Il microcontroller (MCU) ha rappresentato la spina dorsale dei sistemi integrati per lunghissimo tempo. Gli MCU sono i processori preferiti per molte applicazioni in una vasta gamma di industrie. I prodotti industriali e di consumo dipendono dai microcontroller. Le dimensioni ridotte, i risparmi energetici e la compattezza delle memorie degli MCU risultano ideali per molte applicazioni. Le periferiche e la memoria integrate, in combinazione al prezzo contenuto, risultano estremamente interessanti per gli sviluppatori di sistemi.
L'architettura AVR® è una delle principali a 8 bit. È diventata sinonimo di facilità di utilizzo da quando Alf-Egil Bogen e Vegard Wollan, due studenti dell'Università norvegese di scienza e tecnologia, l'hanno presentata a metà degli anni '90. L'AVR è il dispositivo ideale per studenti e per chi è appassionato di architetture di computer e programmazione integrata. Il core processore AVR è stato uno dei primi MCU a utilizzare la memoria flash on-chip per l'archiviazione dei programmi. Inoltre, l'architettura AVR consente la riprogrammazione nel sistema. Negli ultimi 15 anni, la facilità di utilizzo del processore AVR lo ha reso il motore di elaborazione preferito in una vasta gamma di applicazioni. È anche utilizzato in moltissimi progetti nelle università di tutto il mondo. La scelta di utilizzare AVR nella notissima piattaforma di sviluppo open-source Arduino è la prova del successo dell'architettura.
Motore RISC a ciclo singolo AVR
Il core CPU AVR è un motore RISC (reduced instruction set computer). RISC non corrisponde a una quantità ridotta di istruzioni, ma piuttosto alla riduzione della relativa complessità. Una CPU RISC in genere include più istruzioni di una CPU CISC. In questa ricca serie di istruzioni, i compilatori possono trovare l'istruzione a ciclo singolo ottimale per le proprie necessità. Il codice macchina risultante aumenta la velocità e riduce l'uso della memoria SRAM e Flash. L'architettura AVR combina questa serie di istruzioni con 32 registri di lavoro generali a 8 bit, direttamente collegati all'unità ALU (Arithmetic Logic Unit). AVR utilizza l'architettura Harvard, che separa le memorie e i bus per i programmi e i dati (Figura 1). Ha una pipeline di livello singolo bifase. Mentre viene eseguita un'istruzione, quella successiva viene prelevata dalla memoria del programma. Due registri arbitrari alimentano l'ALU per eseguire l'operazione richiesta e scrivere il risultato. La maggior parte delle istruzioni viene eseguita in un ciclo di clock. A causa di tale esecuzione a ciclo singolo di operazioni aritmetiche e logiche, le MCU basate su AVR sono in grado di fornire circa 1 MIPS (milioni di istruzioni al secondo) per megahertz di frequenza di clock.
Fig 1. L'architettura Harvard di AVR separa la memoria del programma da quella dei dati.
Il successo dell'architettura AVR è stata da subito sottolineato da un altro aspetto: la disponibilità di software di progettazione e sviluppo gratuito, che oggi include strumenti quali il compilatore AVR GCC C/C++ e l'ambiente di sviluppo integrato IDE Atmel Studio 6. Questa combinazione di prestazioni ottimali a 8 bit e degli strumenti di sviluppo gratuiti ha consentito ad AVR di guadagnarsi la fiducia di tecnici e programmatori.
Tre serie
Atmel ha utilizzato la CPU AVR in tre serie MCU a 8 bit ad alte prestazioni e a consumi ridotti: l'entry-level tinyAVR®, la megaAVR® di fascia media e la più recente AVR XMEGA®.
I dispositivi tinyAVR sono ottimizzati per applicazioni che richiedono prestazioni, consumi ridotti e facilità di utilizzo in un pacchetto compatto. In grado di funzionare con soli 0,7 V, i dispositivi integrano un ADC, Flash, EEPROM e un rilevatore di brown-out. Inoltre, i chip consentono di effettuare il debug dell'hardware per una risoluzione dei problemi firmware del circuito rapida, sicura e conveniente dal punto di vista dei costi.
I dispositivi megaAVR di fascia media sono più adatti alle applicazioni che richiedono maggiori quantità di codice. Grazie alle prestazioni fino a 20 MIPS, questi dispositivi offrono una vasta gamma di memorie, conteggi di pin e periferiche (Figura 2). Sono disponibili parti specializzate con USB, controller LCD, CAN, LIN e controller di stadio di potenza.
Fig 2. La CPU megaAVR e le periferiche garantiscono potenza e flessibilità.
Le MCU AVR XMEGA si compongono di vari blocchi fondamentali, fra cui la CPU AVR, SRAM, Flash, EEPROM e varie periferiche. La serie di istruzioni AVR XMEGA supporta inoltre l'accesso ai registri a 16 bit e l'aritmetica a 32 bit. Una caratteristica fondamentale della famiglia è l'utilizzo di periferiche a risparmio energetico, grazie all'innovativo Event System del dispositivo. Si tratta di una serie di caratteristiche che consente alle periferiche di interagire senza intervento della CPU. Consente alle periferiche di inviare i segnali direttamente ad altre periferiche, garantendo un tempo di risposta breve e prevedibile al 100%. Quando si utilizzano le funzioni dell'Event System, è possibile configurare il chip in modo che svolta operazioni complesse con un intervento minimo da parte della CPU. Ciò consente notevoli risparmi in termini di memoria del programma e tempo di esecuzione.
Tutti i dispositivi AVR a 8 bit utilizzano la tecnologia aziendale picoPower®. Tale tecnologia è caratterizzata dal bilanciamento ottimale di transistor a elevate prestazioni e bassa dispersione, un funzionamento a bassa tensione, varie modalità a basso consumo e di sospensione con ripristino rapido e l'utilizzo del DMA hardware. Inoltre, AVR XMEGA include l'Event System che riduce il carico della CPU per risparmiare energia e garantire tempi di ripresa dalle interruzioni omogenei. Le caratteristiche principali includono un funzionamento da 1,8 a 5,5 V, consumi di 200 uA per MHz in modalità attiva, 0,1 uA in modalità spegnimento con conservazione completa della RAM, 0,6 uA in modalità risparmio energetico (con un oscillatore in cristallo da 32 kHz) e un tempo di attivazione inferiore a 1 us.
Applicazioni e IoT
Le MCU AVR a 8 bit risultano spesso la scelta preferita in quasi tutti i settori di mercato. Oltre alle MCU di utilizzo generale descritte in precedenza, è disponibile una vasta gamma di dispositivi AVR specifici per applicazioni di illuminazione, risparmio batterie, industriali e del settore automobilistico, fra le altre. Un'area di applicazioni in costante e importante crescita è quella wireless. In effetti, le periferiche RF stanno diventando lo standard nelle MCU di qualsiasi dimensione e ampiezza di banda. Le opportunità offerte dalla tecnologia wireless sono molte, in particolare nelle applicazioni IoT (Internet delle cose).I produttori di infrastrutture wireless a livello mondiale hanno previsto che entro il 2020 vi saranno 50 miliari di dispositivi mobili wireless connessi a Internet. Tuttavia, le maggiori aziende del settore wireless non saranno i protagonisti principali di questo scenario. Jim Tully, Research Director presso il gruppo Gartner, che si occupa di analisi di mercato, ha affermato: "Dalle nostre ricerche emerge che, entro il 2018, il 50% delle soluzioni IoT verrà fornito dalle startup con meno di tre anni di vita. Possiamo valutare da cosa sia composto l'Internet delle cose oggi, ma non possiamo prevedere cosa esisterà nel 2018, perché ancora non è stato inventato".
Benché sia quasi certo che le MCU a 32 bit e a basso consumo occuperanno una buona fetta di mercato, vi è ancora spazio per le MCU a 8 bit a basso consumo, destinate ai dispositivi RF integrati. Un esempio rappresentativo di un dispositivo AVR in grado di sfruttare tali applicazioni è ATmega256RF (Figura 3). Questo IC è una soluzione wireless a chip singolo conforme a IEEE 802.15.4 ideale per le applicazioni wireless ZigBee® RF4CE, IPv6 / 6LoWPAN e ISM (industriali, scientifiche, medicali).
Fig 3. ATmega256RF unisce la facilità d'uso di AVR a un collegamento RF a elevate prestazioni.
Il dispositivo unisce una MCU AVR MCU e un ricetrasmettitore RF da 2,4 GHz a sensibilità elevata di altissima qualità, che garantisce velocità di trasmissione dei dati da 250 kbit/s fino a 2 Mbit/s. Include una memoria Flash da 64K a 256K e, in alcune modalità operative, consente un risparmio di corrente fino al 50%. È possibile avere un funzionamento a 16 MHz con una tensione di alimentazione di soli 1,8 V, con un rapido passaggio dalla modalità di sospensione a quella di attività. Oltre a ciò, sono disponibili varie modalità di spegnimento, come la funzione wake-on-radio, che mantiene attivo il ricetrasmettitore RF durante la sospensione del microcontroller, aumentando ulteriormente l'efficienza.