 1 MB paměti Flash v pouzdrech typu MBGA se 196 nebo také 256 vývody. Na všech mikrokontrolérech nechybí ani bohatá periférní výbava, tj. analogové obvody, komunikační prostředky, časování nebo řízení. Každý MCU Kinetis K70 od společnosti Freescale obsahuje precizní jednotku FPU (Floating Point Unit) včetně bloku NAND Flash Controller. Provedení s 256 vývody se navíc mohou pochlubit i vestavěným kontrolérem DRAM pro případné rozšiřování systému.
 
Přehled možností jednotlivých variant MCU Kinetis K70 (kliknutím zvětšíte)
 

Základní vlastnosti a přednosti MCU Kinetis řady K70

V devíti bodech se nyní podrobněji seznámíme se základními vlastnostmi a výhodami řady K70.
 

1. Mimořádně nízká vlastní spotřeba (Ultra-Low power)

  • Deset nízkopříkonových režimů s možnostmi, které nabízí hradlování napájení nebo hodinového kmitočtu pro optimalizaci aktivity periférních systémů i návratových časů. Proudové odběry: <500 nA (Stop), <200 µA/MHz (Run), probuzení z režimu stop za 4 µs.
  • Plnohodnotný provoz paměti včetně analogových struktur ještě na 1,71 V pomáhá vytěžit maximum z bateriového napájení
  • Jednotka probuzení s minimálním odběrem – LL (Low-leakage), až osmi interními moduly a 16 piny jako wake – up zdroje v režimech LLS (low-leakage stop) / VLLS (very low-leakage stop)
  • Nízkopříkonový timer pro nepřetržitou činnost systému ve stavu se sníženou spotřebou
 
Rodina mikrokontrolérů Kinetis je součástí energeticky šetrných řešení společnosti Freescale (Energy Efficient Solutions). Rozhodně se však v tomto případě nejedná o jeden jediný postup, při kterém dochází k omezení výkonových ztrát a se kterým bychom byli schopni vyhovět všem systémovým požadavkům. Celé kouzlo totiž spočívá v účinném spojení architektury, platformy i obvodových technologií, systémového a také aplikačního softwaru, technologických procesů, metodiky návrhu a nástrojů pro inteligentní vývoj polovodičových řešení, která zajistí nejvyšší možné výkonnostní úrovně v rámci docela omezeného energetického „rozpočtu“.
 
  • Energy Efficiency Target
společnosti Freescale (viz obr.) ilustruje, jakým způsobem dochází k zapracování těchto technologií a postupů do plnohodnotného vývojového procesu, navrženého s cílem dosáhnout ideální energetické účinnosti (viz také Energy-Efficient Product Solutions). 
 
Energy Efficiency Target
 

2. Paměti typu Flash, SRAM a FlexMemory (Flash, SRAM and FlexMemory)

  • Paměť typu Flash, 512 KB až 1 MB; rychlý přístup, vysoká spolehlivost, 4úrovňové zabezpečení
  • 128 KB SRAM
  • FlexMemory: 32 byte až 16 KB uživatelsky rozdělitelné EEPROM (byte write / erase) pro datové tabulky nebo systémová data. EEPROM s více než 10 mil. cyklů a Flash s dobou zápisu 70 µs; pokles napětí – brownout není provázen ztrátou dat nebo jejich narušením. Vykonání funkcí programování a mazání nevyžaduje zásah ze strany uživatele či systému, plnohodnotná činnost je přitom definována již od 1,71 V. Kromě toho je k dispozici i 512 KB FlexNVM pro další kód programu, data nebo zálohu EEPROM.
 

3. Práce se smíšenými signály (Mixed-Signal Capability)

  • Až čtyři vysokorychlostní 16bitové A/D převodníky s definovatelným rozlišením, jednoduchý (Single) nebo rozdílový (Differential) provozní režim pro ještě účinnější potlačení rušení, doba převodu 500 ns, dosažitelná spouštěním bloku s programovatelným zpožděním.
  • Až dva 12bitové D/A převodníky pro generování analogových průběhů v audio aplikacích
  • Až čtyři vysokorychlostní komparátory, zajišťující rychlou a zároveň i přesnou ochranu motoru před nadproudy (řízení PWM s ohledem na bezpečný stav)
  • Až čtyři zesilovače s nastavitelným ziskem (Programmable Gain Amplifier, PGA), zesílení x64 pro optimalizovaný převod signálů s malou amplitudou
  • Integrovaná napěťová reference generuje přesný potenciál pro analogové bloky, ADC nebo DAC a nahrazuje přitom vnější napěťové reference
 
 

4. Výkonnost (Performance)

  • Jádro ARM Cortex-M4 + DSP, 120 MHz až 150 MHz, jednocykl. MAC, rozšíření ve smyslu SIMD (Single Instruction Multiple Data), jedna precizní jednotka FPU (Floating Point Unit)
  • Až 32kanál. DMA pro obsluhu periférií a paměti se sníženým zatěžováním CPU a větší propustností systému
  • Cross bar switch umožňuje souběžné přístupy na sběrnici (multi-master) a navyšuje tím šířku pásma sběrnice
  • Až 16 KB cache (instrukce / data) pro optimalizaci šířky pásma sběrnice a výkonnosti ve spojení s Flash
  • Nezávislé banky Flash podporují souběžné provádění kódu spolu s aktualizací firmwaru a to bez jakýchkoli výkonnostních omezení či složitých kódovacích postupů
 

5. Časování a řízení (Timing and Control)

  • Celkem čtyři FlexTimery, dohromady až 20 kanálů; vkládání tzv. dead-time (HW), kvadraturní dekódování pro řízení motoru
  • Carrier Modulator Timer, gen. IR průběhů v dálkových řídicích aplikacích
  • 4kanálový, 32bitový timer s periodickým přerušením zajišťuje časovou základnu pro plánovač úloh RTOS nebo zdroj spouštění pro A/D převod a blok programovatelného zpoždění
 
 

6. Rozhraní ovládacích panelů (Human-Machine Interface)

  • Kontrolér pro grafické LCD – podporuje barevné zobrazovací panely QVGA (jako jeden čip) nebo až 24bitové displeje SVGA s využitím vnější paměti. Podporováno ze strany Portable Embedded GUI (PEG) Library od společnosti Freescale spolu s jednoduchým rozhraním WindowBuilder pro realizaci výkonných grafických uživatelských rozhraní GUI.
  • Hardwarové rozhraní pro dotykové ovládání až s 16 vstupy pracuje ve všech nízkopříkonových režimech (je – li povoleno, vnáší jen minimální nárůst proudového odběru). Hardwarová implementace zase předchází nežádoucím softwarovým zásahům. Vysoká citlivost umožňuje použití vnějších povrchů s tloušťkou až do 5 mm.
 

7. Vzájemná propojitelnost a komunikace (Connectivity and Communications)

  • IEEE 1588 Ethernet MAC s hardwarovým „časovým razítkem“ umožňuje přesnou synchronizaci hodin pro průmyslové řízení, probíhající v reálném čase
  • USB 2.0 On-The-Go (full a high speed); funkce Device Charge Detect optimalizuje nabíjecí proud / čas pro přenosná zařízení s rozhraním USB a umožňuje tak účinnější zacházení s baterií. Nízkonapěťový regulátor dodává až 120 mA na 3,3 V pro napájení vnějších součástek z 5 V vstupu
  • Až šest UARTů s podporou IrDA včetně jednoho UARTu s podporou chytrých karet (ISO7816); celá řada datových formátů včetně možností nastavení vyhovuje požadavkům mnoha průmyslových komunikačních protokolů.
  • Sériové rozhraní Inter-IC Sound (I2S) pro nasazení v audio systémech
  • Až dva moduly CAN pro průmyslové sítě
  • Celkem tři DSPI a dvě rozhraní I2C
 
 

8. Spolehlivost, bezpečnost a „pocit jistoty“ (Reliability, Safety and Security)

  • Koprocesor (Hardware Encryption) pro zabezpečení datových přenosů včetně ukládání; rychlejší než realizace prostřednictvím softwaru a s minimálními nároky na CPU. Podporuje celou řadu algoritmů: DES, 3DES, AES, MD5, SHA-1, SHA-256.
  • Zabezpečení systému včetně detekce neoprávněného zásahu (Tamper) spolu s chráněnými hodinami reálného času a nezávislým bateriovým napájením. Uložení bezpečnostního klíče s detekcí vnitřního nebo také vnějšího narušení pro případ nezajištěné Flash nebo změn teploty, taktu či velikosti napájecího napětí, vyhodnocení fyzického útoku.
  • Jednotka ochrany paměti (Memory Protection Unit) pro zabezpečení paměťového prostoru u všech masterů (cross bar switch), navýšení spolehlivosti použitého softwaru
  • Systém nadbytečné periodické kontroly potvrzuje obsah paměti včetně dat v komunikačním procesu a navyšuje tak spolehlivost celého systému
  • Nezávisle taktovaný COP zajišťuje ochranu pro případ odchylky hodin či „splašeného kódu“ v zajištěných aplikacích, jako například u bezpečnostního standardu IEC 60730 pro domácí spotřebiče
  • Externí watchdog monitor
 

9. Podpora vnějších periférií (External Peripheral Support)

  • FlexBus (rozhraní vnější sběrnice) podporuje zapracování pamětí či periférií typu grafických displejů; nabízí až šest CS (Chip Select)
  • Zabezpečený digitální host kontrolér podporuje SD, SDIO, MMC nebo CE-ATA karty pro aktualizace softwaru uvnitř aplikace, možnosti využití mediálních souborů či přídavnou podporu Wi-Fi
  • NAND Flash kontrolér podporuje až 32bitovou ECC u současných, ale také nových typů NAND. Řízení ECC, realizované hardwarově, pak minimalizuje SW požadavky.
  • DRAM kontrolér podporuje DDR, DDR2 a také nízkopříkonové paměti DDR. Maximální kmitočet (hodiny / data) zde přitom činí 125 MHz / 250 MHz.
 

Závěr:

MCU Kinetis řady K70 tvoří aktuální přírůstek do velké rodiny 32bitových mikrokontrolérů Freescale, vycházejících z jádra ARM Cortex-M4. V tomto článku jsme se v devíti hlavních bodech pokusili zmapovat základní vlastnosti a také přednosti těchto nových ARMů, které vedle svého zásadního smyslu pro energetickou šetrnost dále podporují grafické displeje, Ethernet, USB, šifrování nebo třeba detekci neoprávněného zásahu do systému.
 

Download a odkazy:

Hodnocení článku: