I 5 modi in cui le MCU ad alte prestazioni stanno rivoluzionando il settore

Di VC KumarMarketing Manager, Sitara™ MCU, Texas Instruments

I progressi nelle fabbriche automatizzate e nei veicoli intelligenti richiedono funzionalità di rete avanzate, elaborazione in tempo reale, analisi «all’edge» e topologie di controllo motore più avanzate. Questi esempi dimostrano la rapida crescita della richiesta di un microcontroller (MCU) ad alte prestazioni in grado di andare oltre le MCU tradizionali e di fornire funzionalità simili a quelle dei processori. In questo articolo verranno trattati cinque modi in cui le MCU Sitara AM2x ad alte prestazioni aiutano i progettisti ad affrontare le sfide di sistema attuali e future, come illustrato nella Figura 1.

Possibilità di maggiori prestazioni

Di recente, le MCU hanno vissuto progressi in termini di dimensioni della memoria, integrazione delle funzioni analogiche e basso consumo energetico. Tuttavia, in molte applicazioni, la capacità di elaborare rapidamente grandi volumi di dati di controllo e sensori in tempo reale è altrettanto fondamentale. In una fabbrica automatizzata, i requisiti di elaborazione per i controllori a logica programmabile (PLC) e per i sistemi di controllo motore dei robot sono aumentati da circa 100 MHz per core a oltre 400 MHz e potenzialmente oltre, fino più di 1 GHz, nei prossimi tre-cinque anni.

Le MCU necessitano anche di capacità per alte prestazioni in modo da gestire funzioni come:

• Aumento delle comunicazioni industriali, in quanto le macchine e i sistemi di dati centralizzati condividono grandi volumi di dati attraverso i protocolli più svariati.
• Analisi all’avanguardia per la manutenzione predittiva e un funzionamento delle fabbriche senza inconvenienti.

Le MCU Sitara AM2x soddisfano i più elevati requisiti in termini di prestazioni aumentando la velocità di clock di ciascun core della MCU e integrando più core MCU sullo stesso chip. Con quattro core che operano a 800 MHz ciascuno, l’AM2434 consente un’elaborazione dei dati più rapida e complessa, un controllo con latenza minore e comunicazioni ad alta velocità in fabbrica rispetto a quanto reso possibile da una MCU tradizionale. Un controllo più rapido e fluido dei bracci robotici, ad esempio, può migliorare la sicurezza operativa, l’efficienza produttiva, la qualità e la produttività.

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Miglioramento delle operazioni e dell’analisi in tempo reale

Con una maggiore automazione nelle fabbriche moderne, aumenta anche la necessità di analisi e controllo dei dati in tempo reale. Molti sistemi tradizionali hanno più MCU che gestiscono queste diverse funzioni. Le MCU ad alte prestazioni, in particolare quelle con architetture multicore, rendono possibile realizzare sistemi più integrati gestendo l’elaborazione dei dati e le funzioni di controllo in tempo reale su un singolo dispositivo.

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Le MCU Sitara AM2x integrano capacità di acquisizione rapida dei dati e precise periferiche di controllo in tempo reale per l’input e l’elaborazione di dati ad alta velocità. Immaginiamo che una singola MCU atta al controllo del motore di un braccio robotico integri anche interfacce audio, di rilevamento della corrente e della posizione per migliorare la sicurezza nella collaborazione uomo-robot senza la necessità di MCU aggiuntive. Oppure che una MCU integri l’ingresso audio, il riconoscimento del suono e la classificazione per migliorare l’intelligenza «all’edge» nel sistema di sicurezza di un edificio. Rendendo possibile una maggiore capacità di elaborazione su un singolo chip, le MCU ad alte prestazioni possono rendere i sistemi industriali non soltanto più intelligenti, ma anche più convenienti e facili da progettare.

Semplificazione dei progetti e possibilità di riutilizzare il software

Le caratteristiche distintive delle MCU comprendono la semplicità di progettazione del sistema e dello sviluppo del software. Le aspettative in termini di facilità di utilizzo di hardware e software non cambiano, anche se le prestazioni e i livelli di integrazione delle MCU diventeranno sempre più simili a quelli di un processore.

Con le MCU Sitara AM2x, gli ingegneri possono continuare a sfruttare:

• La semplicità degli ambienti e degli strumenti di sviluppo software (come il software basato su sistemi operativi in tempo reale) che consentono il riutilizzo tra piattaforme diverse, riducendo quindi tempi e costi di sviluppo.
• Una gestione efficiente delle attività in tempo reale e architetture di gestione dell’alimentazione più semplici per soluzioni di gestione dell’alimentazione più convenienti.
• Velocità ottimizzata e funzioni a bassa latenza grazie alla memoria ad accesso casuale (RAM) integrata.

Un’applicazione di rilevamento e reazione in tempo reale come un PLC deve gestire i vincoli temporali per la sicurezza e il funzionamento continuo: ne consegue che i sistemi devono essere progettati tenendo conto dei tempi nello scenario peggiore. Fornire software di facile utilizzo consente di progettare tali sistemi in modo rapido ed efficiente.

Ottimizzazione dei costi di sistema grazie alla flessibilità della memoria

Le MCU tradizionali hanno una memoria non volatile integrata, come la flash, ma i maggiori requisiti per l’elaborazione dei dati in applicazioni che vanno dalle fabbriche automatizzate alla guida autonoma presentano sfide di scalabilità per le dimensioni della memoria. Inoltre, i requisiti per unità di elaborazione centrale più veloci pongono due sfide:

• Una completa dipendenza dalla limitazione della velocità e delle prestazioni della flash, soprattutto quando il sistema richiede la scrittura in memoria in tempo reale.
• Supporto per memoria non volatile limitato o assente per nodi di elaborazione più avanzati, come quelli a 16 nm.

I progettisti di MCU possono trarre vantaggio dalla flessibilità di un’architettura con memoria non volatile esterna. Le MCU Sitara AM2x permettono di soddisfare le maggiori esigenze di memoria senza cambiare la MCU o riprogettare la scheda, rendendo possibile un design più agile e costi di sviluppo inferiori. La vasta RAM integrata e la semplice architettura software dei dispositivi AM2x risolvono i problemi di latenza e prestazioni che riguardano la memoria esterna.

Maggiore efficienza energetica

Le MCU tradizionali sono note per il loro basso consumo energetico: la riduzione del consumo energetico rimane fondamentale in quanto le applicazioni si spostano verso le MCU ad alte prestazioni. L’efficienza energetica si manifesta seguendo due vettori importanti per i progettisti:

• Prestazioni per watt (efficienza di consumo energetico attivo). L’aumento della dissipazione di calore oltre i 2 W fino a 3 W porta spesso a problemi in termini di costi, peso e ingombro dei sistemi MCU tradizionali, in particolare quelli che richiedono misure di raffreddamento attivo come i dissipatori di calore e ventole. Pertanto, l’aumento delle prestazioni non può essere accompagnato da aumenti proporzionali del consumo di energia. Le MCU Sitara AM2x ad alte prestazioni possono supportare prestazioni di oltre 5.000 DMIPS/W.
• Modalità a basso consumo (spegnimento). Generalmente le MCU operano in ambienti con duty-cycle piuttosto basso e, dato che le MCU ad alte prestazioni sono incluse in progetti per nodi di processo avanzati, il loro impatto sulla corrente di dispersione è maggiore rispetto a quello delle MCU tradizionali. I progettisti necessitano quindi di un’innovazione continua nelle tecniche di power-gating e nelle modalità a basso consumo come sospensione, deep sleep, spegnimento, funzionamento con il solo orologio in tempo reale e riattivazione su input/output.

Conclusione

Le MCU ad alte prestazioni stanno migliorando l’accessibilità dell’elaborazione a livello di processore, aprendo nuove porte a progettisti e sistemi. A mano a mano che prosegue l’evoluzione delle applicazioni e gli ingegneri progettisti sfruttano tutto il potenziale delle MCU ad alte prestazioni nei loro sistemi, gli innovatori nel campo delle MCU, i progettisti di prodotti e i consumatori sperimenteranno tutti i vantaggi delle loro nuove capacità.

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