Zehn 32-Bit-MCUs treiben die nächste Generation eingebetteter Systeme an

Im Jahr 1974 brachte Texas Instruments den TMS1000 heraus, den ersten kommerziell verfügbaren Mikrocontroller (MCU). Diese für damalige Verhältnisse bahnbrechende Komponente vereinte eine 4-Bit-CPU, 1 KB ROM, 256-Bit RAM und Ein-/Ausgabeleitungen auf einem einzigen Chip. Heute kann eine leistungsstarke 32-Bit-MCU mit 2MB integriertem SRAM Geschwindigkeiten von bis zu 1 GHz erreichen und läuft mindestens 2.500 Mal schneller als der wegweisende TMS1000. 

Mikrocontroller haben sich von einfachen Rechnern zu ausgeklügelten Prozessoren entwickelt, die alles steuern, von der perfekten Zubereitung Ihres Kaffees bis hin zu lebensrettenden medizinischen Geräten. Da IoT-Geräte immer mehr verbreitet sind, schreiben 32-Bit-MCUs die Regeln dessen neu, was in eingebetteten Systemen möglich ist.                   

Der Aufstieg der 32-Bit-MCUs

Obwohl 8-Bit- und 16-Bit-MCUs immer noch einen bedeutenden Marktanteil halten, gewinnen 32-Bit-MCUs schnell an Boden. Laut aktuellen Marktforschungen wird erwartet, dass das Segment der 32-Bit-MCUs bis 2036 einen Marktanteil von 40% erreichen wird und den Markt "dominieren" wird, was das Wachstum der 8-Bit- und 16-Bit-Pendants übertrifft. Dies signalisiert eine klare Verschiebung hin zu leistungsfähigeren und vielseitigeren 32-Bit-Mikrocontrollern.

Mehrere Faktoren treiben die zunehmende Adoption von 32-Bit-MCUs voran:

• Erhöhte Verarbeitungsleistung
• Größere Speicherkapazität
• Fortgeschrittene Peripheriegeräte
• Bessere Energieeffizienz
• Erweiterte Unterstützung für komplexe Algorithmen und Konnektivitätsprotokolle

Diese Fähigkeiten machen 32-Bit-MCUs gut geeignet für Anwendungen in Automobilsystemen, industrieller Automatisierung, IoT-Geräten und Unterhaltungselektronik.

Exzellenz definieren: 10 führende 32-Bit-MCUs

Lassen Sie uns einen Blick auf zehn Familien von beliebten 32-Bit-MCUs werfen und was sie auszeichnet:

1. STMicroelectronics STM32: Die STM32-Familie von MCUs bietet eine breite Palette von Optionen, von ultra-niedrigem Energieverbrauch bis hin zu leistungsstarken Kraftpaketen mit bis zu 480 MHz Taktfrequenzen und über 1000 DMIPS Leistung.
2. Espressif Systems ESP32: Mit integrierter Wi-Fi- und Bluetooth-Konnektivität ist der ESP32 ein Favorit unter IoT-Entwicklern. Sein Dual-Core-Prozessor und umfangreiche Peripherieunterstützung helfen, anspruchsvolle vernetzte Produkte zu betreiben und dabei wettbewerbsfähigen Energieverbrauch zu halten. 
3. NXP i.MX RT: Diese Serie verwischt die Grenze zwischen Mikrocontrollern und Mikroprozessoren und bietet bis zu 1 GHz Taktfrequenzen mit Arm Cortex-M7-Kernen. Diese Komponenten zeichnen sich in Anwendungen aus, die Echtzeitverarbeitung und fortgeschrittene Grafikfähigkeiten erfordern.
4. Renesas RX: Mit einer 32-Bit erweiterten Harvard CISC-Architektur bietet die RX-Serie eine hohe Code-Dichte und beeindruckende Leistung, wobei einige Modelle 3,08 CoreMark/MHz erreichen. Zero-Wait-Flash-Speicher und integrierte DSP-Funktionen ermöglichen eine Echtzeitverarbeitung ohne externe Beschleunigung.
5. Microchip PIC32: Aufbauend auf dem Mikroprozessor-Erbe von Microchip, bietet die PIC32-Serie robuste Leistung und eine breite Palette integrierter Peripheriegeräte. Sie zeichnen sich in Anwendungen aus, die Echtzeitsteuerung und Signalverarbeitung erfordern. 
6. Microchip SAM: Übernommen von Atmel, umfasst die SAM-Serie Cortex-M MCUs, die für ihren geringen Stromverbrauch und hohe Leistung bekannt sind. Zielanwendungen reichen von ultra-niedrigenergetischen Anwendungen bis hin zu leistungsstarker eingebetteter Verarbeitung mit integrierten Peripheriegeräten.
7. NXP Kinetis: Die Kinetis-Familie bietet ein breites Portfolio an MCUs für verschiedene Leistungs- und Integrationsniveaus. Die Serie umfasst spezialisierte Varianten, die für industrielle Steuerung, Motormanagement und IoT-Anwendungen optimiert sind.
8. TI MSP432: Texas Instruments' MSP432 kombiniert das Niedrigenergie-Erbe des MSP430 mit der Leistung der ARM Cortex-M4F Kerne und bietet eine ausgezeichnete Balance zwischen Effizienz und Verarbeitungsleistung.
9. Silicon Labs EFM32: Entwickelt mit dem Fokus auf Energieeffizienz, glänzt die EFM32-Serie in batteriebetriebenen und Energieernte-Anwendungen. Sie bieten ultraniedrige Leistungsmodi und schnelle Aufwachzeiten. 
10. Infineon XMC Serie: Die XMC-Serie ist für industrielle Anwendungen zugeschnitten und bietet hochpräzise analoge Schnittstellen sowie Motorsteuerungsfähigkeiten. Diese Cortex-M MCUs eignen sich hervorragend für Fabrikautomation, Energieumwandlung und industrielle IoT-Systeme.

Pionierarbeit in verschiedenen Sektoren

Die Fähigkeiten und Leistung führender 32-Bit-MCUs ermöglichen signifikante Fortschritte in eingebetteten Systemen quer durch die Sektoren:

Automobil: Moderne Fahrzeuge sind stark von eingebetteten Systemen abhängig, die von 32-Bit-MCUs gesteuert werden. Diese MCUs ermöglichen die Echtzeitverarbeitung von Sensordaten für die Kollisionsvermeidung und verwalten komplexe Antriebssteuerungen in Elektrofahrzeugen, was Autos im Wesentlichen zu Computern auf Rädern macht.

Industrielles IoT: In intelligenten Fabriken und bei der industriellen Automatisierung treiben 32-Bit-MCUs eingebettete Systeme an, die Produktionslinien überwachen, den Energieverbrauch optimieren und Wartungsbedarf vorhersagen. Sie liefern die verbesserte Konnektivität und Rechenleistung, die für die Integration industrieller Ausrüstungen in das IoT-Ökosystem benötigt wird.

Verbraucherelektronik: Von Smart-Home-Geräten bis hin zu Wearables bieten 32-Bit-MCUs die Leistung und Energieeffizienz, die für die nächste Generation vernetzter Gadgets benötigt wird. Sie führen beispielsweise komplexe Algorithmen in intelligenten Thermostaten aus; bei Wearables bieten sie fortgeschrittene Funktionen zur Gesundheitsüberwachung und verlängern die Akkulaufzeit. 

Medizinische Geräte: Die Präzision und Zuverlässigkeit von 32-Bit-MCUs sind entscheidend für eingebettete Systeme in lebenswichtigen medizinischen Geräten und tragbaren Diagnosegeräten. Sie gewährleisten eine genaue Datenverarbeitung und sichere Handhabung von Patienteninformationen in Geräten wie Insulinpumpen und tragbaren EKG-Monitoren.

Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: 32-Bit-MCUs treiben eingebettete Systeme in vielen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung an, von Flugsteuerungssystemen bis hin zu sicheren Kommunikationsgeräten. Sie bieten die hohe Leistung, die für die Echtzeit-Datenverarbeitung in der Avionik benötigt wird, und verfügen über die Sicherheitsmerkmale, die für sensible militärische Anwendungen erforderlich sind.

Intelligente Landwirtschaft: Eingebettete Systeme, die Bodenbedingungen überwachen, die Bewässerung steuern und das Vieh verwalten, ermöglichen Präzisionslandwirtschaftstechniken. Diese Systeme nutzen 32-Bit-MCUs, um Daten von verschiedenen Sensoren zu analysieren, um Erträge und Ressourceneinsatz zu optimieren.

Energiemanagement: In nachhaltigen Energielösungen sind 32-Bit-MCUs unverzichtbar für eingebettete Systeme in Smart-Grid-Technologien, Solarwechselrichtern und Batteriemanagementsystemen. Sie ermöglichen komplexe Algorithmen zur Energieverwaltung und die Echtzeitüberwachung von Energieproduktion und -verbrauch.

Da sich eingebettete Systeme weiterentwickeln, wird zunehmend auf 32-Bit-MCUs zurückgegriffen, um komplexe Berechnungen zu bewältigen, diverse Peripheriegeräte zu verwalten und robuste Sicherheitsfunktionen bereitzustellen. Dieses Trio fortschrittlicher Fähigkeiten wird weiterhin Innovationen in verschiedenen Branchen vorantreiben.

Die Zukunft der 32-Bit-MCUs

Während wir voranschreiten, beeinflussen mehrere Trends die Entwicklung der 32-Bit-MCUs:

1. Erhöhte Integration von KI und maschinellem Lernen: MCU-Hersteller integrieren dedizierte neuronale Verarbeitungseinheiten (NPUs) und optimierte Befehlssätze für KI-Workloads. Dies ermöglicht intelligentere Entscheidungsfindungen am Edge, reduziert Latenz und Bandbreitenanforderungen für IoT-Geräte.
2. Verbesserte Sicherheitsarchitektur und -funktionen: Einige MCUs der nächsten Generation integrieren ausgefeiltere Hardware-Sicherheitsmodule, sichere Boot-Mechanismen und dedizierte kryptografische Beschleuniger. Diese verstärkte Sicherheitsgrundlage schützt vor sich entwickelnden Cyberbedrohungen und erhält gleichzeitig die Systemleistung in sensiblen Anwendungen.
3. Weitere Verbesserungen in der Energieeffizienz: Zukünftige MCUs werden voraussichtlich die Grenzen des stromsparenden Betriebs mit fortschrittlichen Power-Gating-Techniken und effizienteren Schlafmodi erweitern. Dies wird die Batterielebensdauer in tragbaren Geräten verlängern und neue Anwendungen in Energiesammelsystemen ermöglichen.
4. Größerer Fokus auf Echtzeitverarbeitung für Edge-Computing: MCUs werden für deterministische, latenzarme Leistung optimiert, um kritische Echtzeitanwendungen zu unterstützen. Dieser Trend wird komplexere Steuerungssysteme und zeitkritische Datenverarbeitung direkt auf Edge-Geräten ermöglichen, wodurch die Abhängigkeit von Cloud-Infrastrukturen verringert wird.
5. Kontinuierliche Erweiterung der drahtlosen Konnektivitätsoptionen: Zukünftige MCUs werden wahrscheinlich Unterstützung für aufkommende drahtlose Standards wie Wi-Fi 6, 5G NR-Light und fortgeschrittene Bluetooth-Protokolle integrieren. Diese verbesserte Konnektivität wird die Integration von MCUs in komplexe IoT-Ökosysteme erleichtern und neue Anwendungsfälle in Bereichen wie Smart Cities und industrielle Automatisierung ermöglichen.

Diese Entwicklungen werden zu noch leistungsfähigeren und vielseitigeren MCUs führen. Diese Komponenten der nächsten Generation werden in der Lage sein, zunehmend komplexe Aufgaben am Rand von Netzwerken zu bewältigen und dabei die Effizienz und Kosteneffektivität beizubehalten, die sie für das Design eingebetteter Systeme so attraktiv machen.

Die eingebetteten Systeme von morgen

Von ihren bescheidenen Anfängen als einfache Taschenrechner bis zu ihrer heutigen Rolle als Rückgrat intelligenter Geräte haben Mikrocontroller die Markterwartungen dramatisch übertroffen. Mit einer Verarbeitungsleistung, die in Gigahertz gemessen wird, und Speicher in Megabyte, ermöglichen die heutigen MCUs ingenieurtechnische Durchbrüche, die einst dem Bereich dedizierter Prozessoren vorbehalten waren. 

Da Automobilsysteme anspruchsvollere Echtzeitverarbeitung verlangen, medizinische Geräte eine erhöhte Präzision benötigen und die industrielle Automatisierung eine größere Intelligenz am Rand (Edge) fordert, steigen MCU-Hersteller zur Gelegenheit auf, indem sie zunehmend leistungsfähigere und effizientere Komponenten entwickeln. Für Designer eingebetteter Systeme war die Wahl des MCU noch nie so kritisch – oder aufregend.