Beschleunigung von Mikrocontroller- und Mikroprozessorprojekten mit einer flexiblen Entwicklungsplattform

Eingebettete Systeme und ihre Anwendungen werden immer vielfältiger, was in der Folge auch für die Prozessoren gilt, die sie nutzen. Dementsprechend entwickeln sich eingebettete Prozessoren immer weiter und bieten eine ständig wachsende Liste von Entwicklungsoptionen, die sich oft überschneiden. Mehr Auswahl ist zwar immer willkommen, aber die Erkundung der Möglichkeiten kann sehr viel Zeit in Anspruch nehmen. Um in einem dynamischen Umfeld erfolgreich zu sein, ist die Entwicklung auf eine Möglichkeit angewiesen, mehrere Halbleiteroptionen von Mikrocontrollern bis hin zu Mikroprozessoren schnell zu evaluieren und gleichzeitig den Prototyping-Prozess zu optimieren.

Ein Behelf hierbei ist, für die Hardware einen Bausteinansatz zu wählen. Durch die Kombination eines vereinfachten Entwicklungsboards mit einer umfangreichen Bibliothek von Erweiterungsmodulen und Hilfssoftware lassen sich diese Bausteine nach Bedarf kombinieren und anpassen.

Dieser Artikel gibt einen Überblick darüber, wie sich die Anforderungen an das Design von eingebetteten Systemen ändern und was diese Änderungen für die Prozessorauswahl bedeuten. Im Anschluss wird gezeigt, wie eine Plattform von NXP die Möglichkeit gibt, mehrere Komponentenklassen zu erkunden, angefangen bei energiesparenden Mikrocontrollern bis hin zu hochintegrierten Linux™-Mikroprozessoren und Anwendungsprozessoren.

Die verschwimmenden Grenzen des eingebetteten Designs

Bis vor kurzem fielen die meisten eingebetteten Anwendungen in Kategorien mit klar definierten Grenzen. Einfache E/A und Steuerlogiken waren die Domäne von 8-Bit-Mikrocontrollern, während 32-Bit-Mikrocontroller komplexe Echtzeitoperationen übernahmen. Anwendungen, die ein vollständiges Betriebssystem oder eine grafische Benutzerschnittstelle erforderten, waren fest im Bereich der Mikroprozessoren angesiedelt.

Heute sind diese Grenzen verschwommen. Viele traditionelle 8-Bit-Anwendungen wurden in die 32-Bit-Domäne verschoben, da zuvor eigenständige Anwendungen nun mit anspruchsvoller Konnektivität versehen werden. Komplexe Software-Stacks finden schnell Verbreitung in Echtzeit-Anwendungen, womit sie jetzt Anforderungen vereinen, die sowohl in die Mikrokontroller- als auch in die Mikroprozessordomäne fallen. Gleichzeitig werden künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) in ein immer breiteres Spektrum von Anwendungen integriert.

Auch die Unterscheidung zwischen den einzelnen Prozessorklassen ist unscharf geworden. Hochleistungsmikrocontroller besitzen jetzt Grafikbeschleuniger und KI/ML-Fähigkeiten, die bisher nur hochwertigen Mikroprozessoren vorbehalten waren. Mikroprozessoren bieten plötzlich Echtzeit-Funktionen, die bisher nur bei Mikrocontrollern verfügbar waren. Die Nachfrage nach hochwertiger Grafik, KI und anderen anspruchsvollen hochentwickelten Funktionen macht die Sache noch komplexer und hat zur Einführung von Anwendungsprozessoren geführt, deren Architekturen der von Mobiltelefonen nachempfunden wurden.

All dies geschieht, während die Innovation weiter beschleunigt. Zwischen dem Beginn eines Entwicklungszyklus und der Produkteinführung kann die Marktdynamik die Projektanforderungen erheblich verändern. Beispielsweise könnte ein mikrocontrollerbasiertes Design ohne Benutzerschnittstelle unerwartet einen Touchscreen benötigen, was einen Wechsel zu einem Mikroprozessor erforderlich macht. Umgekehrt könnte ein Produktmarketingteam in letzter Minute entscheiden, dass ein High-End-Produkt von einer Einstiegsversion begleitet werden muss, was zur dringenden Suche nach einem kostengünstigeren Prozessor führt.

Diese Trends und Veränderungen haben einen Bedarf für ein Ökosystem zur Prozessorevaluierung geschaffen, das die einfache Erkundung verschiedener Optionen während der Entwicklung ermöglicht. Herkömmliche Evaluierungsboards scheinen diesem Anspruch nicht zu genügen. Sie sind häufig dazu gedacht, alle wichtigen Merkmale einer Prozessorfamilie zu demonstrieren, und neigen zu komplexen Designs, die für einen engen Einsatzbereich optimiert sind. Infolgedessen waren die in ein Board investierten Anstrengungen selten auf ein anderes übertragbar.

Flexible Plattform erlaubt schnellere Evaluierung von Prozessoren

Um den Anforderungen der Entwicklung eingebetteter Systeme besser gerecht zu werden, hat NXP einen neuen Lösungsansatz gewählt und die Entwicklungsplattform FRDM (Abbildung 1) kreiert. Anstatt alle möglichen Merkmale und Funktionen abzudecken, konzentriert sich das FRDM-Board nur auf das Wesentliche: den Prozessor, den Speicher und die grundlegenden E/A. Anwendungsspezifische Funktionen können über Erweiterungssteckleisten für das umfangreiche Ökosystem von Arduino (Arduino), Pmod (Digilent) und mikroBUS™ (MikroElektronika) hinzugefügt werden. NXP unterstützt diesen modularen Ansatz mit seinem Expansion Board Hub, der Optionen für Displays, Sensoren, Kommunikationsschnittstellen usw. bietet.

Abbildung 1: FRDM-Boards enthalten nur das Wesentliche und überlassen Funktionen wie Displays und E/A standardisierten Erweiterungsboards. (Bildquelle: NXP)

Dieser Bausteinansatz erleichtert die Erweiterung der Funktionalität und die projektübergreifende Wiederverwendung von Hardware. Da die Erweiterungsmodule die gleichen standardisierten Schnittstellen besitzen, kann das gleiche Peripherie-Board mit verschiedenen Prozessoren evaluiert werden. Das erlaubt z. B. die Validierung eines Sensormoduls auf einer Basis-Mikrocontroller-Plattform und die anschließende Wiederverwendung derselben Hardware mit einem leistungsfähigen Mikroprozessor, ohne den Prototyp neu zu entwickeln.

Möglich wird diese ungeheure Flexibilität durch die Breite der Arm-basierten Prozessoren, die von der FRDM-Plattform unterstützt werden. Die Palette beginnt mit extrem energiesparenden Basis-Mikrocontrollern und erstreckt sich über einen breiten Bereich von funktionsreichen Bausteinen, einschließlich Optionen, die auf Motorsteuerung, Grafik und Funkvernetzung zugeschnitten sind. Am oberen Ende umfasst sie schließlich Mikroprozessoren und Anwendungsprozessoren mit Gigahertz-Performance (GHz) und erweiterten Funktionen, wie z. B. KI-Beschleunigung.

Erste Schritte mit einem Basis-Mikrocontroller-Entwicklungsboard

Das FRDM-MCXC444 (Abbildung 2) veranschaulicht die Vorteile der FRDM-Plattform. Dieses Einstiegsboard bietet eine äußerst energiesparende Basis für kostensensitive eingebettete Anwendungen mit dem Mikrocontroller MCXC444VLH. Dieser Mikrocontroller ist Teil der Serie MCX C von NXP, die für Anwendungen entwickelt wurde, bei denen Energieeffizienz und niedrige Kosten im Vordergrund stehen.

Abbildung 2: Das Einstiegsboard FRDM-MCXC444 umfasst den energiesparenden Mikrocontroller MCXC444VLH der Serie MCX C, ein kleines LCD und USB-Ports. (Bildquelle: NXP)

Der MCXC444VLH basiert auf einem Arm-Cortex®-M0+-Kern mit bis zu 48 Megahertz (MHz). Er bezieht 54 Mikroampere pro MHz (µA/MHz) in einem äußerst sparsamen Betriebsmodus und nur 1,96 µA im tiefen Ruhemodus. Diese niedrige Stromaufnahme macht ihn zu einer außergewöhnlich guten Wahl für batteriebetriebene Anwendungen.

Ein weiteres besonderes Merkmal des MCXC444VLH ist sein integrierter Controller für LCD-Segmentanzeigen, der bis zu 24 × 8 oder 28 × 4 Segmente unterstützt, ohne externe Treiber zu benötigen. Weiterhin enthalten ist USB-2.0-Full-Speed-Funktionalität, ohne die Notwendigkeit für einen externen Quarz, was die Materialkosten und Board-Komplexität reduziert.

Das Board FRDM-MCXC444 demonstriert diese Merkmale mit einem integrierten LCD und USB. Weiterhin bemerkenswert sind ein Beschleunigungsmesser und ein Lichtsensor, die das Prototyping von sensorgesteuerten Designs ermöglichen. Das Board ist ein guter Ausgangspunkt für batteriebetriebene Geräte, die eine einfache Benutzerschnittstelle und wiederkehrende Verbindung mit anderen Geräten erfordern.

Schnelleinstieg in die Motorsteuerung mit einem Mainstream-Mikrocontroller- Entwicklungsboard

Im mittleren Bereich zeigt das FRDM-MCXA346 (Abbildung 3), wie die FRDM-Plattform komplexere Steuerungsaufgaben unterstützt. Dieses Board ist auf die Motorsteuerung ausgelegt und nutzt den Mikrocontroller MCXA346VLQ, der Teil der Serie MCX A von NXP ist. Diese wurde speziell für Mainstream-Anwendungen konzipiert, die eine anspruchsvolle Integration erfordern.

Abbildung 3: Das Evaluierungsboard FRDM-MCXA346 basiert auf dem Mikrocontroller MCXA346VLA der Serie MCX A und bietet umfangreiche Funktionen für Steuerungsanwendungen in der Industrie, einschließlich CAN FD. (Bildquelle: NXP)

Der MCXA346VLQ basiert auf einem Arm-Cortex®-M33-Kern mit 180 MHz. Er verfügt über 1 Megabyte (MByte) FLASH-Speicher und 256 Kilobyte (KByte) statischen Arbeitsspeicher (SRAM), was reichlich Speicherplatz für Anwendungscode und Daten bietet. Durch die Erweiterung des Prozessors mit einer Gleitkommaeinheit und digitaler Signalverarbeitung eignet er sich auch für komplexe Steuerungsalgorithmen.

Für Motorsteuerungsanwendungen bietet der MCXA346VLQ umfassende Hardware-Unterstützung. Zwei FlexPWM-Module mit jeweils vier Untermodulen erlauben bis zu 16 komplementäre pulsweitenmodulierte (PWM) Ausgänge zur Ansteuerung von bürstenlosen DC-Motoren (BLDC) und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM). Vier 16-Bit-Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) erfassen bis zu 3,2 Megasamples pro Sekunde (MS/s) und ermöglichen eine präzise Überwachung über mehrere Motorphasen hinweg. Zwei Quadratur-Encoder/Decoder-Module (eQDC) gewährleisten die Rückmeldung der Rotorposition, während zwei Und/Oder/Invertieren-Module (and/or/invert, AOI) die Hardware-Logik für komplexe Steuersequenzen bereitstellen.

Das Board FRDM-MCXA346 bietet direkten Zugriff auf die wichtigsten E/A, einschließlich Full-Speed-USB und CAN FD für industrielle Netzwerkanwendungen. Es unterstützt parallele Display- und Kameraschnittstellen, sodass die Entwicklung einer grafischen Benutzerschnittstelle ohne externe Hardware möglich ist. Mit diesen Merkmalen eignet sich das Board gut zur Entwicklung von Industrieausrüstung, die eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (human-machine interface, HMI) benötigt.

KI leicht gemacht mit einem Hochleistungsmikroprozessor-Entwicklungsboard

Im oberen Bereich des FRDM-Spektrums demonstriert das FRDM-IMX8MPLUS (Abbildung 4), wie die Plattform über Mikrocontroller hinausgeht und ein komplettes Anwendungsprozessor-Design umfasst. Dieses Board basiert auf dem MIMX8ML8DVNLZAB, einem Mitglied der Familie i.MX 8M Plus von NXP, die mehrkernige GHz-Plus-Prozessoren und KI-Beschleuniger enthält.

Abbildung 4: Das Entwicklungsboard FRDM-IMX8MPLUS basiert auf dem Mikroprozessor MIMX8ML8DVNLZAB der Familie i.MX 8M Plus und beinhaltet umfangreiche Multimediaschnittstellen sowie KI-Beschleunigung. (Bildquelle: NXP)

Im Einzelnen kombiniert der FRDM-IMX8MPLUS vier Arm-Cortex®-A53-Kerne mit bis zu 1,8 GHz mit einem dedizierten Cortex®-M7-Echtzeit-Kern mit 800 Megahertz (MHz) und einem neuronalen Prozessor mit 2,3 Tera-Operationen pro Sekunde (TOPS). Diese heterogene Architektur bietet eine robuste Grundlage für computergestützte Bildverarbeitung, Spracherkennung und andere KI-Anwendungen bei gleichzeitiger Unterstützung der Steuerung in Echtzeit.

In puncto Multimedia und Konnektivität verfügt das Board über eine umfangreiche Schnittstellenausstattung. HDMI 2.0, MIPI-DSI, und zwei LVDS-Ausgänge unterstützen das Anzeigendesign, während zwei MIPI-CSI-Eingänge die Kameraintegration für Bildverarbeitungsanwendungen ermöglichen. Vernetzung und Erweiterung sind ebenso vielseitig, mit zwei Gigabit-Ethernet-Anschlüssen, USB 3.0 und einem integrierten Dreifach-Funkmodul, das Wi-Fi® 6, Bluetooth® 5.4 und 802.15.4 vereint.

Beschleunigte Entwicklung mit umfassender Software-Unterstützung

Die Hardware-Flexibilität der FRDM-Plattform wird durch umfassende Software-Ressourcen ergänzt, die die Entwicklung im gesamten Prozessorbereich optimieren. NXP bietet hierfür zwei Softwareentwicklungspfade, einen für Echtzeit-Mikrocontroller und einen für Hochleistungsmikroprozessoren.

Für die Entwicklung mit Mikroprozessoren stellt NXP die MCUXpresso-Suite mit Software und Tools zur Verfügung. Diese umfangreiche Suite für Cortex®-M-Prozessoren (wie MCX C und MCX A) enthält die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) MCUXpresso, eine VS-Code-Erweiterung, Konfigurationswerkzeuge und ein hochwertiges Softwareentwicklungskit (SDK). Dieser Pfad ist für Echtzeit-Anwendungen konzipiert und unterstützt bekannte Embedded-IDEs wie mbedded Workbench von IAR Systems und das Keil MDK.

Für die Entwicklung mit Mikroprozessoren wie dem i.MX 8M Plus liefert NXP robuste Unterstützung für Embedded Linux, einschließlich Board Support Packages (BSPs) für Yocto Project und Debian. Den Einstieg beschleunigt NXP mit GoPoint, einem Repository mit vorgefertigten Linux-basierten Demos und Schritt-für-Schritt-Anleitungen für hochentwickelte Anwendungen wie computerbasierte Bildverarbeitung, KI und Multimedia.

Um das Prototyping mit Mikrocontrollern zu beschleunigen, bietet NXP außerdem den MCUXpresso Application Code Hub. Dabei handelt es sich um ein zentrales Repository von Softwarebeispielen und Anwendungsdemos, die von Fachleuten und Partnern von NXP entwickelt wurden. Der Hub umfasst über 180 Codebeispiele aus den Bereichen Motorsteuerung, Sensorik und KI. Diese Beispiele sind so konzipiert, dass sie direkt auf den FRDM-Board genutzt werden können, so dass ein Anwendungsprototyp, der auf einem FRDM-Mikrocontroller-Board erstellt wurde, mit minimalen Änderungen auf einen anderen kompatiblen Mikrocontroller migriert werden kann.

Fazit

Da sich die Anforderungen an eingebettete Systeme weiterentwickeln und überschneiden, sind in der Entwicklung effiziente Möglichkeiten gefragt, um mehrere Prozessoren zu testen und Ideen schnell zu prototypisieren. Die modularen Hard- und Software-Ressourcen der FRDM-Plattform von NXP bieten praktische Möglichkeiten hierfür und unterstützen dabei die verschiedensten Bedürfnisse angefangen bei energiesparenden Basis-Mikrocontrollern über Steueranwendungen im mittleren Bereich bis hin zu KI-fähigen Linux-Mikroprozessoren im oberen Segment. Durch standardisierte Erweiterungsoptionen und Code-Wiederverwendung verkürzen sie den Weg vom Konzept zum funktionierenden Prototyp und bewahren gleichzeitig die Flexibilität zur Skalierung von Designs.