8-разрядные микроконтроллеры AVR корпорации Atmel: новинки и тенденции развития

Рис. 1. Спектр предлагаемых микроконтроллеров корпорации Atmel

Встатье рассмотрены новые технологии,
применяемые при производстве микроконтроллеров AVR (picoPower, обновление этой технологии), сплавы, используемые для финишного покрытия выводов,
новинки микроконтроллеров и отладочных
средств.

Технология picoPower

В последние годы усилия фирмы Atmel по
развитию архитектуры AVR были сконцентрированы на мероприятиях по снижению
энергопотребления кристаллов. Разработанные технологии были объединены под общим названием picoPower, а в обозначении
микросхем появился суффикс “P” (например,
ATmega169P).

Оптимизация энергопотребления в энергосберегающих режимах была выбрана приоритетным направлением. Можно выделить
следующее:

• Снижены токи утечки за счет оптимизации технологического процесса производства кристаллов.
• Расширен диапазон питающего напряжения микроконтроллеров. Нижний порог питающих напряжений снижен с 2,7 до 1,8 В
  и составляет теперь 1,8–5,5 В. Память (Flash,
  EEPROM, ОЗУ) и периферийные узлы,
  в том числе и аналоговая часть, работают
  при напряжении питания от 1,8 В, что позволяет снизить энергопотребление.
• На кристалл интегрирован низкочастотный тактовый генератор 32 кГц, потребление которого незначительно по сравнению
  с суммарным энергопотреблением в режиме Power-Save.
• Предусмотрена возможность отключения
  блока контроля питания (Brown-out Detection,
  BOD) при переходе в режим энергосбережения.

Совершенствование технологического процесса при производстве кристаллов и расширение функциональных возможностей позволили заметно снизить энергопотребление
микроконтроллеров AVR и в активном режиме работы. Из реализованных компанией
Atmel механизмов можно выделить:

• Отключение тактового сигнала (Clock gating):
  • Возможность останова каждого отдельного периферийного блока микроконтроллера благодаря регистрам снижения
    энергопотребления (Power Reduction
    Register, PRR), обеспечивающим отключение тактового сигнала от периферийных узлов.
  • Содержимое регистров обновляется
    только при изменении входных данных.
• Питание Flash-памяти включается только
  на время выборки команды (Flash sampling).
• Добавлены регистры запрещения буфера
  цифрового ввода для линий ввода/вывода
  общего назначения (Digital Input Disable
  Registers, DIDR).

Обновленный
технологический процесс

В 2008 году были представлены новые версии микроконтроллеров с улучшенными показателями энергопотребления, которые получены за счет дополнительного усовершенствования технологического процесса производства микросхем. Обновленный технологический процесс будет использоваться:

• В микроконтроллерах, выпускаемых по технологии picoPower (в наименовании суффикс “P” будет заменен на суффикс “PA”,
  например, ATmega324PA). Новые версии
  микроконтроллеров будут иметь меньший
  ток потребления: в активном режиме на
  30–45% и в энергосберегающих режимах на
  42–54% (пример приведен в таблице 1).
• В микроконтроллерах, выпускаемых ранее
  без применения технологии picoPower
  (в наименовании прибавится суффикс “А”,
  например, ATtiny13A). У новых версий
  этих микроконтроллеров ток потребления
  уменьшится: в активном режиме на 12–45%,
  а в энергосберегающих режимах — на
  13–90% (пример приведен в таблице 2).
• В новых сериях микроконтроллеров (суффикс “A” в наименовании использоваться
  не будет, например, ATtiny48/88).

Таблица 1. Сравнение энергопотребления
ATmega324P и ATmega324PA

Таблица 2. Сравнение энергопотребления
ATtiny13 и ATtiny13A

Для микроконтроллеров, выпускаемых по
обновленному технологическому процессу,
будет использоваться унифицированное наименование. Микроконтроллеры, которые
ранее выходили в двух вариантах исполнения (с диапазоном напряжения питания
4,5–5,5 В и 1,8–5,5 В), теперь имеют один код
для заказа и расширенный диапазон питания
1,8–5,5 В. При этом рекомендуемая рабочая
частота при напряжении питания 1,8 В не
должна превышать 4 МГц. Пример формирования нового унифицированного наименования для ATmega48 приведен в таблице 3.

Таблица 3. Унифицированное наименование
для новой версии микроконтроллера ATmega48

Все микроконтроллеры, которые производятся с применением новых технологий, повыводно и функционально совместимы
с предыдущими версиями. Выпускаются специальные руководства по применению, описывающие различия в кристаллах. Старые
версии микроконтроллеров будут постепенно сниматься с производства. Приведем список анонсированных на середину 2009 года
микроконтроллеров, которые будут выпускаться по обновленной технологии:

• ATtiny48;
• ATtiny88;
• ATtiny13A;
• ATtiny24A;
• ATtiny44A;
• ATtiny861A;
• ATmega48PA;
• ATmega88PA;
• ATmega16A;
• ATmega32A;
• ATmega16U2;
• AT90USB162A;
• ATmega168PA;
• ATxmega164A;
• ATmega165PA;
• ATmega169PA;
• ATmega324PA;
• ATmega328P;
• ATmega128A;
• ATmega1284P;
• ATmega64A.

Финишное покрытие выводов

Еще одна тенденция, которую можно отметить, это все большее использование для
финишного покрытия выводов состава
NiPdAu (никель-палладий-золото). NiPdAu
позволяет уменьшить вероятность возникновения дефекта кристаллических образований («усов») и, соответственно, предохраняет от возникновения короткого замыкания
при использовании микросхем с малым шагом выводов.

Благодаря высокому качеству финишного
покрытия NiPdAu, его использование становится общей тенденцией не только у корпорации Atmel, но и у других производителей. Корпуса с финишным покрытием выводов NiPdAu
полностью соответствуют стандарту RoHS.
Описание химического состава и финишного покрытия выводов в процентном соотношении для различных корпусов микросхем
Atmel можно найти по ссылке: http://www.atmel.com/green/pmdds.asp#NiPdAuPlating.

Условия хранения и пайки микросхем,
включая микросхемы с финишным покрытием NiPdAu, регулируются стандартом JEDEC:
документы J-STD-020D [1] и J-STD-033B.
Наиболее распространенным на данный момент у корпорации Atmel является финишное
покрытие Matte Sn (чистое олово). Поскольку термопрофили, используемые для монтажа компонентов с финишными покрытиями
NiPdAu и Matte Sn, одинаковы, неудобства
при монтаже с переходом на другое финишное покрытие не возникнет.

Финишное покрытие выводов NiPdAu в наименовании микросхемы будет обозначаться
буквой H (для индустриального диапазона), например ATTiny13A-SH вместо ATTiny13A-SU.

Новые микроконтроллеры AVR
в 2009 году

Корпорация Atmel анонсировала в этом году 3 принципиально новых линейки микроконтроллеров в семействе tiny (табл. 4)

Таблица 4. Новые микроконтроллеры AVR

Новые микроконтроллеры ATtiny48/88
призваны заполнить промежуток между семействами tiny иmega и представляют собой
упрощенную версию ATmega48/88. Это микроконтроллер в корпусе с 32 выводами, он
содержит интерфейсы TWI (I2C), SPI, 28 линий ввода/вывода общего назначения, 10-разрядный АЦП. Как и все новые микроконтроллеры, он выпускается с использованием
технологии picoPower и содержит регистры
PRR и DIDR, BOD с возможностью отключения в спящем режиме.

Новые микроконтроллеры AVR ATtiny23U/
43U имеют ультранизкий порог питающего
напряжения. Благодаря встроенному импульсному повышающему преобразователю,
они могут работать от 0,7 В, идеально подходят для приложений с батарейным питанием и могут получать питание, например,
от одной батареи типа ААА. Микроконтроллеры ATtiny23U/43U содержат 2K/4K Flashпамяти, 64 байт EEPROM, 128/256 байт ОЗУ,
два 8-разрядных таймера/счетчика, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, BOD,
датчик температуры, 10-разрядный АЦП, интерфейсы SPI, USI. Отладка приложений
и программирование (за исключением fuse-
битов) может осуществляться по интерфейсу debugWire.

Новый кристалл AVR ATtiny10 является
первым микроконтроллером, выпущенным
корпорацией Atmel в миниатюрном корпусе
SOT23-6 размером 2,9×1,6 мм, который имеет
всего 6 выводов. Микроконтроллер предназначен для бюджетных приложений и может
служить альтернативой снятому с производства ATtiny11. ATtiny10 содержит 1 кбайт
Flash-памяти программ, 32 байт SRAM, 8-разрядный АЦП, аналоговый компаратор,
16-разрядный таймер/счетчик с ШИМ, сторожевой таймер. Напряжение питания составляет 1,8–5,5 В, максимальная рабочая частота — 12 МГц.

ATtiny10 совместим повыводно с микроконтроллерами семейства PIC10F компании
Microchip. По сравнению с PIC10F, ATtiny10
имеет более высокую степень интеграции
(16-разрядный таймер/счетчик с ШИМ, наличие АЦП и аналогового компаратора, больший объем памяти SRAM), более высокую
производительность.

Программирование микроконтроллера
ATtiny10 осуществляется по 3-проводному
интерфейсу TPI (Tiny Programming Interface)
с помощью стартового набора ATSTK600
и интегрированной среды разработки AVR
Studio (начиная с версии 4.16 и старше). Программатор ATAVRISP2 и внутрисхемный эмулятор ATJTAGICE2 фирмы Atmel не поддерживают интерфейс TPI.

ATtiny10 не является в прямом смысле внутрисхемно-программируемым, тем не менее,
программирование в системе (in-system) возможно. Для программирования по интерфейсу TPI необходимо напряжение 5 В. Если устройство работает от 1,8 В, для программирования необходимо увеличивать это напряжение
до 5 В. Также следует учесть, что при программировании используются 2 линии ввода/вывода и вывод RESET (интерфейс TPI). Внешний программатор должен иметь возможность использовать эти выводы, при том, что
линий ввода/вывода у этого микроконтроллера всего четыре. То есть программирование в системе возможно, но не очень удобно.
В настоящее время Atmel не предлагает своего внешнего программатора для ATtiny10,
программировать микросхему можно только установкой ATtiny10 на плату стартового
набора STK600.

Для серийного производства есть еще один
вариант программирования ATtiny10 — запись прошивки в микроконтроллер ATtiny10
на фабрике Atmel. Такую услугу оказывают
для партий объемом не менее 200 тысяч штук.

Отладочные средства

Стартовый набор STK600

Стартовый набор STK600 может служить
основой для разработчика при работе с 32-разрядными микроконтроллерами UC3A/UC3B
и 8-разрядными AVR (tiny/mega/XMEGA). Он
построен аналогично STK500 для AVR: базовая плата + мезонинный модуль. Базовая
плата содержит: разъемы RS-232, JTAG, USB
(device), mini-USB (OTG), преобразователи
физического уровня CAN и LIN, 8 светодиодов, 8 кнопок, память DataFlash 2 Mбит. Все
порты микроконтроллеров выведены на отдельные разъемы на плате (рис. 2).

Рис. 2. Отладочная плата STK600

Мезонинные платы содержат панели с нулевым усилием (ZIF) для установки микроконтроллера. Для поддержки разных микроконтроллеров в одинаковых корпусах, но с различным расположением выводов, мезонины
устанавливаются в базовую плату через переходные платы (рис. 3).

Рис. 3. Примеры наборов мезонинных плат для STK600

В штатной комплектации (код для заказа
ATSTK600) поставляется базовая плата с мезонинной платой, на которой распаян микроконтроллер ATmega2560 (STK600-ATMEGA2560).
Мезонинные модули для других микроконтроллеров (укомплектованные переходными
платами) заказываются отдельно. Доступные
на момент написания статьи варианты наборов мезонинных плат приведены в таблице 5.

Таблица 5. Варианты мезонинных наборов для STK600

STK600 позволяет осуществлять как последовательное внутрисхемное, так и параллельное высоковольтное программирование.
Последнее доступно для микроконтроллеров,
установленных в STK600. Последовательное
внутрисхемное программирование осуществляется для микроконтроллеров, как установленных в STK600, так и на целевой плате.
Интерфейсы программирования: SPI, TPI,
JTAG или PDI.

Внутрисхемный эмулятор AVRONEKIT

Универсальный внутрисхемный эмулятор
AVRONEKIT (рис. 4) предназначен для всех
микроконтроллеров AVR и AVR32: он поддерживает программирование по интерфейсам
SPI, JTAG, PDI и внутрисхемную отладку по
интерфейсам JTAG, debugWire, PDI и Nexus.

Рис. 4. Внутрисхемный эмулятор AVRONEKIT

В отличие от JTAGICE2 и AVRDragon,
AVRONEKIT содержит буфер трассировки
128 Мбайт и поддерживает высокоскоростное
потоковое или буферизируемое считывание
трассы по интерфейсу Nexus. AVRONEKIT
также позволяет осуществлять запись трассы в момент выполнения программы. Анализ трассы при отладке сегмента кода позволяет в дальнейшем оценить поведение кристалла в реальной системе на максимальных
предусмотренных скоростях.

AVRONEKIT поддерживает функцию Live
debug, позволяющую входить в режим отладки выполняющегося на микроконтроллере
XMEGA приложения (не генерируя RESET
и не меняя содержимого регистров и памяти).

Заключение

Популярная линейка 8-разрядных микроконтроллеров AVR продолжает активно развиваться и усовершенствоваться: снижается
энергопотребление кристаллов, появляются
микроконтроллеры с новыми возможностями и новым функционалом, выпускаются
новые отладочные средства и программные
средства.

Литература

1. http://www.jedec.org/download/search/JSTD020D-01
2. Микроконтроллеры AVR и AVR32: перспективные новинки. ООО «ЭФО», 2009.