IoT e SoC Mobili: Potenza di Elaborazione per i Dispositivi di Nuova Generazione

Fin dall'arrivo dei primi smartphone sul mercato, la corsa è stata quella di integrare sempre più funzionalità in un unico dispositivo. Questo non avviene solo a livello software, ma richiede anche l'hardware giusto per fornire la necessaria potenza di elaborazione. Con più funzionalità concentrate in uno spazio più piccolo, i nuovi smartphone includono dispositivi system-on-chip (SoC) sempre più potenti che forniscono elaborazione dei dati e interfaccia con altri sottosistemi nei dispositivi mobili.

I SoC mobili per l'uso nei nuovi smartphone e nell'IoT includono un modem LTE, un processore grafico, un processore di segnali digitali per supportare la funzionalità di intelligenza artificiale (AI), memoria cache, sicurezza del dispositivo e altre funzioni, tutto integrato in un unico chip. I nuovi prodotti richiederanno potenti SoC mobili man mano che la rivoluzione dell'IoT continua e le esigenze di funzionalità in questi dispositivi continuano ad espandersi.

IoT e Controller SoC Mobili

Con i nuovi dispositivi IoT che richiedono l'integrazione di più funzioni a livello software che sono state delegate ai computer per un po' di tempo, questi dispositivi avranno bisogno di maggiore potenza di elaborazione per l'uso in una varietà di nuove applicazioni. Alcune funzionalità previste includono l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale, entrambe applicazioni intensive in termini di elaborazione e memoria. I chip più avanzati attualmente utilizzati negli smartphone disponibili commercialmente sono l'A12 Bionic di Apple, lo Snapdragon 855 di Qualcomm e il Kirin 980 di Huawei, che sono fabbricati utilizzando un processo di litografia a 7 nm. La tabella sottostante mostra un confronto delle caratteristiche tra i tre.

I controller SoC Kirin 980 e Snapdragon 855 hanno CPU basate sull'architettura ARM, acronimo di Advanced Reduced Instruction Set Computing (RISC) Machine. Questa architettura è concessa in licenza ai produttori di chip per microcontrollori per l'inclusione in controller per dispositivi mobili. L'architettura RISC nei controller SoC basati su ARM richiede meno transistor, quindi questi controller costano meno e dissipano meno potenza rispetto ai controller presenti nella maggior parte dei computer personali. Questo rende i SoC mobili basati su ARM ben adatti per smartphone, dispositivi IoT e altri sistemi embedded.

Le nuove generazioni di processori ARM Cortex-M sono mirate alle applicazioni per dispositivi IoT fornendo soluzioni di sicurezza e apprendimento automatico, oltre ai requisiti di sistema embedded ad alte prestazioni come la risposta agli interrupt deterministica in tempo reale, il basso consumo energetico e la dimensione della parola a 32 bit o 64 bit.

I processori Cortex-M23 e Cortex-M33 sono disponibili con una tecnologia di sicurezza denominata TrustZone^TM, che fornisce un isolamento hardware su tutto il sistema per il software fidato. I core Cortex-M7 e Cortex-M33 offrono supporto per l'elaborazione dei segnali digitali (DSP) e l'elaborazione in virgola mobile a precisione singola (32-bit). Queste capacità consentiranno l'apprendimento automatico sul dispositivo per l'uso in applicazioni come la visione artificiale e il computing periferico per dispositivi IoT.

Microcontrollori SoC ARM Cortex per dispositivi mobili

ST Microelectronics, STM32L552RC

La serie di dispositivi STM32L552xx rappresenta una famiglia di microcontrollori ultra a basso consumo (Serie STM32L5) costruita sulla base del core RISC ARM Cortex-M33 a 32 bit in un pacchetto LQFP a 64 pin. Questi dispositivi includono memorie ad alta velocità integrate (256 KB SRAM/512 KB Flash), un'ampia gamma di I/O e periferiche potenziate su due bus APB e due bus AHB con una matrice di bus multi-AHB a 32 bit:

Il core Cortex-M33 dispone di un'unità di calcolo in virgola mobile a precisione singola (FPU), che supporta tutte le istruzioni di elaborazione dei dati a precisione singola di Arm^® e tutti i tipi di dati. Il core Cortex-M33 implementa anche un set completo di istruzioni DSP (elaborazione del segnale digitale), supporto consapevole di TrustZone e un'unità di protezione della memoria (MPU) che migliora la sicurezza dell'applicazione. [Dal riassunto del prodotto]

Inoltre, questi dispositivi includono due ADC a 12 bit da 5 Msps, due canali DAC, due comparatori, due amplificatori operazionali, un buffer di riferimento di tensione interno, un RTC a basso consumo, due timer a 32 bit per usi generali, due timer PWM a 16 bit dedicati al controllo motore, sette timer a 16 bit per usi generali e due timer a basso consumo a 16 bit. I dispositivi supportano quattro filtri digitali per modulatori sigma delta esterni (DFSDM). Fino a 22 canali di sensing capacitivo sono disponibili per l'integrazione di HMI.

Diagramma a blocchi STM32L552RC di ST Microelectronics.

ST Microelectronics, STM32F746NG

Le serie di dispositivi STM32F745xx e STM32F746xx hanno un punto di prezzo basso pur offrendo capacità comparabili o migliori rispetto al controller precedente. Questi dispositivi si basano sul core ARM Cortex-M7 a 32 bit RISC. Implementano anche un set completo di istruzioni DSP e unità di protezione della memoria (MPU) per migliorare la sicurezza delle applicazioni IoT. Questa serie di dispositivi incorpora anche memorie integrate ad alta velocità (320 KB SRAM/1 MB Flash), inclusi 64 KB di RAM TCM per l'elaborazione in tempo reale di dati critici.

In aggiunta all'architettura bus trovata nel prodotto precedente, questo prodotto offre funzionalità simili di elaborazione/conversione del segnale con caratteristiche di comunicazione avanzate:

Tutti i dispositivi offrono tre ADC a 12 bit, due DAC, un RTC a basso consumo, tredici timer general-purpose a 16 bit inclusi due timer PWM per il controllo del motore e un timer a basso consumo disponibile in modalità Stop, due timer general-purpose a 32 bit, un generatore di numeri casuali (RNG) vero. Presentano anche interfacce di comunicazione standard e avanzate. [Dal riassunto del prodotto]

NXP Semiconductors, MKL16Z256VLH4

Il MKL16Z256VLH4 è un SoC mobile ultra-economico basato sul core ARM Cortex-M0+ che opera a 48 MHz. Sebbene offra una velocità di elaborazione più lenta, fornisce comunque un'elaborazione a 32 bit, un consumo di energia ultra-basso con modalità sleep e memorie integrate (32 KB SRAM/256 KB Flash). Data la sua fascia di prezzo inferiore, molteplici interfacce di comunicazione standard e moduli analogici (ADC SAR a 16 bit e DAC a 12 bit), una delle applicazioni per questo prodotto è nei piccoli dispositivi IoT che acquisiranno ed elaboreranno segnali dai sensori. Questo prodotto è disponibile in un pacchetto LQFP a 64 pin, sebbene ci sia una variante che viene fornita in un pacchetto MAPBGA a 64 pin (MKL16Z256VMP4).

Diagramma a blocchi del MKL16Z256VLH4 da NXP Semiconductor.

Il computing integrato in IoT e altre aree applicative continuerà a progredire, e puoi massimizzare le prestazioni del tuo prossimo sistema con il microcontrollore giusto o altro dispositivo logico programmabile.

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