NXP bietet ein Entwicklungsökosystem für Arm®-Cortex®-M33-MCUs an

Die Cortex®-M33-Kernprozessoren von Arm® sind eine Familie von leistungsstarken Mikrocontrollern (MCUs) mit niedrigem Stromverbrauch, die erweiterte Funktionen für Sicherheit und digitale Signalverarbeitung bieten. Sie eignen sich für eine breite Palette von IoT- und Embedded-Anwendungen, aber die Entwicklung von Produkten mit diesen MCUs kann eine Herausforderung sein, insbesondere für diejenigen, die mit der Arm-Architektur nicht vertraut sind. NXP Semiconductors, ein führender Anbieter von Arm-basierten Mikrocontrollern, will diese Herausforderung mit seiner Entwicklungsplattform MCUXpresso angehen.

Der RISC-Prozessor (Reduced Instruction Set Computing) von Arm dominiert in Marktsegmenten wie Smartphones und Unterhaltungselektronik, wo geringer Stromverbrauch und hohe Leistung entscheidend sind.

Die Cortex-M33-Prozessoren sind energieeffizient und bieten Energiesparmodi, die den Stromverbrauch im aktiven und Ruhezustand reduzieren. Sie eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen wie industrielle Steuerungen, Smart Home, tragbare Geräte und IoT. Sie bieten ein hohes Maß an Flexibilität und Skalierbarkeit, erfordern aber auch eine sorgfältige Optimierung, um den idealen Kompromiss zwischen Leistung, Stromverbrauch und Platzbedarf zu finden.

Cortex-M33-MCUs unterstützen das Embedded Application Binary Interface (EABI) von Arm, das die Binärkompatibilität mit anderen Cortex-M-Prozessoren sicherstellt, so dass sie bestehenden Cortex-M-Code ohne Änderungen ausführen können. Diese Kompatibilität ermöglicht den Zugang zu bestehenden Software-Tools, Bibliotheken und Middleware.

Das MCX-Portfolio von NXP

NXP ist einer der führenden Hersteller von Arm-basierten MCUs, die sowohl für allgemeine Zwecke als auch für die Automobilbranche geeignet sind. Das Unternehmen hat sein MCX-Portfolio als Grundlage für energieeffiziente Edge-Geräte für den Industrie- und IoT-Markt positioniert, mit erweiterter Skalierbarkeit und bahnbrechenden Produktfunktionen.

MCX-MCUs umfassen zwei verschiedene Produktlinien:

• Die Serie MCX N an Industrie- und IoT-MCUs mit zwei Cortex-M33-Kernen, die mit bis zu 150 MHz arbeiten und die eIQ® Neutron Neural Processing Unit (NPU) des Unternehmens zur Beschleunigung des maschinellen Lernens (ML) enthalten. Diese leistungsstarken MCUs mit geringem Stromverbrauch enthalten intelligente Peripheriekomponenten und Beschleuniger, die Multitasking-Fähigkeiten und effiziente Leistung bieten.
• Die Serie MCX A Essential ist eine Produktlinie von Single-Core-Cortex-M33-MCUs, die für die Bereitstellung kritischer Funktionen für Anwendungen optimiert sind, bei denen fortschrittliche analoge Funktionen wie hochpräzise Datenwandler, Kostenbeschränkungen und eine schnelle Markteinführung eine wichtige Rolle spielen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die MCUs MCX A (Abbildung 1) und ihre Entwicklungstools. Die Serie MCX A unterstützt eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Märkten, einschließlich industrieller Kommunikation, intelligenter Messsysteme, Automatisierung und Steuerung, Sensoren sowie stromsparender und batteriebetriebener Geräte. Mit einem gemeinsamen Kern und Peripheriekomponenten können die Vorteile einer vereinfachten Softwareentwicklung, einer erleichterten Migration und von Upgrades genutzt werden.

Abbildung 1: Darstellung des Mikrocontrollers der Serie MCX A von NXP. (Bildquelle: NXP)

Jede Komponente der Serie MCX A enthält eine Auswahl an intelligenten Peripheriekomponenten, die unabhängig von der CPU betrieben werden können, so dass sie mit einer niedrigeren Frequenz und einem geringeren Stromverbrauch arbeiten können. Diese Peripheriekomponenten ermöglichen die Verwendung eines kleineren Gehäuses, ein einfacheres Boarddesign und niedrigere Kosten für die Systemstückliste.

Enthaltene Peripheriekomponenten sind:

• Serielle Kommunikation mit integrierten Puffern, programmierbarem Datenerfassungsbereich und DMA
• Mischsignal-Analog/Digital-Wandler (ADC)
• Digital/Analog-Wandler (DAC)
• Operationsverstärker mit integrierter Intelligenz für Mittelwertbildung und Spitzenwerterkennung
• FlexPWM (Pulsweitenmodulator) mit Totzeitsteuerung und Encoder für Motoranwendungen

Die MCX-A-MCUs verfügen außerdem über eine Energiemanagementeinheit (PMU), die eine dynamische Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS) und eine adaptive Leistungssteuerung (APC) ermöglicht, um den Stromverbrauch je nach Arbeitslast und Betriebsbedingungen zu optimieren. Die Komponenten verfügen über 64 KB oder 128 KB Flash-Speicher und 16 KB oder 32 KB SRAM - alle RAM-Daten bleiben bis zum Deep-Power-Down-Modus erhalten.

Ein 4 KB großer Low-Power-Cache-Controller (LPCAC), der an den Cortex-M33-Codebus angeschlossen ist, sorgt dafür, dass Daten und Befehle mit einer geringen Latenzzeit zur Verfügung stehen können. Die Busverfügbarkeit für andere Peripheriekomponenten wird verbessert, da die Prozessorleistung von der Systemspeicherleistung entkoppelt werden kann. Mit dieser Funktion kann die beste I/O- und Verarbeitungsleistung für Sensor- und Steuerungsanwendungen erzielt werden.

MCX-A-Komponenten arbeiten mit 48 MHz für die A14x-Serie und 96 MHz für die A15x-Serie. Der MCX A verwendet ein LDO-Power-Subsystem, das von 1,7 V bis 3,6 V betrieben werden kann. Die Komponenten zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch in verschiedenen Modi aus:

• 59 µA/MHz (3 V, bei +25°C) im aktiven Modus bei Ausführung von Coremark aus dem internen Flash
• 6,5 µA Deep Sleep, 10 µs Reaktivierungszeit mit voller SRAM-Retention, 3 V bei +25°C
• Weniger als 400 nA im Deep-Power-Down-Modus mit 2,78 ms Reaktivierungszeit

MCX-A-Komponenten enthalten einen Full-Speed-USB-Geräte-Controller mit integriertem PHY, der den Anschluss an PCs und andere Geräte ermöglicht. Das USB-Subsystem verfügt über eine systeminterne Programmierung (ISP) über das Boot-ROM, und die Produkte können über die USB-Schnittstelle vor Ort aktualisiert werden.

Je nach Modell können von 26 bis 52 GPIO-Pins (universelle I/Os) genutzt werden. Zu den seriellen Kommunikationsschnittstellen gehören ein I²C, zwei SPI und drei UARTs. Es gibt drei 32-Bit-Timer, die komplementäre PWM-Paare mit Deadband-Insertion erzeugen können, sowie einen Low-Power-Timer. Die Versorgungsspannung kann zwischen 1,71 und 3,6 V liegen, und die Betriebstemperatur reicht von -40°C bis +125°C.

Der MCXA143VLH der A14x-Serie verfügt beispielsweise über 52 GPIO-Pins und arbeitet mit bis zu 48 MHz, mit 128 KB Flash-Speicher und 32 KB SRAM in einem LQFP64-Gehäuse. Der MCXA152VFT der 15x-Serie verfügt ebenfalls über 52 GPIO-Pins und arbeitet mit bis zu 96 MHz, mit 64 KB Flash-Speicher und 16 KB SRAM in einem QFN48-Gehäuse.

Nutzung von MCUXpresso

Diese MCUs bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten, Leistung und Energieeffizienz. Durch die Unterstützung von mehr GPIO-Pins können kleinere Gehäuse und einfachere Board-Designs genutzt werden.

Die Serie nutzt die Vorteile der MCUXpresso Developer Experience, um den Entwicklungsprozess mit Software, Tools und sicherer Bereitstellung zu vereinfachen, um Designzyklen zu beschleunigen und bei der Erstellung, Fehlersuche und Optimierung von Anwendungen zu helfen. Die MCUXpresso-Plattform umfasst:

• MCUXpresso IDE - eine integrierte Entwicklungsumgebung, die Codebearbeitung, Kompilierung, Debugging und Flash-Programmierung unterstützt
• MCUXpresso Config Tools - eine Reihe von grafischen Tools, die bei der Konfiguration von Pins, Taktgebern, Peripheriegeräten und Sicherheitsfunktionen helfen
• MCUXpresso SDK - ein Softwareentwicklungskit, das eine Sammlung von Treibern, Middleware, Bibliotheken und Beispielen enthält

Die NXP-Entwicklungsboards für die MCX-A-Serie, darunter das FRDM-MCXA153 (Abbildung 2), sind für das schnelle Prototyping und die Entwicklung von Anwendungen mit den Mikrocontrollern A14x und A15x konzipiert.

Abbildung 2: Das Entwicklungsboard FRDM-MCXA153. (Bildquelle: NXP)

Diese Boards sind kompakt und lassen sich leicht in Designprototypen integrieren. Steckleisten nach Industriestandard bieten einen unkomplizierten I/O-Zugang für eine schnelle Evaluierung und ein schnelles Prototyping. Erweiterungsoptionen wie Arduino®-Steckleisten, FRDM-Steckleisten, Pmod™ und mikroBUS™ ermöglichen es, zusätzliche Funktionalitäten und Komponenten problemlos hinzuzufügen.

Zu den weiteren entwicklerfreundlichen Merkmalen gehören integrierte serielle Schnittstellen nach offenem Standard, externer Flash-Speicher und ein integrierter MCU-Link-Debugger mit CMSIS-DAP-Protokoll. Für die Entwicklung kann entweder mit MCUXpresso für Visual Studio Code oder der Eclipse-basierten MCUXpresso IDE von NXP oder mit IDEs von IAR und Keil gearbeitet werden, die ebenfalls eine Sicherheitszertifizierung anbieten.

NXP stellt außerdem ein Application Code Hub (ACH) Repository mit Software-Beispielen, Codeausschnitten und Demos auf hohem Niveau zur Verfügung. Diese Beispiele sind mit dem SDK gekoppelt und können direkt über die IDEs von NXP oder über die ACH-Weboberfläche aufgerufen werden.

Fazit

Die Mikrocontroller der Serie MCX A von NXP bieten eine kostengünstige Lösung mit geringem Platzbedarf. Sie verfügen über wesentliche Funktionen und eine innovative Stromversorgungsarchitektur, die sie für eine breite Palette von Embedded-Anwendungen wie intelligente Zähler, Automatisierung und Steuerung sowie Geräte mit niedrigem Stromverbrauch/Batteriebetrieb prädestinieren. Mit den Mikrocontrollern, Evaluierungsboards und der MCUXpresso-Plattform von NXP können die Vorteile der erweiterten Editier-, Kompilier- und Debugging-Funktionen genutzt werden, um zu entwickeln und zu optimieren und damit Produkte schneller auf den Markt zu bringen.