Выпуск #4/2010
Г.Горюнов, Н.Елисеев.
Flash и только Flash – микроконтроллеры 78K0R компании Renesas
Flash и только Flash – микроконтроллеры 78K0R компании Renesas
Просмотры: 3086
Сегодня рынок встраиваемых систем постоянно расширяется. Поэтому очень велика потребность в микроконтроллерах для этих систем. Чтобы занять свою нишу в условиях жесткой конкуренции, такие микроконтроллеры должны обладать целым рядом свойств: высокой производительностью, малым энергопотреблением, набором необходимых интерфейсов и невысокой ценой. При этом нужно, чтобы интеграция микроконтроллеров во встраиваемые системы была максимально удобна для разработчика и в результате обеспечивала минимальное время выхода конечного изделия на рынок. Всем этим требованиям отвечают микроконтроллеры с флеш-памятью семейства 78K0R компании NEC Electronics – ныне входящей в состав Renesas Electronic Corporation.
Компания Renesas Electronics Corporation, появившаяся 1 апреля 2010 года после слияния компаний NEC Electronics и Renesas Technology, широко известна как ведущий мировой производитель полупроводниковой электроники, и в первую очередь, микроконтроллеров. В результате объединения компания заняла первое место в мире по объемам производства и продаж микронтроллеров.
Еще до объединения с Renesas компания NEC Electronics выпустила более миллиарда флеш-микроконтроллеров [1]. Несколько лет назад NEC Electronics стала выпускать микроконтроллеры, в которых в качестве ПЗУ применяется только флеш-память. Для них даже была придумана специальная торговая марка – All Flash. Компания Renesas унаследовала эту торговую марку.
Сегодня Renesas предлагает широкий спектр All Flash микроконтроллеров. В него входят 8-, 16- и 32-разрядные контроллеры – в общей сложности около 500 моделей. Одно из семейств All Flash устройств – 16-разрядные микроконтроллеры 78K0R [2, 3]. О них и пойдет речь в статье.
Компания Renesas позиционирует контроллеры семейства 78K0R как устройства, существенно превосходящие по производительности 8-разрядные микроконтроллеры при соизмеримом энергопотреблении. Согласно данным компании Renesas, энергопотребление контроллеров 78K0R – 1,8 мВт на MIPS (миллион операций в секунду) – самое низкое среди аналогичных устройств разных производителей [2].
Все контроллеры семейства 78K0R основаны на одноименном CISC-ядре 78K0R [1]. Ядро работает на частоте 20 МГц и обеспечивает производительность 13 MIPS (по системе тестирования Drystone 1.1) [2]. Высокая производительность достигнута, в том числе, за счет использования в архитектуре ядра трехстадийного конвейера. Набор инструкций ядра 78K0R обратно совместим с инструкциями широко распространенного 8-битного ядра NEC 78K0.
Семейство 78K0R насчитывает в общей сложности 140 микроконтроллеров. Оно состоит из несколько серий, различающихся главным образом периферийными устройствами, ориентированными на тот или иной класс приложений. Внутри каждой серии представлены контроллеры с различными объемами флеш-памяти и ОЗУ и в разных корпусах. Рассмотрим особенности различных серий.
Серия 78K0R/Kx3 [2, 4]. Это микроконтроллеры общего назначения. Помимо ядра они содержат флеш-память, ОЗУ, набор последовательных интерфейсов (CSI/I2C/UART), массив таймеров, ЦАП, АЦП, детектор низкого напряжения, порты ввода-вывода и ряд других модулей (рис.1). В контроллере предусмотрен встроенный высокочастотный тактовый генератор. Для большинства приложений его точности достаточно, но при необходимости можно использовать внешний кварцевый резонатор. Cпециальный аппаратный модуль реализует функции часов реального времени и календаря. В часах/календаре заложена возможность автоматически обновлять дату и время до 2099 года. Для работы календаря предусмотрен отдельный низкочастотный тактовый генератор, поэтому он может обходиться без отвлечения ресурсов процессорного ядра. Это позволяет продлить время работы систем с автономным питанием.
В серии есть контроллеры с объемом флеш-памяти от 64 до 512 Кбайт и в различных корпусах с числом выводов от 64 до 144 (табл.1) [2, 4].
Серия 78K0R/Кx3-L [5]. В некотором смысле эти микроконтроллеры можно рассматривать как "облегченный" вариант предыдущей серии. Их флеш-память составляет от 16 до 128 Кбайт, а ОЗУ – от 1 до 8 Кбайт. В то же время они содержат большинство модулей, входящих в 78K0R/Кx3. Кроме того, контроллеры КС3-L, КD3-L, КE3-L оснащены двухканальным компаратором и усилителем с программируемым коэффициентом усиления.
Существенная особенность этой серии – очень низкое энергопотребление (отсюда и L в их названии – low power). За счет оптимизации цепей питания инженерам NEC удалось сократить потребление энергии в ждущем режиме (когда работают только часы реального времени) на 60% – с 2,4 до 1 мкА. Энергопотребление на тактовой частоте 10 МГц сократилось на 10% – с 3,9 до 3,5 мА, а на частоте 20 МГц – на 20% (с 8,2 до 6,5 мА). Соотношение энегопотребление/производительность при этом составляет 1,5 мВт/MIPS [6].
Вследствие столь низкого энергопотребления контроллеров 78K0R/Кx3-L основные области их применения – портативные устройства с батарейным питанием, используемые для промышленного контроля, управления зданиями, в системах безопасности, переносное медицинское оборудование и др.
Контроллеры поставляются в разных корпусах с числом выводов от 44 до 100 (табл.2) [2, 5].
Серия 78K0R/Кx3-L (USB) [2, 7, 8]. Как видно из названия, основное отличие этой серии от "просто" Кx3-L – интегрированный USB-контроллер. Поэтому этиконтроллеры можно использовать в устройствах с автономным питанием, где нужен USB-интерфейс: в компьютерной периферии (мыши, клавиатуры, кардридеры), сканерах штрих-кодов, регистраторах данных, медицинском оборудовании и др.
Контроллеры имеют "на борту" от 64 до 128 Кбайт флеш-памяти, от 6 до 8 Кбайт ОЗУ и выпускаются в 48-выводных (TQFP) и 64-выводных (FBGA, TQFP) корпусах.
Серия 78K0R/Кx3-С (табл.3) [2]. В этой серии контроллеров на аппаратном уровне поддерживается шина CEC (Consumer Electronics Control). Эта шина предназначена для управления аудио- и видеоаппаратурой по интерфейсу HDMI. Аппаратная реализация функций CEC освобождает процессорное ядро от работы в режиме мониторинга. В результате резко сокращается потребление энергии.
Основная область применения контроллеров 78K0R/Кx3-С – различные аудио- и видеоустройства. Если соединить HDMI-кабелем устройства, в которые встроен контроллер 78K0R/Кx3-С (скажем, DVD-рекордер и телевизор), то они могут управлять друг другом в автоматическом режиме в соответствии с запрограммированным сценарием (рис.2) [2]. Например, включать в заданное время нужный канал телевизора и подавать сигнал на вход DVD-рекордера.
Серия 78K0R/Ix3 (табл.4) [2, 9, 10]. Микроконтроллеры этой серии предназначены для управления двигателями. Они включают весь набор специально сконфигурированных периферийных модулей, необходимых для решения этого класса задач. К ним относятся двенадцать 16-разрядных таймеров, управляемых встроенными тактовыми генераторами с частотой до 40 МГц, операционный усилитель с программируемым коэффициентом усиления и двухканальный компаратор. Сочетание такого набора периферии с высокопроизводительным ядром и низким энергопотреблением делает контроллеры серии 78K0R/Ix3 эффективным решением для управления разнообразными типами трехфазных двигателей. Контроллеры 78K0R/Ix3 находят применение в самых разных устройствах, оснащенных электродвигателями – от газонокосилок до стиральных машин.
Серия 78K0R/Lx3 (табл.5) [2, 11, 12]. В состав этих устройств внедрен контроллер/драйвер ЖК-монитора. Микроконтроллеры 78K0R/Lx3 оснащены также 12-разрядными АЦП и ЦАП и операционными усилителями. Кроме того, как и в контроллерах серии Кx3-L, здесь реализованные решения, обеспечивающие ультранизкое (по терминологии Renesas) энергопотребление.
Все перечисленные свойства определяют применения данной серии – портативные устройства с автономным питанием и ЖК-дисплеями для самых разных областей: медицинское диагностическое оборудование (глюкометры, тонометры, термометры), системы "умного дома" (измерительные приборы, панели управления, термостаты) и др.
Серия 78K0R/Fx3 [13, 14]. Приборы этой серии отличаются главным образом наличием интегрированного контроллера CAN-интерфейса. Этот интерфейс широко применяется в различных областях: автомобильной технике, системах промышленной автоматизации, медицинском оборудовании. Микроконтроллеры 78K0R/Fx3 ориентированы главным образом на использование в устройствах, управляющих различными системами автомобилей. Поскольку некоторые части автомобиля разогреты до высоких температур, микроконтроллеры серии 78K0R/Fx3 рассчитаны на работу при температурах до 125°C [15].
В семействе 16-разрядных контроллеров с ядром 78K0R есть еще два устройства, которые не носят имя 78K0R, но фактически относятся к этому семейству.
Первый – это микроконтроллер µPD78F8043 для промышленных систем (см. табл.3). Сегодня стандартом для подключения датчиков и исполнительных механизмов к устройствам ввода-вывода в промышленных системах становится IO-link. В контроллерах µPD78F8043 встроен трансивер IO-link, поэтому датчики и приводы, оснащенные этими контроллерами, можно использовать в различных промышленных управляющих и измерительных системах (рис.3) [2].
Второй контроллер – µPD78F8058 (см. табл.3). Он содержит РЧ-трансивер, работающий на частоте 2,4 ГГц и совместимый со стандартом IEEE 802.15.4. Это позволяет создавать на основе контроллеров µPD78F8058 устройства, которые можно объединять в беспроводные сети (рис.4), в том числе работающие на основе протоколов ZibBee [2]. Контроллеры µPD78F8058 можно встраивать и в отдельные устройства, например в пульты управления, которые должны передавать данные по радиоканалу.
Разумеется, сами по себе микроконтроллеры имеют для разработчика малую ценность, если их сложно использовать. Поэтому для создания устройств с использованием контроллеров 78K0R (так же, как и других контроллеров) компания Renesas предлагает богатую среду разработки. Она охватывает все стадии разработки и включает программное обеспечение, внутрисхемные эмуляторы, тестовые платы и комплекты разработчика [2]. Есть и отладочные средства других производителей для микроконтроллеров Renesas. Все перечисленные инструменты просты в использовании и недороги. Некоторые программные средства доступны даже бесплатно. Однако их подробное рассмотрение – тема отдельной статьи.
Таким образом, семейство 78K0R – это высокопроизводительные микроконтроллеры с широким набором периферийных устройств и низким энергопотреблением. Используя эти микроконтроллеры, разработчики получают возможность значительно сократить число внешних устройств и за счет этого существенно удешевить систему, а наличие развитой среды разработки делает создание конечных устройств на основе контроллеров 78K0R быстрым и удобным.
Литература
1. Microcontroller Catalog. – america2.renesas.com/micro/documentation/mcu-catalog-1of4_devices-U18699EU2V0SG00.pdf
2. 16-bit All Flash 78K0R microcontrollers. Pamflet, Jan. 2010. – www2.renesas.com.
3. 16-bit General Purpose - All products with internal flash memory type (All Flash). –www2.renesas.com.
4. 78K0R/Kx3 Microcontrollers User’s Manuals – www2.renesas.com.
5. 78K0R/Kx3-L Microcontrollers User’s Manuals – www2.renesas.com.
6. 16-bit MCUs offer a 60 percent reduction in power consumption. – www.powermanagement-europe.com.
7. 78K0R/KC3-L, 78K0R/KE3-L (On-Chip USB Controller). User’s Manual. – www2.renesas.com.
8. 78K0R/Kx3-L 16-bit USB Microcontrollers. – www2.renesas.com.
9. 78K0R/Ix3 16-bit Single-Chip Microcontrollers. User’s Manual. – www2.renesas.com.
10. NEC Electronics Introduces 19 New 78K0R/Ix3 16-bit All Flash Microcontrollers for Inverter Control. – america2.renesas.com.
11. Новые семейства 16-разрядных микроконтроллеров от NEC Electronics. – Элтех. Мир электронных компонентов, 2009, вып. 4.
12. 78K0R/Lx3 16-Bit Single-Chip Microcontrollers With LCD Controller/Driver. User’s Manual. – www2.renesas.com.
13. 16-bit Car body - All products with internal flash memory type. – america2.renesas.com.
14. New 78K0R/Fx3 MCUs Deliver 16-bit Performance with 8-bit Power Consumption for Body Electronics Systems. – www2.renesas.com.
15. K0R - Product Line up. – www.msc-ge.com/en/produkte/elekom/mc/renesas/5096-www.html.
Еще до объединения с Renesas компания NEC Electronics выпустила более миллиарда флеш-микроконтроллеров [1]. Несколько лет назад NEC Electronics стала выпускать микроконтроллеры, в которых в качестве ПЗУ применяется только флеш-память. Для них даже была придумана специальная торговая марка – All Flash. Компания Renesas унаследовала эту торговую марку.
Сегодня Renesas предлагает широкий спектр All Flash микроконтроллеров. В него входят 8-, 16- и 32-разрядные контроллеры – в общей сложности около 500 моделей. Одно из семейств All Flash устройств – 16-разрядные микроконтроллеры 78K0R [2, 3]. О них и пойдет речь в статье.
Компания Renesas позиционирует контроллеры семейства 78K0R как устройства, существенно превосходящие по производительности 8-разрядные микроконтроллеры при соизмеримом энергопотреблении. Согласно данным компании Renesas, энергопотребление контроллеров 78K0R – 1,8 мВт на MIPS (миллион операций в секунду) – самое низкое среди аналогичных устройств разных производителей [2].
Все контроллеры семейства 78K0R основаны на одноименном CISC-ядре 78K0R [1]. Ядро работает на частоте 20 МГц и обеспечивает производительность 13 MIPS (по системе тестирования Drystone 1.1) [2]. Высокая производительность достигнута, в том числе, за счет использования в архитектуре ядра трехстадийного конвейера. Набор инструкций ядра 78K0R обратно совместим с инструкциями широко распространенного 8-битного ядра NEC 78K0.
Семейство 78K0R насчитывает в общей сложности 140 микроконтроллеров. Оно состоит из несколько серий, различающихся главным образом периферийными устройствами, ориентированными на тот или иной класс приложений. Внутри каждой серии представлены контроллеры с различными объемами флеш-памяти и ОЗУ и в разных корпусах. Рассмотрим особенности различных серий.
Рис.1. Блок-схема микроконтроллеров 78K0R/Kx3
Серия 78K0R/Kx3 [2, 4]. Это микроконтроллеры общего назначения. Помимо ядра они содержат флеш-память, ОЗУ, набор последовательных интерфейсов (CSI/I2C/UART), массив таймеров, ЦАП, АЦП, детектор низкого напряжения, порты ввода-вывода и ряд других модулей (рис.1). В контроллере предусмотрен встроенный высокочастотный тактовый генератор. Для большинства приложений его точности достаточно, но при необходимости можно использовать внешний кварцевый резонатор. Cпециальный аппаратный модуль реализует функции часов реального времени и календаря. В часах/календаре заложена возможность автоматически обновлять дату и время до 2099 года. Для работы календаря предусмотрен отдельный низкочастотный тактовый генератор, поэтому он может обходиться без отвлечения ресурсов процессорного ядра. Это позволяет продлить время работы систем с автономным питанием.
В серии есть контроллеры с объемом флеш-памяти от 64 до 512 Кбайт и в различных корпусах с числом выводов от 64 до 144 (табл.1) [2, 4].
Серия 78K0R/Кx3-L [5]. В некотором смысле эти микроконтроллеры можно рассматривать как "облегченный" вариант предыдущей серии. Их флеш-память составляет от 16 до 128 Кбайт, а ОЗУ – от 1 до 8 Кбайт. В то же время они содержат большинство модулей, входящих в 78K0R/Кx3. Кроме того, контроллеры КС3-L, КD3-L, КE3-L оснащены двухканальным компаратором и усилителем с программируемым коэффициентом усиления.
Существенная особенность этой серии – очень низкое энергопотребление (отсюда и L в их названии – low power). За счет оптимизации цепей питания инженерам NEC удалось сократить потребление энергии в ждущем режиме (когда работают только часы реального времени) на 60% – с 2,4 до 1 мкА. Энергопотребление на тактовой частоте 10 МГц сократилось на 10% – с 3,9 до 3,5 мА, а на частоте 20 МГц – на 20% (с 8,2 до 6,5 мА). Соотношение энегопотребление/производительность при этом составляет 1,5 мВт/MIPS [6].
Вследствие столь низкого энергопотребления контроллеров 78K0R/Кx3-L основные области их применения – портативные устройства с батарейным питанием, используемые для промышленного контроля, управления зданиями, в системах безопасности, переносное медицинское оборудование и др.
Контроллеры поставляются в разных корпусах с числом выводов от 44 до 100 (табл.2) [2, 5].
Серия 78K0R/Кx3-L (USB) [2, 7, 8]. Как видно из названия, основное отличие этой серии от "просто" Кx3-L – интегрированный USB-контроллер. Поэтому этиконтроллеры можно использовать в устройствах с автономным питанием, где нужен USB-интерфейс: в компьютерной периферии (мыши, клавиатуры, кардридеры), сканерах штрих-кодов, регистраторах данных, медицинском оборудовании и др.
Контроллеры имеют "на борту" от 64 до 128 Кбайт флеш-памяти, от 6 до 8 Кбайт ОЗУ и выпускаются в 48-выводных (TQFP) и 64-выводных (FBGA, TQFP) корпусах.
Серия 78K0R/Кx3-С (табл.3) [2]. В этой серии контроллеров на аппаратном уровне поддерживается шина CEC (Consumer Electronics Control). Эта шина предназначена для управления аудио- и видеоаппаратурой по интерфейсу HDMI. Аппаратная реализация функций CEC освобождает процессорное ядро от работы в режиме мониторинга. В результате резко сокращается потребление энергии.
Основная область применения контроллеров 78K0R/Кx3-С – различные аудио- и видеоустройства. Если соединить HDMI-кабелем устройства, в которые встроен контроллер 78K0R/Кx3-С (скажем, DVD-рекордер и телевизор), то они могут управлять друг другом в автоматическом режиме в соответствии с запрограммированным сценарием (рис.2) [2]. Например, включать в заданное время нужный канал телевизора и подавать сигнал на вход DVD-рекордера.
Рис.2. Пример применения контроллеров 78K0R/Кx3-С: управление видеоаппаратурой
Серия 78K0R/Ix3 (табл.4) [2, 9, 10]. Микроконтроллеры этой серии предназначены для управления двигателями. Они включают весь набор специально сконфигурированных периферийных модулей, необходимых для решения этого класса задач. К ним относятся двенадцать 16-разрядных таймеров, управляемых встроенными тактовыми генераторами с частотой до 40 МГц, операционный усилитель с программируемым коэффициентом усиления и двухканальный компаратор. Сочетание такого набора периферии с высокопроизводительным ядром и низким энергопотреблением делает контроллеры серии 78K0R/Ix3 эффективным решением для управления разнообразными типами трехфазных двигателей. Контроллеры 78K0R/Ix3 находят применение в самых разных устройствах, оснащенных электродвигателями – от газонокосилок до стиральных машин.
Серия 78K0R/Lx3 (табл.5) [2, 11, 12]. В состав этих устройств внедрен контроллер/драйвер ЖК-монитора. Микроконтроллеры 78K0R/Lx3 оснащены также 12-разрядными АЦП и ЦАП и операционными усилителями. Кроме того, как и в контроллерах серии Кx3-L, здесь реализованные решения, обеспечивающие ультранизкое (по терминологии Renesas) энергопотребление.
Все перечисленные свойства определяют применения данной серии – портативные устройства с автономным питанием и ЖК-дисплеями для самых разных областей: медицинское диагностическое оборудование (глюкометры, тонометры, термометры), системы "умного дома" (измерительные приборы, панели управления, термостаты) и др.
Серия 78K0R/Fx3 [13, 14]. Приборы этой серии отличаются главным образом наличием интегрированного контроллера CAN-интерфейса. Этот интерфейс широко применяется в различных областях: автомобильной технике, системах промышленной автоматизации, медицинском оборудовании. Микроконтроллеры 78K0R/Fx3 ориентированы главным образом на использование в устройствах, управляющих различными системами автомобилей. Поскольку некоторые части автомобиля разогреты до высоких температур, микроконтроллеры серии 78K0R/Fx3 рассчитаны на работу при температурах до 125°C [15].
В семействе 16-разрядных контроллеров с ядром 78K0R есть еще два устройства, которые не носят имя 78K0R, но фактически относятся к этому семейству.
Первый – это микроконтроллер µPD78F8043 для промышленных систем (см. табл.3). Сегодня стандартом для подключения датчиков и исполнительных механизмов к устройствам ввода-вывода в промышленных системах становится IO-link. В контроллерах µPD78F8043 встроен трансивер IO-link, поэтому датчики и приводы, оснащенные этими контроллерами, можно использовать в различных промышленных управляющих и измерительных системах (рис.3) [2].
Рис.3. Применение микроконтроллеров µPD78F8043 в промышленных сетях
Второй контроллер – µPD78F8058 (см. табл.3). Он содержит РЧ-трансивер, работающий на частоте 2,4 ГГц и совместимый со стандартом IEEE 802.15.4. Это позволяет создавать на основе контроллеров µPD78F8058 устройства, которые можно объединять в беспроводные сети (рис.4), в том числе работающие на основе протоколов ZibBee [2]. Контроллеры µPD78F8058 можно встраивать и в отдельные устройства, например в пульты управления, которые должны передавать данные по радиоканалу.
Разумеется, сами по себе микроконтроллеры имеют для разработчика малую ценность, если их сложно использовать. Поэтому для создания устройств с использованием контроллеров 78K0R (так же, как и других контроллеров) компания Renesas предлагает богатую среду разработки. Она охватывает все стадии разработки и включает программное обеспечение, внутрисхемные эмуляторы, тестовые платы и комплекты разработчика [2]. Есть и отладочные средства других производителей для микроконтроллеров Renesas. Все перечисленные инструменты просты в использовании и недороги. Некоторые программные средства доступны даже бесплатно. Однако их подробное рассмотрение – тема отдельной статьи.
Рис.4. Беспроводная система управления "умным домом" на основе устройств с микроконтроллерами µPD78F8058
Таким образом, семейство 78K0R – это высокопроизводительные микроконтроллеры с широким набором периферийных устройств и низким энергопотреблением. Используя эти микроконтроллеры, разработчики получают возможность значительно сократить число внешних устройств и за счет этого существенно удешевить систему, а наличие развитой среды разработки делает создание конечных устройств на основе контроллеров 78K0R быстрым и удобным.
Литература
1. Microcontroller Catalog. – america2.renesas.com/micro/documentation/mcu-catalog-1of4_devices-U18699EU2V0SG00.pdf
2. 16-bit All Flash 78K0R microcontrollers. Pamflet, Jan. 2010. – www2.renesas.com.
3. 16-bit General Purpose - All products with internal flash memory type (All Flash). –www2.renesas.com.
4. 78K0R/Kx3 Microcontrollers User’s Manuals – www2.renesas.com.
5. 78K0R/Kx3-L Microcontrollers User’s Manuals – www2.renesas.com.
6. 16-bit MCUs offer a 60 percent reduction in power consumption. – www.powermanagement-europe.com.
7. 78K0R/KC3-L, 78K0R/KE3-L (On-Chip USB Controller). User’s Manual. – www2.renesas.com.
8. 78K0R/Kx3-L 16-bit USB Microcontrollers. – www2.renesas.com.
9. 78K0R/Ix3 16-bit Single-Chip Microcontrollers. User’s Manual. – www2.renesas.com.
10. NEC Electronics Introduces 19 New 78K0R/Ix3 16-bit All Flash Microcontrollers for Inverter Control. – america2.renesas.com.
11. Новые семейства 16-разрядных микроконтроллеров от NEC Electronics. – Элтех. Мир электронных компонентов, 2009, вып. 4.
12. 78K0R/Lx3 16-Bit Single-Chip Microcontrollers With LCD Controller/Driver. User’s Manual. – www2.renesas.com.
13. 16-bit Car body - All products with internal flash memory type. – america2.renesas.com.
14. New 78K0R/Fx3 MCUs Deliver 16-bit Performance with 8-bit Power Consumption for Body Electronics Systems. – www2.renesas.com.
15. K0R - Product Line up. – www.msc-ge.com/en/produkte/elekom/mc/renesas/5096-www.html.
Отзывы читателей