Embedded-Architekturen für vernetzte Systeme Über Einprozessor-Embedded-Systeme hinaus entwickeln

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IoT und KI treiben Embedded-Systeme an ihre Grenzen, die mit Einprozessor-Lösungen oft nicht zu bewältigen sind – auch in kleinsten Systemen. Eine Aufteilung in analoge Subsysteme und leistungsfähige Prozessoren werden zunehmend nötig. Moderne MCUs mit I3C können hier die nötige Brücke zwischen Leistung und Effizienz schlagen.

Embedded-Systeme entwickeln sich immer schneller weiter – in unseren Haushalten, Fahrzeugen und am Arbeitsplatz. Ein wesentlicher Treiber ist die Möglichkeit, selbst kleinste elektronische Geräte mit unserer modernen Netzwerkinfrastruktur zu verbinden. Wi-Fi/WLAN, Bluetooth und andere Formen der Datenanbindung ermöglichen Updates vor Ort (OTA; Over The Air), einfachere Wartung und die Vorteile von KI- und Machine-Learning-/ML-Algorithmen. Diese verbesserte Anbindung macht diese Geräte zu IoT-Edge-Knoten – allerdings auf Kosten höherer Anforderungen an die Rechenleistung und größerer Speicher.

Internet-Anbindung erhöht Anforderungen an die Rechenleistung

Die meisten Embedded-Systeme sind auch mit ihrer unmittelbaren Umgebung vernetzt, d. h. sie bieten Umgebungserfassung, mechanische Betätigung oder Benutzerschnittstellen. So sind intelligente Thermostate mit lokalen Netzwerken von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren verbunden und verfügen über eine Reihe von Tasten oder kapazitiven Sensoren für Benutzereingaben. Das Ziel eines vernetzten Kochgeräts besteht zum Beispiel darin, Wünsche hinsichtlich der Speisetemperatur zu verstehen und diese in präzise Wärmemengen umzusetzen.

Diese in erster Linie analogen Systeme halten Einzug in die immer schneller wachsende Welt der Cloud-Kommunikation, was eine besondere Herausforderung mit sich bringt: Passt man das System an die langsamen Eingaben/Daten der analogen Welt an oder opfert man analoge Wiedergabetreue zugunsten von Geschwindigkeit und verbesserten Funktionen? Um dieses Problem genauer zu untersuchen, betrachten wir ein gängiges Beispiel: den IoT-Edge-Sensorknoten.

Analoge Subsysteme

IoT-Edge-Sensorknoten benötigen ein analoges Subsystem, um Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Bewegung etc. zu messen und zu überwachen. Analoge Subsysteme umfassen einen Mikrocontroller (MCU), der Sensordaten liest, verarbeitet und über ein Netzwerk weiterleitet. Da sich Umgebungsdaten in der Regel nur langsam ändern, müssen die meisten Edge-Knoten keinen kontinuierlichen, ununterbrochenen Datenstrom verarbeiten. Edge-Knoten werden oft mehrere Jahre lang mit derselben kleinen Batterie betrieben, verbringen die meiste Zeit in einem stromsparenden Ruhemodus und werden nur periodisch aktiviert, um Änderungen in der Umgebung zu erkennen. Während dieser Zeit sammelt der Knoten Daten und überträgt sie über ein Netzwerk. Anschließend kehrt er in den Ruhemodus zurück, bis die nächste Messung erforderlich ist. Da die Zahl der Edge-Knoten und gesammelten Daten in unserer immer mehr vernetzten Welt zunimmt, sind Energieeffizienz und ein stromsparender Betrieb wichtige Designaspekte, um die Batterielebensdauer analoger Subsysteme zu verlängern.

Einteilung von Embedded-Systemen

Für effiziente Embedded-Systeme empfiehlt es sich, das System in verschiedene Geschwindigkeitsdomänen zu unterteilen und eine Bridge zu verwenden, um den schnellen Hauptprozessor mit den analogen Subsystemen zu verbinden. Durch die Partitionierung kann sich das analoge Subsystem auf langsam wechselnde Aufgaben konzentrieren, während schnelle, rechenintensive Verarbeitung von einem Hauptprozessor übernommen wird. Dies maximiert die Funktionsstärke jedes Prozessortyps. Angesichts des wachsenden Trends zu immer mehr vernetzten Geräten ist I3C die serielle Kommunikationsschnittstelle der nächsten Generation, die eine schnelle Chip-zu-Chip-Kommunikation unterstützt. Als Nachfolger von I2C eignet es sich mit einer schnelleren, intelligenteren Schnittstelle und fortschrittlichen Steuerungsfunktionen besser für zukünftige Anwendungen.

I3C ist abwärtskompatibel mit I2C-Geräten, was für seine einfache Integration in bestehende Hardwareplattformen unerlässlich ist. Außerdem können I2C-Geräte mit I3C-Controllern mit 12,5 MHz koexistieren, was die Migration bestehender I2C-Bus-Designs auf die I3C-Spezifikation ermöglicht. So kann eine MCU, die I3C als auch ältere Kommunikationsschnittstellen wie I2C, SPI oder UART unterstützt, als Bridge dienen. Diese verbindet einen schnellen Prozessor über die MCU mit einem Sensor. Die MCU misst die Sensoreingänge, berechnet die Ergebnisse und überträgt die Daten effizient. Dieser Aufbau erhält die Integrität und Geschwindigkeit des I3C-Busses und ermöglicht die Kommunikation zwischen dem I3C-Controller und I2C/SPI-Geräten über die MCU. Durch die Partitionierung von Embedded-Systemen und I3C lassen sich Systemdesigns erfolgreich und robust umsetzen.

Microchip bietet die MCU-Reihe PIC18-Q20 speziell für moderne Embedded-Systeme mit verteilten Prozessoren an. Die MCUs bieten fortschrittliche serielle Kommunikationsschnittstellen, darunter bis zu zwei I3C-Peripherie-Einheiten – für schnelle Datenanbindung an mehrere Busse und damit mehr Flexibilität. Darüber hinaus sind sie mit bestehenden Kommunikationsprotokollen wie UART, SPI, I2C und SMBus ausgestattet, was eine nahtlose Integration als Bridge-IC und die Isolierung von I2C/SPI-Client-Geräten von einem reinen I3C-Bus ermöglicht. Dieser Aufbau hält die Geschwindigkeit des I3C-Busses aufrecht und ermöglicht die Kommunikation eines I3C-Controllers mit I2C/SPI-Geräten über die MCU. PIC18-Q20 unterstützt auch mehrere Spannungsbereiche, was eine einfache Anbindung an verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen Betriebsspannungspegeln ermöglicht. Dadurch erübrigen sich Pegelumsetzer, was die Stückkosten reduziert und das Systemdesign vereinfacht.

PIC18-Q20-MCUs verfügen auch über Core-unabhängige Peripherie (CIPs), die ohne ständige Interaktion mit der CPU arbeiten und direkt mit anderer Peripherie kommunizieren kann. Diese hardwarebasierte Peripherie verbraucht nur minimal Strom, benötigt wenig bis gar keinen Code sowie weniger RAM und Flash als die Implementierung derselben Funktionen in Software. Viele Funktionen lassen sich so gleichzeitig in einer einzigen MCU aktivieren. Entwickler können Kombinationen von CIPs (einschließlich I3C-Peripherie) mit dem MPLAB Code Configurator (MCC) von Microchip, einer einfachen grafischen Benutzeroberfläche (GUI), leicht anpassen, um Anwendungscode zu generieren, ohne Datenblätter lesen zu müssen. Mit CIPs können Entwickler jede Systemaufgabe für eine einfachere Funktionsverwaltung aufteilen, was die Anzahl der Komponenten, die Codegröße, die Entwicklungsdauer und den Stromverbrauch reduziert.

In unserer sich schnell verändernden Welt erfordern technische Neuerungen und Fortschritte mehr Rechenleistung, schnellere Datenkommunikation und Miniaturisierung. Während moderne Elektronik zunehmend mit unserer Außenwelt vernetzt ist, werden kleine und energieeffiziente analoge Subsysteme benötigt, um die „reale Welt“ in vernetzten Systemen zu erfassen und zu messen. Da sich Umgebungsdaten in der Regel schrittweise ändern, verfolgen die Designziele gegensätzliche Richtungen.

Effiziente Embedded-Systeme ergeben sich durch die Aufteilung des Systems in verschiedene Geschwindigkeitsbereiche. Dabei wird der schnelle Prozessor über eine Bridge mit den umgebenden Teilen des Systems verbunden, in denen analoge Subsysteme vorhanden sind. Da sich I3C zur Standard-Schnittstelle für die schnelle Chip-zu-Chip-Kommunikation entwickelt, ist es für Entwickler wichtig, fortschrittliche MCUs auszuwählen. Nur so lassen sich die steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit im Digitalbereich unterstützen und hohe analoge Präzision in Designs der nächsten Generation gewährleisten. (sg)

* Greg Robinson ist Corporate Vice President, 8-Bit MCU Business Unit, bei Microchip Technology

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