Die Geschwindigkeit, mit der ARM®-basierte Mikrocontroller auf den Markt gebracht werden, ist atemberaubend. Die Verwendung einer gemeinsamen Familie kompatibler Kerne mit unterschiedlichen Leistungsstufen bringt viele Vorteile für Embedded-Entwickler auf der Suche nach einem neuen Controller, auf den sie mit ihrem neuen Produktdesign oder ihrer neuen Technologieplattform aufsetzen können. Doch die Eile, mit der Mikrocontroller-Hersteller neue Chips auf den Markt bringen, führt zu dem Dilemma, dass die Feinabstimmung der Peripherie und die Architektur-Erweiterungen rund um den ARM-Kern Zeit kosten. Außerdem können Marktanteile und treue Kunden verloren gehen, die Controller für neue Designs genau jetzt brauchen. Auf die Cortex-M0/M0+ Architektur von ARM trifft dies absolut zu. Die Erkenntnis, dass Energieeinsparung und Peripherie-Erweiterungen in 8-Bit-Controllern in den letzten Jahren von den Kunden sehr positiv aufgenommen wurden und dass Anpassungen erforderlich sind, um das bestmögliche Produkt auf einer Plattform zu realisieren, hat dazu geführt, dass einige Mikrocontroller-Anbieter ein etwas umfassenderes Konzept verfolgen, wenn sie ihr neuestes ARM Cortex®-M0+ Produkt auf den Markt bringen. Atmel gehört dazu.
Mit seinem ersten M0+ ging Atmel zunächst einen Schritt zurück. Dann jedoch flossen 2 Jahrzehnte Erfahrung in der Entwicklung von 8-Bit-Embedded-Flash- Mikrocontrollern und mehr als 17 Jahre als ARM-Lizenznehmer ein. Es war klar, dass ein Großteil der Innovationen an den Baureihen tinyAVR®, megaAVR® und AVR XMEGA® höchst relevant für die M0+ Implementierung waren. Beispiel für ein AVR®-Feature, das von Entwicklern hoch geschätzt wird, ist das Peripheral Event System. Dies ist ein Konzept, das es Peripheriegeräten ermöglicht, miteinander zu kooperieren, ohne CPU- oder Bus-Ressourcen zu belegen. Das Low-Power-IP von Atmel wurde ebenfalls sehr geschätzt. Dazu gehören Low-Power-Oszillatoren, Clock-Gating und Vorskalierung, zusätzlich zu Energiesparmodi und verbesserter serieller Kommunikation zur Verhinderung von Datenverlusten bei Aktivierung aus einem Tiefschlafmodus.
Als Ergebnis der Integration vieler Aspekte der Atmel-eigenen Mikrocontroller-Innovationen in den ARM-Kern-IP erreicht der Controller auf Basis des Atmel Cortex-M0+, der SAM D20, eine CoreMark-Benchmark von 2,14 coreMark/MHz und einem Stromverbrauch besser als 150 μA/MHz im aktiven Modus und etwa 2 μA im RAM-Retention-Modus. Demgegenüber haben andere Bausteine bei denselben Aufgaben und dem gleichen Leistungsniveau einen aktiven Stromverbrauch im Bereich von 200-400 μA/MHz. Sehen wir uns die Verbesserungen, die dies möglich gemacht haben, etwas genauer an.
Wie bereits erwähnt, ermöglicht das Event System, dass Peripheriegeräte ohne irgendeine CPU-Aktivität miteinander kommunizieren. Es handelt sich dabei um ein Routing-Netzwerk ohne die konventionellen Datenbuswege. Verschiedene Auslöser auf Peripherieebene können ein Ereignis bewirken, etwa ein Timerimpuls, der eine Reaktion in einem anderen Peripheriebaustein einleitet. Bestehend aus acht unabhängigen Kanälen im D20 und 12 Kanälen im D21 hat das Event System eine feste Latenz von 2 Zyklen. SAM D10 und D11 haben 4 Kanäle im Event System. Ohne jeden Jitter handelt es sich um ein zu 100 % deterministisches Verfahren und um eine perfekte Lösung für Echtzeitanwendungen. Es gehen keine Ereignisse verloren. Diese werden auf einer Peripherieebene in 2 Zyklen bearbeitet, selbst wenn die CPU einen nicht maskierbaren Interrupt ausführt. Traditionell ist die Art des Umgangs mit Aktionen für eine Low-Power-Anwendung die Auslösung von Interrupts. Interrupts würden jedoch die CPU aufwecken. Betrachten wir als Beispiel einen Motorantrieb mit PWM. Zur Erkennung fehlerhafter Situationen nutzen viele Motoranwendungen einen analogen Komparator oder ADC zur Messung des Stroms, der in den Motorantrieb fließt. Wenn ein Überstrom erkannt wird, werden die PWM-Kanäle, die den Motor ansteuern, sobald wie möglich abgeschaltet, um bleibenden Schaden an der Schaltung und externe Sicherheitsrisiken möglichst zu verhindern. Ohne Event System würde die Überstromsituation einen Interrupt auslösen, doch die Interrupt-Service-Anfrage könnte verzögert werden, wenn die CPU andere Aufgaben höherer Priorität ausführt. Unter Verwendung des Event-Systems kann der Analog-Komparator oder ADC direkt mit dem Timer verbunden werden. Der Timer wiederum kann nach 2 Zyklen abgeschaltet werden, unabhängig davon, was der
Rest der MCU gerade macht.
Abbildung 1 zeigt, wie das Event System den Motor-Steuerstromschutz ohne Intervention der CPU übernimmt. Dieses Konzept hat viele Vorteile. Die wichtigsten sind der geringere Gesamtenergieverbrauch, die effiziente Entlastung der CPU von Routineaufgaben und eine uneingeschränkt vorherbestimmbare Reaktionszeit.
Abbildung 1: Event System, Beispiel für eine Motorsteuerung
Ein weiteres wichtiges Alleinstellungsmerkmal des Atmel-Bausteins ist das hochgradig konfigurierbare mehrkanalige Modul für die serielle Kommunikation (SERCOM). Bestehend aus bis zu 6 seriellen Schnittstellenkanälen im D20 und D21 sowie 3 seriellen Kanälen im D10 und D11, ist jede serielle Schnittstelle per Software als I2C, SPI oder USART konfigurierbar. Dies verschafft Entwicklern immense Flexibilität, da die verfügbaren Schnittstellen dann konfiguriert werden können, wenn sie gebraucht werden. Wenn beispielsweise 2 I2C und 4 UART verlangt sind, nehmen Sie genau diese Konfiguration vor. Für Embedded-Entwickler gibt es zwei sehr wichtige Vorteile dieses Konzepts. Erstens müssen keine Mikrocontroller-Spezifikationen mehr durchforstet werden, um einen Baustein mit der benötigten Art und Anzahl von seriellen Schnittstellen zu finden. Dies spart nicht nur eine Menge Zeit, sondern ermöglicht es auch, einen bestimmten Mikrocontroller für eine Reihe ähnlicher Entwürfe einzusetzen, die sich nur marginal durch die Art der Schnittstellen unterscheiden. Es ist nun nicht mehr nötig, einen Baustein mit 5 UARTS zu kaufen, weil Sie 3 SPIs brauchen. Der zweite Vorteil betrifft das Layout der Platine. Durch Auswahl einer Schnittstellenart unter Berücksichtigung der Position von
unterstützenden Schnittstellenkomponenten oder Verbindungen auf der Platine kann das Leiterplattenlayout effizienter gestaltet werden. Dies bedeutet nicht nur kürzere Leiterbahnen, sondern verhindert lange Signalwege in der Umgebung von Bauelementen, die mit elektrischen Störsignalen behaftet sind. Möglich wird dies durch mehrere SERCOM-Module und die Tatsache, dass jedes SERCOM-Modul mehrere Pinbelegungsoptionen bietet. Der SAM D20 von Atmel unterstützt I2C bis 400 kHz, während SPI und UART Übertragungsgeschwindigkeiten bis 24 Mbit/s erreichen. Die seriellen Kommunikationsmodule sind alle mit dem oben beschriebenen peripheren Ereignissystem verbunden, das die Zusammenarbeit der Peripheriebausteine ohne Eingriff der CPU ermöglicht. Obwohl dies nur in den wenigsten Anwendungen erforderlich sein dürfte, kann jedes SECOM-Modul während des Betriebs per Software in eine andere Schnittstellenart umgewandelt werden.
Um ein Cortex-M0+ Design anbieten zu können, das die nützlichsten Features bietet, nach denen Embedded-Entwickler suchen, stattete Atmel den SAM D20 und den D21 außerdem mit einem Touch-Controller aus, der von der umfangreichen Wissensbasis der Produktlinie maXTouch profitiert. Dieser innovativste Vertreter der neuen Peripheriekomponenten von SAM D20 und D21 kann verwendet werden, um Touch-Control-Schnittstellen mit Tasten, Dreh- und Schiebereglern zu implementieren. Näherungssensoren können ebenfalls aufgebaut werden. Das Touchcontroller-Modul mit seinen 256 Kanälen in Matrixkonfiguration unterstützt Kapazitätsmessungen von gegenüberliegenden Flächen sowie Messungen der Eigenkapazität des Sensors. Mit ausgezeichnetem Störabstand und hervorragender Empfindlichkeit in Verbindung mit der automatischen Selbstkalibrierung erhält der SAM D20 viele Touch-Control-Funktionen direkt auf dem Chip.
Der SAM D21 verfügt auch über USB-Host- und Device-Funktionalität. Die kleineren Varianten SAM D10 und D11 bieten trotz der kleinen Gehäuseabmessungen mit 14, 20 und 24 Pins alle USB-Device-Funktionen. Während D10 und D11 keine DMA-Funktionen bieten, unterstützen sie bis zu 8 Kanäle für einen 12-Bit-A-D-Wandler mit 350 Kilosamples pro Sekunde und einen Kanal eines 10-Bit-D-A-Wandlers mit 350 Kilosamples pro Sekunde. Der D21 verfügt außerdem über 2 Kanäle für I2S mit 96-MHz-Fractional-PLL für das Audiostreaming.