Mikrocontroller-Differenzierung durch innovative Peripherals (Teil 1 von 2)

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Lösung 2: „Mehr Rechenpower“

Bild 3: MPU TI AM437 ARM® Cortex®-A9 mit PRU Subsystemen und externem Speicher(Bild: Texas Instruments) — Bild 3: MPU TI AM437 ARM® Cortex®-A9 mit PRU Subsystemen und externem Speicher
(Bild: Texas Instruments)

Statt Aufgaben hardwaremäßig zu parallelisieren, kann man auch den Systemtakt heraufsetzen und damit proportional den zeitlichen Jitter reduzieren. Gelöst bekommt man damit die Probleme nicht, nur die Auswirkungen reduziert. Dabei darf man nicht vergessen, dass MCUs mit integriertem Flash sich nur bedingt durch höhere Taktung beschleunigen lassen. Physikalische Grenzen wie maximale Flash Zugriffszeiten führen zum Einfügen von Wait-States, die dann die effektive DMIPS-Kurve abflachen lassen.

In diesem Zusammenhang wird gerne über den Einsatz einer MPU (Mikroprozessor Unit) statt einer MCU nachgedacht. MPUs werden häufig mit performanten Betriebssystemen wie Linux, Windows oder Android benutzt, welche dann mit höherer Zugriffsgeschwindigkeit aus RAM oder DRAM ausgeführt werden. Durch endliche Zugriffszeiten auf externen Speicher wird aber auch eine 1GHz schnelle MPU ausgebremst. Abhilfe schaffen hier CPU-Caches für Daten und Code, die dann zu dem bereits erwähnten nicht-deterministischen Verhalten führen können. Man sieht, die Lösung des Echtzeitproblems ist nicht trivial.

Die Gesamtsystemkosten werden neben der MPU durch externe Bootspeicher (NAND-, SD-, MMC- und DDR-Ausführungspeicher, Powermanagement) bestimmt. Erhöhte Taktfrequenz und Leistung führen auch hier ggf. zu größerer EMI.

Eine mögliche Lösung für diesen Ansatz stellt z.B. der AM437 Prozessor aus TI’s Sitara Familie dar, da hier zusätzliche vier 32-bit PRUs Koprozessoren (Programmable Realtime Unit) den ARM Cortex A9 Hauptprozessor entlasten.

Typische Aufgaben des PRU Subsystems (PRUSS) können sein

Ansteuerung eines Motors (FOC)

Realisierung von digitalen Position-Encoder Interfaces (BISS-C, Hiperface DSL, Endat2.2) und Sinc-Filter für externe SD Modulatoren

Implementierung des Link-Layers von industriellen Feldbussen (EtherCat, ProfiNet, EtherNet/IP, Profibus...)

Eine interessante Machbarkeitsstudie hierzu ist in dem sogenannten Singlechip-Drive auf Basis des AM437-Prozessors zu finden.

Die vorgestellten Realtime-Herausforderungen lassen sich allerdings auch durch den Einsatz von spezifischen Co-Prozessoren lösen. Wie das funktioniert und worauf Sie hierbei achten müssen, darauf gehen wir im zweiten Teil dieses Beitrags näher ein.

* Dirk Jansen ... ist Senior Field Application Engineer Embedded Processing & Connectivity bei Texas Instruments.

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Stand: 08.12.2025

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