Dziesięć 32-bitowych MCU napędzających nowej generacji systemy wbudowane

W 1974 roku Texas Instruments wprowadziło na rynek TMS1000, pierwszy komercyjnie dostępny mikrokontroler (MCU). Ten przełomowy (jak na tamte czasy) komponent łączył 4-bitowy procesor CPU, 1 KB ROM, 256-bitową pamięć RAM oraz linie wejścia/wyjścia, wszystko na pojedynczym chipie. Dzisiaj wysokowydajny 32-bitowy MCU z 2MB wbudowanej pamięci SRAM może osiągać prędkości do 1 GHz, działając przynajmniej 2500 razy szybciej niż pionierski TMS1000. 

Mikrokontrolery ewoluowały z prostych kalkulatorów w zaawansowane procesory, które orkiestrują wszystko, od doskonałego parzenia kawy przez ekspres, po urządzenia medyczne ratujące życie. W miarę jak urządzenia IoT stają się coraz bardziej powszechne, 32-bitowe MCU przepisują zasady tego, co jest możliwe w systemach wbudowanych.                   

Wzrost popularności 32-bitowych MCU

Chociaż MCU 8-bitowe i 16-bitowe nadal mają znaczący udział w rynku, 32-bitowe MCU szybko zyskują na popularności. Według najnowszych badań rynkowych, segment 32-bitowych MCU ma osiągnąć 40% udziału w rynku do 2036 roku i będzie "dominować na rynku", wyprzedzając wzrost swoich 8-bitowych i 16-bitowych odpowiedników. To sygnalizuje wyraźne przesunięcie w kierunku bardziej potężnych i wszechstronnych mikrokontrolerów 32-bitowych.

Kilka czynników napędza rosnące przyjęcie 32-bitowych MCU:

• Zwiększona moc przetwarzania
• Większa pojemność pamięci
• Zaawansowane peryferia
• Lepsza efektywność energetyczna
• Podwyższone wsparcie dla złożonych algorytmów i protokołów łączności

Te możliwości sprawiają, że 32-bitowe MCU są dobrze dopasowane do zastosowań w systemach motoryzacyjnych, automatyzacji przemysłowej, urządzeniach IoT oraz elektronice użytkowej.

Definiowanie doskonałości: 10 wiodących 32-bitowych MCU

Przyjrzyjmy się dziesięciu popularnym rodzinom 32-bitowych MCU i czym się wyróżniają:

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

1. STMicroelectronics STM32: Rodzina MCU STM32 oferuje szeroki zakres opcji, od ultra-niskoenergetycznych wariantów do wysokowydajnych potęg z prędkościami zegara do 480 MHz i wydajnością ponad 1000 DMIPS.
2. Espressif Systems ESP32: Z wbudowanym Wi-Fi i łącznością Bluetooth, ESP32 jest ulubieńcem wśród deweloperów IoT. Jego dwurdzeniowy procesor i obszerna obsługa peryferiów pomagają zasilać zaawansowane produkty połączone, jednocześnie utrzymując konkurencyjne zużycie energii. 
3. NXP i.MX RT: Ta seria zaciera granicę między mikrokontrolerami a mikroprocesorami, oferując prędkości zegara do 1 GHz z rdzeniami Arm Cortex-M7. Te komponenty doskonale sprawdzają się w aplikacjach wymagających przetwarzania w czasie rzeczywistym i zaawansowanych możliwości graficznych.
4. Renesas RX: Wyposażony w 32-bitową zaawansowaną architekturę Harvard CISC, seria RX oferuje wysoką gęstość kodu i imponującą wydajność, z niektórymi modelami osiągającymi 3,08 CoreMark/MHz. Pamięć flash bez opóźnień i zintegrowane funkcje DSP umożliwiają przetwarzanie w czasie rzeczywistym bez zewnętrznego przyspieszenia.
5. Microchip PIC32: Kontynuując dziedzictwo mikroprocesorów firmy Microchip, seria PIC32 oferuje solidną wydajność i szeroki zakres zintegrowanych peryferiów. Doskonale sprawdzają się w aplikacjach wymagających sterowania w czasie rzeczywistym i przetwarzania sygnałów. 
6. Microchip SAM: Nabyte od firmy Atmel, seria SAM zawiera mikrokontrolery Cortex-M znane z niskiego zużycia energii i wysokiej wydajności. Przeznaczone są do zastosowań od ultra-niskopoborowych po wysokowydajne przetwarzanie wbudowane z zintegrowanymi peryferiami.
7. NXP Kinetis: Rodzina Kinetis oferuje szerokie portfolio mikrokontrolerów na różne poziomy wydajności i integracji. Seria zawiera specjalistyczne warianty zoptymalizowane pod kątem sterowania przemysłowego, zarządzania silnikami i aplikacji IoT.
8. TI MSP432: MSP432 firmy Texas Instruments łączy niskopoborowe dziedzictwo MSP430 z wydajnością rdzeni ARM Cortex-M4F, oferując doskonały balans efektywności i mocy przetwarzania.
9. Silicon Labs EFM32: Zaprojektowany z myślą o efektywności energetycznej, seria EFM32 wyróżnia się w aplikacjach zasilanych bateryjnie i zbierających energię. Charakteryzują się ultra-niskim poborem mocy i szybkimi czasami wybudzania. 
10. Infineon XMC Series: Seria XMC jest dostosowana do zastosowań przemysłowych, oferując wysokoprecyzyjne interfejsy analogowe i możliwości sterowania silnikami. Te mikrokontrolery Cortex-M są dobrze przystosowane do automatyzacji fabrycznej, konwersji mocy i systemów przemysłowego IoT.

Pionierskie zmiany w różnych sektorach

Możliwości i wydajność wiodących 32-bitowych mikrokontrolerów umożliwiają znaczące postępy w systemach wbudowanych w różnych sektorach:

Automotive: Współczesne pojazdy w dużej mierze polegają na systemach wbudowanych sterowanych przez 32-bitowe mikrokontrolery. Te mikrokontrolery umożliwiają przetwarzanie danych z czujników w czasie rzeczywistym dla unikania kolizji i zarządzają złożonym sterowaniem układu napędowego w pojazdach elektrycznych, praktycznie przekształcając samochody w komputery na kołach.

Przemysłowe IoT: W inteligentnych fabrykach i automatyzacji przemysłowej, 32-bitowe mikrokontrolery zasilają systemy wbudowane, które monitorują linie produkcyjne, optymalizują zużycie energii i przewidują potrzeby konserwacji. Dostarczają one zwiększonej łączności i mocy obliczeniowej potrzebnej do integracji sprzętu przemysłowego z ekosystemem IoT.

Elektronika użytkowa: Od inteligentnych urządzeń domowych po noszone gadżety, 32-bitowe MCU zapewniają wydajność i efektywność energetyczną potrzebną dla nowej generacji połączonych gadżetów. Na przykład, uruchamiają skomplikowane algorytmy w inteligentnych termostatach; w urządzeniach noszonych zapewniają zaawansowane funkcje monitorowania zdrowia i przedłużają żywotność baterii. 

Urządzenia medyczne: Precyzja i niezawodność 32-bitowych MCU są kluczowe dla systemów wbudowanych w sprzęcie medycznym krytycznym dla życia oraz przenośnych urządzeniach diagnostycznych. Zapewniają one dokładne przetwarzanie danych i bezpieczne obsługiwanie informacji o pacjentach w urządzeniach takich jak pompy insulinowe i przenośne monitory EKG.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Aerokosmos i obrona: 32-bitowe MCU zasilają systemy wbudowane w wielu aplikacjach A&D, począwszy od systemów kontroli lotu po urządzenia do bezpiecznej komunikacji. Oferują wysoką wydajność potrzebną do przetwarzania danych w czasie rzeczywistym w awionice i zapewniają funkcje bezpieczeństwa wymagane dla wrażliwych zastosowań wojskowych.

Inteligentne rolnictwo: Systemy wbudowane monitorujące warunki gleby, kontrolujące nawadnianie i zarządzające hodowlą umożliwiają techniki precyzyjnego rolnictwa. Te systemy używają 32-bitowych MCU do analizowania danych z różnych czujników w celu optymalizacji plonów i zużycia zasobów.

Zarządzanie energią: W rozwiązaniach zrównoważonej energii, 32-bitowe MCU są kluczowe dla systemów wbudowanych w technologiach inteligentnej sieci, inwerterach słonecznych i systemach zarządzania bateriami. Umożliwiają one stosowanie złożonych algorytmów zarządzania mocą oraz monitorowanie produkcji i konsumpcji energii w czasie rzeczywistym.

W miarę ewolucji systemów wbudowanych, na 32-bitowe MCU coraz częściej polega się w celu obsługi złożonych obliczeń, zarządzania różnorodnymi peryferiami oraz zapewnienia solidnych funkcji bezpieczeństwa. To trio zaawansowanych możliwości będzie nadal napędzać innowacje w różnych branżach. 

Przyszłość 32-bitowych MCU

W miarę postępu, kilka trendów wpływa na ewolucję 32-bitowych MCU:

Meet US Government Security Requirements

Foster real-time collaboration with enhanced data security and access controls

Find Out More

1. Zwiększona integracja AI i uczenia maszynowego: Producenci MCU włączają dedykowane jednostki przetwarzania neuronowego (NPU) i zoptymalizowane zestawy instrukcji dla obciążeń AI. Umożliwi to inteligentniejsze podejmowanie decyzji na krawędzi, redukując opóźnienia i wymagania dotyczące przepustowości dla urządzeń IoT.
2. Ulepszona architektura bezpieczeństwa i funkcje: Niektóre nowej generacji MCU integrują bardziej zaawansowane moduły bezpieczeństwa sprzętowego, mechanizmy bezpiecznego uruchamiania i dedykowane akceleratory kryptograficzne. Ta wzmocniona podstawa bezpieczeństwa chroni przed ewoluującymi zagrożeniami cybernetycznymi, jednocześnie utrzymując wydajność systemu w wrażliwych aplikacjach.
3. Dalsze usprawnienia w efektywności energetycznej: Przyszłe MCU mają na celu przesuwanie granic działania niskoprądowego dzięki zaawansowanym technikom zarządzania zasilaniem i bardziej efektywnym trybom uśpienia. Pozwoli to przedłużyć żywotność baterii w urządzeniach przenośnych i umożliwić nowe zastosowania w systemach zbierania energii.
4. Większe skupienie na przetwarzaniu w czasie rzeczywistym dla edge computing: MCU są optymalizowane pod kątem deterministycznej wydajności o niskiej latencji, aby wspierać krytyczne aplikacje czasu rzeczywistego. Ten trend umożliwi bardziej złożone systemy sterowania i przetwarzanie danych wrażliwych na czas bezpośrednio na urządzeniach brzegowych, zmniejszając zależność od infrastruktury chmurowej.
5. Kontynuacja rozszerzania opcji łączności bezprzewodowej: Przyszłe MCU prawdopodobnie będą integrować wsparcie dla pojawiających się standardów bezprzewodowych, takich jak Wi-Fi 6, 5G NR-Light i zaawansowane protokoły Bluetooth. Ta zwiększona łączność ułatwi integrację MCU w złożonych ekosystemach IoT i umożliwi nowe przypadki użycia w obszarach takich jak inteligentne miasta i automatyzacja przemysłowa.

Te rozwój doprowadzi do jeszcze bardziej potężnych i wszechstronnych MCU. Te komponenty nowej generacji będą zdolne do obsługi coraz bardziej złożonych zadań na krawędzi sieci, zachowując przy tym efektywność i opłacalność, które czynią je tak atrakcyjnymi dla projektowania systemów wbudowanych.

Systemy wbudowane jutra

Od ich skromnych początków jako podstawowych kalkulatorów do obecnej roli jako kręgosłupa inteligentnych urządzeń, mikrokontrolery dramatycznie przekroczyły oczekiwania rynku. Z mocą przetwarzania mierzoną w gigahercach i pamięcią w megabajtach, dzisiejsze MCU umożliwiają przełomy inżynieryjne, które kiedyś były domeną dedykowanych procesorów. 

W miarę jak systemy motoryzacyjne wymagają bardziej zaawansowanego przetwarzania w czasie rzeczywistym, urządzenia medyczne potrzebują większej precyzji, a automatyzacja przemysłowa dąży do większej inteligencji na krawędzi, producenci MCU podnoszą wyzwania, rozwijając coraz bardziej potężne i wydajne komponenty. Dla projektantów systemów wbudowanych wybór MCU nigdy nie był bardziej krytyczny – ani ekscytujący.