Industrie-Elektronik ist einer der stabilsten Wachstumsmärkte weltweit, die europäische Industrie seit Jahren Trendsetter. Um gegen kostengünstige Anbieter aus den „Emerging Markets“ zu bestehen, spielen Innovationen sowie eine kontinuierliche Verbesserung der Produkt-und Entwicklungskosten die entscheidende Rolle. Hersteller von Kernkomponenten müssen sich dazu aufstellen, diese beiden Punkte zu unterstützen. Mikrocontroller selbst sind in den letzten 20 Jahren allgegenwärtig geworden: Laut den Marktforschern von WSTS wurden im Jahr 2007 10 Mrd. MCUs abgesetzt. Das durchschnittliche Stückzahlenwachstum (CAGR) seit 1991 lag bei 12 Prozent jährlich. Auch ein Vergleich der Leistungsfähigkeit der über die Jahre zur Verfügung gestellten Rechenleistung ist eindrucksvoll: Die Flugsteuerungssysteme eines Space-Shuttles bringen zusammen eine Rechenleistung von etwa 2,5 MIPS, der Mikrocontroller für die Motorsteuerung einer typischen Waschmaschine etwa 5 MIPS. Hieraus lassen sich drei Folgerungen ziehen: Erstens, die kontinuierliche Reduzierung der Kosten von MCUs erlaubt es, diese in immer kostensensitiveren Anwendungen einzusetzen. Zweitens, die reine Rechenleistung eines Cores ist ein unzureichendes Maß für die Leistungsfähigkeit eines Prozessors oder MCUs in einem System, sondern die Systemarchitektur und On-Chip-Peripherie sind zu berücksichtigen. Drittens, um weitere Anwendungen – auch Nischenanwendungen – zu erschließen, ist es notwendig, den Entwicklungsaufwand zu senken. Besonders für Industriekunden, die im Vergleich zum Automobil-, Consumer- oder Datenverarbeitungssektor oft mit kleinen Projektteams und Projektbudgets auskommen müssen.
Der Blick auf die Systemebene
Jede Generation von Mikrocontrollern verbessert das Preis-Leistungs-Verhältnis signifikant. Um diese Einsparungen zu sehen, ist es jedoch wichtig, nicht nur die Leistungsdaten unterschiedlicher MCUs miteinander zu vergleichen, sondern die Leistungsfähigkeit und Kosten der Systemlösungen, die sie steuern: So kann es sinnvoll sein, einen teureren Mikrocontroller zu verwenden, weil mit diesem andere externe Komponenten eingespart werden können. In der 16-Bit-Real-Time-Signal-Controller-Familie XE166 von Infineon sind zur Einsparung von Systemkosten Verbesserungen implementiert: beispielsweise ein Embedded-Voltage-Regulator, um mit einer Versorgungsspannung zwischen 3 und 5 V auszukommen, wahlweise zwei Power Domains an den Pads, um ohne Level-Shifter gleichzeitig Drei- und Fünf-Volt-Signale zu verarbeiten, ein interner Oszillator, um für viele Anwendungen auf einen externen Quarz zu verzichten, eine EEPROM-Emulation, um ein externes EEPROM weglassen zu können. Die im Chip integrierten Funktionen sparen externe Komponenten und bringen eine Einsparung in den Systemkosten zwischen ein und zwei Euro.
Denkt man bei Leistungsfähigkeit eines Mikrocontrollers hauptsächlich an Rechenleistung, werden die Anforderungen durch kleine Segmente wie zum Beispiel High-End-Servo-Drives bestimmt. Die Tri-Core-Produktfamilie, die hohe Rechenleistungen mit über 300 MIPS, große Speicher im MByte-Bereich und eine DSP-Einheit integriert, richtet sich an dieses Segment. Ein Großteil des industriellen Marktes erfordert keine möglichst hohe Rechenleistung, sondern ein hervorragendes Echtzeitverhalten bei niedrigen Stückkosten. Beispielsweise kann es erforderlich sein, dass ein Analogsignal periodisch alle 10 µs auf die Einhaltung von Grenzwerten überprüft wird. Will man das über die CPU lösen, erfordert das hauptsächlich wegen der häufigen Task-Switches schnell 20 bis 30 Prozent der Rechenleistung. Dagegen gibt es Lösungen, bei denen der integrierte Analog-Digital-Wandler diese Auswertung selbst vornimmt und nur bei Verletzung der Grenzwerte Rechenleistung auf der CPU benötigt wird. Infineon bietet diese Art von intelligenter Peripherie für 8-, 16- un 32-Bit-Mikrocontrollerfamilien. Durch deren Peripherie lässt sich der Griff zu einem nach Rechenleistung zwar leistungsfähigerem damit jedoch teureren MCU vermeiden. Ein weiteres Beispiel sind sicherheitskritische Anwendungen. Hier werden in Zukunft Systeme, die aus zwei oder mehreren redundanten Mikrocontrollern aufgebaut sind, durch Multi-Core-Lösungen ersetzt. Der offensichtliche Weg zu höherer Zuverlässigkeit ist es, zwei identische Cores auf einem Chip zu integrieren, auf beiden Cores denselben Code auszuführen und anschließend die Ergebnisse zu vergleichen. Die symmetrischen Dual-Core-Lösungen scheinen auf den ersten Blick einfach, bringen aber beispielsweise die Nachteile mit sich, dass Core-, Compiler- oder Software-Erratas auf beiden Cores zu denselben Ergebnissen führen, das heißt nicht detektierbar sind. Wählt man stattdessen einen mit Tri-Core-Architektur möglichen asymmetrischen Ansatz, das heißt mit zwei unterschiedlichen auf einem Chip integrierten Cores, können diese Fehler vermieden werden. Sowohl die Core- als auch Compiler und Software-Erratas sind für beide Cores unterschiedlich.
Zero Defect ist das Ziel
Ebenso wichtig ist die Zuverlässigkeit von Mikrocontrollerarchitekturen: Bei einem typischen Industrieprojekt mit einer Stückzahl von 20.000 pro Jahr mag es vernachlässigbar erscheinen, ob ein Mikrocontroller mit einem Qualitätslevel von 1dppm (defect parts per million) oder 100 dppm ausgeliefert wird. Bedenkt man, dass gerade Industrieanlagen im Wert von mehreren Millionen auch in entlegenen Gegenden nahe der Rohstoffgewinnung gebaut werden und Mikrocontroller oft deren zentrale und relativ aufwändig zu ersetzende Bestandteile sind, ist eine hohe Qualität dieser Bauteile von größter Bedeutung. Lieferanten, die wie Infineon den Fokus aufs Industrie- und Automobilgeschäft setzen, sind hier Vorreiter. Das Unternehmen trägt dem mit einer „Zero-Defect“-Kultur Rechnung. So konnte für Mikrocontroller die Fehlerrate auf unter 1dppm im Jahr 2007 gesenkt werden.
Der Industriemarkt in Europa ist durch kleine und mittelgroße Unternehmen bzw. Embedded-Software-Projekte geprägt. Hersteller von Mikrocontrollern können die Innovationsfähigkeit hauptsächlich durch zwei Maßnahmen unterstützen: konsistente Produktverbesserungen sowie einen einfachen Zugang zu leistungsfähigen Techniken. Eine konsistente Verbesserung existierender Produktfamilien erlaubt es den Kunden, das Entwicklungsteam auf die Kernkompetenzen zu konzentrieren, statt sich in eine neue Produktfamilie einarbeiten zu müssen. Hierbei kommt der konsistenten Weiterentwicklung von anwendungsspezifischer On-Chip-Peripherie eine ungleich höhere Bedeutung zu, wie zum Beispiel der Verwendung standardisierter Cores. Unterschiedliche Cores sind heute durch die Verwendung einer High-Level-Programmiersprache wie C und eines Compilers nahezu transparent. Um selbst auf einer 8-Bit-MCU immer anspruchsvollere Aufgaben zu implementieren, muss man die On-Chip-Peripherie-Einheiten konsistent erweitern. Dadurch nehmen diese inhärent in ihrer Komplexität zu. Um dennoch die Evaluierungszeit für die optimale Verwendung solcher Mikrocontroller zu reduzieren, leisten Anwendungskits einen wichtigen Beitrag. Der Entwickler bekommt vom Halbleiterhersteller eine Entwicklungsumgebung, durch die eine sofortige Evaluierung und Systemintegration möglich ist. Beispielsweise bietet Infineon ein Anwendungskit für die Ansteuerung eines Drei-Phasenmotors über eine auf einem 8-Bit-Mikrocontroller implementierte feldorientierte Regelung sowie eine Monitor- und Parametrierungs-Software. Damit der Entwickler darüber hinaus die Software umgehend ändern oder erweitern kann, enthält das Kit einen freien Compiler und einen Debugger. Dadurch wird auch kleinen Entwicklungsteams ein komplizierter und hochleistungsfähiger Algorithmus in einer Hardware-Implementierung einfach zugänglich gemacht.
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