Mikrocontroller für die Massen Fünf neue Serien, über 60 neue MCUs: Microchips 8-Bit-Offensive

8-Bit-Mikrocontroller sind Schnee von gestern? Von wegen, sagt 8-Bit-MCU-Marktführer Microchip – und bohrt sein Portfolio kräftig auf. Mit interessanten Details wie integrierten softwaresteuerbaren Operationsverstärkern, programmierbaren Funktionsblöcken, Multi-Voltage-I/Os und A/D-Wandlern mit Filterberechnung lassen sich die Chips dort einsetzen, wo herkömmliche MCUs überfordert sind.

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16-Bit-Mikrocontroller zählen heute zum Mainstream, in vielen Applikationen kommen längst 32-Bit-fähige Controller zum Einsatz. Auf diese legen viele MCU-Hersteller auch ihren Schwerpunkt bei der Entwicklung ihres Portfolios. Immer mehr Funktionen werden integriert, schließlich sollen sich die Mikrocontroller für ein breites Spektrum an Anwendungen einsetzen lassen. Kaum ein Hersteller investiert noch in die Entwicklung von 8-Bit-Controllern. Eine Ausnahme ist Microchip aus Chandler im US-Bundesstaat Arizona.

Nach einer Analyse von Marktforscher Gartner ist das Unternehmen Marktführer in diesem Bereich – mit rund einem Drittel Marktanteil und einem Abstand von gut 20 Prozentpunkten zum Zweitplatzierten. Zu den Hauptkonkurrenten zählen die MCU-Schwergewichte NXP, Renesas und STMicroelectronics. In den letzten 5 Jahrzehnten ist der Markt für 8-Bit-MCUs stetig gewachsen – und wird es angesichts der zunehmenden Elektrifizierung aller Lebensbereiche wohl auch weiter tun. Nach eigenen Angaben verkauft Microchip derzeit zahlenmäßig „jedes Jahr einen Baustein pro Mensch in der westlichen Hemisphäre“.

Trend: Modularität ist wieder stärker gefragt

Während sich die meisten Hersteller auf 16- und 32-Bit-Controller fokussieren, stellt sich die Frage: Ist die oft üppige integrierte Funktionsvielfalt überhaupt immer sinnvoll? „Nein“, sagt Øyvind Strom, MCU8 Marketing Director von Microchip im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS. „Bei unseren Kunden sehen wir einen gegenläufigen Trend: Modularität ist wieder stärker gefragt. Etwa, um unterschiedliche Aufgaben auf mehrere Bausteine zu verteilen – die aber eben ihre jeweilige Aufgabe besonders gut erledigen können.“ Gründe dafür liefert er gleich mit: Je mehr Funktionen in einem Baustein vorhanden sind, desto komplexer wird die nötige Embedded-Software. „Es ist eine Herausforderung, etwa die Vorverarbeitung und Aufbereitung analoger Signale abzustimmen und parallel auf demselben Baustein noch einen Wireless-Stack zum Laufen zu bekommen“, erklärt Strom.

Darüber hinaus sei Energieeffizienz gefragt. Hier zähle nicht nur die Stromaufnahme der einzelnen Bausteine, sondern die Effizienz der gesamten Schaltung. Eine Kooperation von 8- und 16- oder 32-Bit-MCU zahle sich oft aus: Während der 8-Bit-Controller analoge Sensorsignale aufbereitet, analog-digital wandelt und Störungen filtert, kann eine dahinter geschaltete 32-Bit-MCU im Sleepmode verweilen und so Strom sparen.

Erst wenn die bereinigten, vorverarbeiteten Daten bereitstünden, müsse die große MCU aufwachen und ihren Teil der Verarbeitung erledigen. Daher macht Strom klar, dass er 8-Bit- und 32-Bit-MCUs nicht in Konkurrenz zueinander sieht: Der Markt sei groß genug für alle, schließlich würden immer mehr Produkte des täglichen Gebrauchs – vom Armband als Fitnesstracker bis zur Zahnbürste – elektrifiziert und mit mehr und mehr Funktionen ausgestattet.

Zusammenarbeit mit anderen Controllern im Vordergrund

Hier kommen die neuen Produkte des Unternehmens ins Spiel: Microchip hat fünf neue MCU-Serien vorgestellt, vier PIC- und eine AVR-Familie. Die bisher erhältlichen PIC- und AVR-MCUs des Unternehmens bilden heute die Basis vieler Embedded Designs. Insgesamt können Entwickler nun aus über 60 neuen Bausteine wählen. Laut Hersteller sind die neuen Bausteine auf eine einfache Kommunikation mit anderen Controllern ausgelegt. Einen Schwerpunkt bilden zudem analoge Peripheriefunktionen. Strom betont, dass die neuen 8-Bit-MCUs weitreichend konfigurierbar sind und in vielen Fällen ohne Anpassung der Leiterplatte unterschiedliche Anwendungen abdecken können.

„Die neuen MCUs kombinieren ASIC-ähnliche Fähigkeiten mit einer einfachen Entwicklungserfahrung“, sagt Strom. Zu den „intelligenten Peripheriefunktionen“ zählt er den softwaregesteuerten, in den Baustein integrierten Operationsverstärker der Serie PIC16F171, Multi-Voltage-I/Os (MVIO) und A/D-Wandler mit Filtermöglichkeit (ADCC). „Damit lassen sich Anwendungen aufwerten, die ansonsten keine herkömmlichen MCUs verwenden würden.“

Signal- und Datenverarbeitung auf mehreren Spannungsebenen

Als Anwendungsbeispiel beschreibt er das Überbrücken mehrerer Spannungsdomänen: Systeme, die ICs mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen enthalten – etwa den Anschluss eines 1,8-V-Sensors an eine 5-V-MCU. Für diese Systeme ist normalerweise ein Pegelwandler erforderlich, der Platz auf der Platine belegt und Kosten erhöht. Die MVIO-Peripherie der neuen 8-Bit-MCUs, einschließlich der Serie AVR DD, soll es einem einzelnen Port der MCU ermöglicehn, in einem anderen Spannungsbereich als der Rest der MCU zu arbeiten. Damit würden sich zusätzliche externe Komponenten erübrigen.

Strom betont, dass einige Systeme zudem hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten und sehr kurze Reaktionszeiten erfordern, was mit softwarebasierter Verarbeitung nur schwer zu erreichen sei. Die vom Rechenkern des Mikrocontrollers unabhängige Peripherie (CIPs; Core Independent Peripherals), die sich im gesamten PIC- und AVR-MCU-Angebot von Microchip findet, lässt sich laut Strom mit dem MPLAB Code Configurator (MCC) anpassen.

Dadurch soll es möglich sein, mit wenig Aufwand eine Verarbeitungskette aus Hardware-Modulen zu erstellen. „So lässt sich benutzerdefinierte Peripherie erstellen, die die Zykluszeiten der Softwareverarbeitung eliminiert“, erklärt Strom. Ein WS2812-LED-Array beispielsweise, das für die korrekte Ansteuerung ein komplexes Timing erfordert, könne so einfach durch das Konfigurieren einer „Super-Peripherie“ gesteuert werden, die aus einem Pulsweitenmodulator (PWM), einer SPI-Schnittstelle und der konfigurierbaren Logikzelle (CLC) besteht.

Entwicklern stellt Microchip ein umfangreiches Entwicklungs-Ökosystem aus Hardware- und Softwaretools bereit, darunter die integrierten Entwicklungsumgebungen (IDEs) MPLAB X und MPLAB Xpress sowie den erwähnten MPLAB Code Configurator (MCC). Dessen intuitive grafische Benutzeroberfläche erleichtert laut Strom das Erstellen eines fertigungsreifen Setups und Anwendungscodes für 8-Bit-MCU-basierte Projekte.

Eigene Fabs sollen Lieferbarkeit der Bausteine sicherstellen

Als Verfechter der 8-Bit-Technik setzt Microchip nach eigenen Angaben auch auf Kontinuität: „Unsere PIC- und AVR-Bausteine sind langfristig lieferbar und erhalten ebenso langfristigen Support.“ Dies ermögliche Kunden eine schnelle Markteinführung neu entwickelter und langfristig nutzbarer Produkte. Hinzu kommt: „Unser 8-Bit-MCU-Angebot ist Pin-zu-Pin-kompatibel“, sagt Strom. So könnte eine alternative PIC- oder AVR-MCU gewählt werden kann, wenn mehr Leistungsfähigkeit benötigt werde oder wenn ein Kunde die Produktverfügbarkeit maximieren und gleichzeitig die Anforderungen an das Re-Design minimieren möchte.

Apropos Lieferbarkeit: Als wichtigen Trumpf sieht Strom Microchips eigene Produktionskapazitäten an. Der aktuelle Chipmangel und angespannte oder gar gerissene Lieferketten würden deutlich machen, wie wichtig Fabriken sind, in denen man selbstbestimmt produzieren könne – unabhängig von Auftragsfertigern am anderen Ende der Welt. Und da Microchip auch in Punkto Prozesstechnik eher konservativ unterwegs ist – das Unternehmen setzt auf Strukturgrößen von über 100 nm – könne es die eigenen Produkte auf bewährter Fertigungstechnik schnell und günstig produzieren.

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