Aktuelle Trends bei Multicore-Mikrocontroller-Architekturen

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Abhängig von der Art eines Systems gelten unterschiedliche Anforderungen an Sicherheit, wie Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Datenintegrität. Jährlich entstehen z.B. der Automobilindustrie Schäden in Millionenhöhe durch Veränderungen der Steuerungssoftware im Automobil (sogenanntes Software Tuning, z.B. zur Steigerung der Motorleistung). Ähnliches kann man in der Welt des IoT (Internet of Things) hinsichtlich dem Schutz vor unberechtigten Zugriffen von Außen erkennen.

Die neuen Multicore-MCUs besitzen daher eigene integrierte Security-Cores, die durch eine Firewall gegen unerlaubten Zugriff geschützt sind. In diesen Security-Architekturen sind Ver- und Entschlüsselungsmodule enthalten, wie z.B. AES-Module – Advanced Encryption Standard Module, Random Number Generator RNG und zugriffsgeschützte Speicher (gesichertes RAM zum Verwahren von Sicherheitsschlüsseln und geschützter Programmteile). Die Kapselung bzw. strikte Trennung dieser Sicherheitsdomäne vom Rest des Systems sorgt für einen umfassenderen Schutz vor Angriffen.

Komplexere Kommunikations-Interfaces

Gesteigerte Anforderungen an die Kommunikationsschnittstellen beinhalten die Kommunikation großer Datenmengen, hohe Übertragungsraten und sichere Kommunikation (Generierung von Sicherungscodes beim Sender sowie hardwaregesteuerte Prüfung beim Empfänger). Je nach Anforderung an die Kommunikation können hierfür Kommunikationsmodule wie Ethernet oder FlexRay implementiert sein. Ethernet bietet hierbei Datenraten von 10Mb/100Mb sowie Sicherung auf der Übertragungsstrecke durch 32-Bit CRC-Checksummen. FlexRay unterstützt bis zu 10 Mb Datenrate, Identifier und Daten-Checksummen, zweikanalige gesicherte Datenübertragung mit zeitgesteuerter Kommunikation (deterministische und arbitrierungsfreie Datenübertragung, Time Triggered Protocol TTP). Anwendungsfälle sind in diesem Zusammenhang z.B. X-by-Wire Steuerungen im Automobil.

Aufwertungen gibt es auch auf etablierten Schnittstellen wie SPI. Mehrere Slaves mit unterschiedlichen Anforderungen an Kommunikationsframes und Geschwindigkeiten können an ein solches SPI Interface angeschlossen werden. Die Umprogrammierung für die jeweilige Slave-Schnittstelle kann DMA-gesteuert erfolgen und entlastet somit die Cores. Der Anwender kann hierzu neben den Sendedaten auch die Einstellungsdaten in einem Speicher ablegen/vorbereiten. Ist die Schnittstelle frei, kann der DMA die nächsten/neuen Einstellungsinformationen des SPI-Protokolls laden und anschließend die Kommunikationsdaten übertragen. Hierbei wird keine weitere CPU-Last generiert (hardwaregesteuerte Kommunikation).

Power-Management in Multicore-Mikrocontrollern

Die Anforderungen an die Stromaufnahme werden immer höher, damit in batteriebetriebenen Systemen eine möglichst lange Betriebsdauer gewährleistet werden kann und die Gesamt-Stromaufnahme die vorgegebene maximale Verlustleistung im System nicht übersteigt. Unterschiedliche Methoden zur Minimierung bzw. Reduktion der Stromaufnahme können angewendet werden. Die Applikationssoftware kann in verschiedene Partitionen aufgeteilt werden. Jede Partition wird einem anderen Core zur Verarbeitung zugewiesen. Wird dabei ein Core temporär nicht benötigt, kann diese CPU in den IDLE-Mode versetzt werden (dazu wird der CPU-Takt vorübergehend abgeschaltet). Bei Bedarf kann ein anderer Core bzw. ein Interrupt-Ereignis den Takt wieder einschalten, damit die CPU die Befehlsausführung fortsetzen kann.

Des Weiteren können die verschiedenen Cores mit unterschiedlicher Geschwindigkeit betrieben werden und somit Strom sparen. Dazu sind z.B. einige heterogene Multicore-Architekturen mit einem kleinen leistungssparenden und einem leistungsstarken (high-performance) Core versehen. ARM® hat dies in der big.LITTLE-Implementierung umgesetzt, zusätzlich zu der Möglichkeit, Versorgungsspannung und Taktfrequenz dynamisch an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Ein Cortex-A15 (big) + Cortex-A7 (LITTLE) sind als Oktal-Core in der Samsung-Handyplattform Exynos 5 Octa eingesetzt. Im heterogeneous Multiprocessing (HMP) Mode teilt der Scheduler die Tasks entweder einem big- oder einem LITTLE-Core entsprechend dem aktuellen Workload zu und verringert damit die systemweite Stromaufnahme.

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