Návrh vestavných systémů s MCU – internet věcí vyžaduje nové přístupy

Rychlou měrou rostoucí trhy si žádají sjednocenou platformu jak pro software, tak i výchozí „polovodič“. Pojďme těmto otázkám čelit společně, vždyť internet věcí (IoT) zde nabízí nebývalé příležitosti a závratná budou už jen samotná čísla. Analytici ze společnosti Gartner odhadli, že na konci roku 2015 bylo ve světě téměř pět miliard propojených zařízení, což oproti roku 2014 tvořilo nárůst 30 %. O pět let později pak očekávají, že se toto číslo dostane až na 25 miliard. Do roku 2020 kromě toho stejní komentátoři očekávají každoroční expedici 10 miliard propojených zařízení, vyjma počítačů, chytrých telefonů a tabletů, a to vše na trzích, kterým v IDC předpovídají hodnotu převyšující sedm bilionů dolarů.

V jádru těchto nových trhů se nachází 32bitové mikrokontroléry (MCU) – „původ“ inteligence vestavěné do většiny špičkových zařízení a také uzlů v rámci IoT. Na základě úspěšného rozjezdu internetu věcí pak firmy, jako je např. IC Insights, očekávají rostoucí prodeje 32bitových mikrokontrolérů do roku 2018 s mírou CAGR na úrovni 9,5 %.

Jako přední výrobce mikrokontrolérů může společnost Renesas vývojářům nabídnout podstatné výhody. Potenciální zákazníci zde mohou těžit z jedinečných zkušeností v celé řadě stěžejních vertikálních trhů zahrnujících zdravotnickou techniku, domácí spotřebiče, automatizaci budov nebo též výrobních závodů a rovněž řízení energií. Široké znalosti z těchto oborů pak firmě umožňují získat bezkonkurenční porozumění otázkám, kterým vývojáři běžně čelí. A ceněná nabídka společnosti, pokud jde o kvalitu, spolehlivost, podporu a také zabezpečení, je navíc šitá přímo na míru potřebám zákazníků právě na těchto trzích. IoT a jeho trh se však budou lišit.

Jedna z nejnáročnějších otázek spojovaných s trhem IoT spočívá v jeho dopadu na tempo vývoje. Každému je dnes jasné, že pokud se svým produktem na trh prorazí jako první, dosáhne také největšího zisku. Tím však výhoda nad poraženou konkurencí ještě nekončí. Pro většinu součástí totiž na současném trhu postrádáme přijímané průmyslové standardy. Ti, kdo se pak na trh dostanou jako první, budou mít zároveň skvělou příležitost zmiňované standardy ovlivnit a získat před konkurencí další náskok.

Internet věcí a jeho trh za druhé nutí vývojáře vestavných systémů přehodnotit jejich definice návrhu na systémové úrovni. Svou aplikaci totiž musí přestat považovat za samostatnou jednotku a místo toho o ní a také o jejím začlenění do propojeného světa potřebují přemýšlet v širších souvislostech. To je pak přinutí používat i nové technologie.

S tím, jak se nové způsoby komunikace, zabezpečení, uživatelská rozhraní nebo technologie pro snímání stávají stále běžnější záležitostí, budou muset vývojáři vestavných systémů pracující na produktech pro internet věcí zdokonalit své schopnosti a znalosti o vzájemné propojitelnosti, cloudu nebo aplikacích pro přenosná zařízení. Většina mikrokontrolérů, které se aktuálně používají, nebyla v tradičním slova smyslu nikdy připojena k síti. Jen málo vývojářů proto bude mít odborné znalosti potřebné k realizaci takového návrhu. Aby proto na trhu IoT uspěli, bude muset většina z nich pochopit otázky propojitelnosti nebo zabezpečení do větší hloubky. A k tomuto účelu budou rovněž potřebovat větší a také složitější sítě.

Možnost propojení v celosvětovém měřítku zároveň zvyšuje zranitelnost systému. S bezpečnostními riziky se tak potkáváme na každém stupni životního cyklu produktu – od vývoje a výroby až po jeho nasazení a aktualizace na dálku. Většina zařízení připojených k internetu dnes ale bude mít bezpečnostní prvky na nedostatečné úrovni. Aby proto mohli vývojáři naplnit očekávání zákazníka, budou muset související technologie pro zabezpečení zcela nepochybně ovládat daleko lépe.

Složité návrhy vyžadují čas

Každý z těchto trendů tlačí vývojáře k tomu, aby věnoval více času testování a ladění nových funkcí a znovu přitom uvažoval o prioritách svého návrhu. Ale i tak se musí potýkat se závažnou časovou tísní spolu s omezenými prostředky. Pokouší se totiž vyvinout nová vestavná řešení pro trh IoT, ve kterém se životní cykly produktů zkracují, stejně jako doba potřebná k uvedení nového výrobku na trh. V takovém prostředí budou vývojáři, kteří dokáží zkrátit dobu potřebnou pro vývoj, pravděpodobně i úspěšnější. Některé příležitosti jsou totiž doslova „prchavé“.

Přestože trh IoT pokrývá široké spektrum aplikací, většina z nich si vystačí se základním souborem elementárních vlastností a periférií. Aby zde vývojáři uspěli, budou potřebovat mikrokontroléry s početnými perifériemi pro komunikaci, analogovými vstupy a výstupy, dostatečně velkou pamětí přímo na čipu a také rozmanitými bezpečnostními a zabezpečovacími funkcemi. V oblasti vestavného návrhu se však pohybuje spousta výrobců polovodičů dodávajících plnohodnotné mikrokontroléry. Schopnost vytěžit z nadcházející vlny aplikací pro internet věcí co nejvíce se tak bude odvíjet od schopností konkrétního dodavatele mikrokontrolérů snížit zákazníkům celkové náklady plynoucí z vlastnictví a zkrátit dobu potřebnou pro uvedení vyvíjených projektů na trh.

Aby ve světě internetu věcí vývojáři uspěli, musí při integraci vyloučit spoustu časově náročných úkolů nízké úrovně, se kterými se v minulosti běžně potýkali. Tradičně začínají od „polovodiče“ a postupují dále přes řadu alternativ, pokud jde o software a dostupné nástroje, jen aby pro svou konkrétní aplikaci nalezli to nejlepší možné řešení. Svůj drahocenný čas tráví hodnocením každého z dodavatelů, potřebují porozumět jeho licenčním podmínkám a rovněž posoudit náklady na pořízení (IP). A to zakoupením softwaru nebo nástrojů skutečná práce teprve začíná. Čas a energie, kterou vývojáři potřebují ke sledování jednotlivých dodavatelů, může být značná. Ať již to budou nástroje, stack, nebo RTOS, každý z dodavatelů se bude častěji přiklánět spíše k vlastním zavedeným postupům a bude přitom nutit vývojáře držet krok s nejnovějšími verzemi, které zase znamenají nové funkce a vlastnosti.

Ve stejnou chvíli musí vývojový tým trávit čas začleněním veškerých softwarových součástí od různých dodavatelů, testováním a také posuzováním řešení na systémové úrovni pro udržení jeho vysoké kvality, udržovat si přehled o změnách na trhu a také nejnovějších postupech pro dosažení nejlepších možných výsledků. Vývojáři musí neustále odkládat práci na takových stránkách svého návrhu, které jej mohou od druhých skutečně odlišit – dokud neskončíme s kódem pro aplikaci nebo zapracováním nových prvků, dokud vůbec neskončí vývojový cyklus jako takový. Při běhu na „dlouhou trať“ pak vývojáři čelí obrovské nejistotě, stejně jako nebezpečí překročení výdajů a opožděného vstupu na trh.

Jednotné hardwarové/softwarové řešení

Platforma Synergy™ od firmy Renesas je navržena tak, aby zmiňované překážky obcházela. K minimalizaci celkových nákladů plynoucích z vlastnictví a umožnění spuštění rychlého vývoje kódu pro danou aplikaci tato platforma zachází s hardwarem a softwarem jako s jediným spojeným produktem. Výhody z toho plynoucí přitom začínají již na úrovni polovodiče. Platforma Synergy od Renesas bude vystavěna okolo rodiny vzájemně kompatibilních a dále rozšiřitelných mikrokontrolérů založených na jádru ARM® Cortex®-M. Vývoj produktu rovněž zjednodušují společné vlastnosti napříč portfoliem MCU. Tyto vzestupně kompatibilní mikrokontroléry v sobě spojují mimořádně nízkou vlastní spotřebu spolu s malými rozměry pouzdra, rozsáhlým souborem periférií a také až 4 MB vnitřní paměti typu Flash pro uložení kódu. Abychom mohli dále vyhovět nově vznikajícím požadavkům ze světa internetu věcí, nabídne každý mikrokontrolér různorodá řešení komunikačních rozhraní a také řadu bezpečnostních a zabezpečovacích prvků.

Skutečný přínos v otázce snižování nákladů a rychlejšího vývoje ale dostáváme na softwarové úrovni. Každý mikrokontrolér totiž v rámci platformy Synergy přichází s komplexní nabídkou prověřených softwarových součástí a nástrojů. Balíček SSP (Synergy Software Package) od Renesas zahrnutý již v ceně konkrétního mikrokontroléru obsahuje veškeré klíčové softwarové části, které budou vývojáři k vystavění základních systémových funkcí nezbytných pro jakýkoli projekt určený pro internet věcí potřebovat.

SSP, který je vystavěn okolo RTOS ThreadX® od Express Logic, obsahuje součásti middleware (X-Ware™ od Express Logic) a přidává pro MCU specifické softwarové komponenty typu driverů, middlewaru, knihoven a flexibilního frameworku s API. Veškeré součásti platformy již přitom budou integrovány, testovány a prověřeny, jsou dále rozšiřitelné a opakovaně použitelné. Ve výsledku tak vývojáři stráví méně času implementací driveru, integrací middlewaru nebo RTOS a mohou se více věnovat skutečně inovačním stránkám svého návrhu.

SSP se však hodně liší od typických softwarových řešení vývojářů embedded systémů vytvořených jen k tomuto účelu (ad hoc). Tento balíček vyvinutý s využitím nejlepších akceptovatelných postupů v oboru bude odpovídajícím softwarovým produktem spolu s průvodním datasheetem dokumentujícím naměřené výkonnostní charakteristiky. Takový softwarový datasheet pro mikrokontroléry zde bude jako první – žádný jiný dodavatel MCU totiž pro své mikrokontroléry specifické chování v rámci stanovené SW dokumentace nezaručuje. SSP vyhovuje obecně přijímaným standardům, testům a srovnávacím ukazatelům typu MISRA a Coremark, stejně jako vydaným metrikám SQA, dokumentovaným procesům a postupům vztahujícím se k životnímu cyklu produktu. Společnost Renesas kromě toho pro své SSP poskytuje plnou podporu na produktové úrovni spolu s plánovanými aktualizacemi a vylepšeními nebo odstraňováním chyb, včetně sledování, publikování a správy celé věci.

Díky platformě Synergy bude pro vývojáře snazší začít – vývoj svých koncových produktů totiž mohou spustit mnohem jednodušeji než v případě tradičních postupů. ISDE (Integrated Solution Development Environment), studio e2 založené na Eclipse, a také zahrnutý kompilátor C jsou poskytovány bezplatně (GNU), příp. lze zakoupit komerční kompilátor od IAR. Vývojáři pak mohou začít plnohodnotně pracovat zakoupením kteréhokoli z řady velmi levných, vývojových nebo též „starter“ kitů dostupných v rámci platformy Synergy od Renesas pro každou sérii mikrokontrolérů. Jednoduchá registrace kitu pak automaticky zaručuje plná práva k vývoji s kompletním SSP (Synergy Software Package).

ISDE rovněž znamená další úroveň inovací, pokud jde o kontextovou asistenci v reálném čase s využitím sjednocené „smart“ dokumentace pro software a mikrokontroléry. S touto novou možností již vývojáři nemusí procházet tisíce samostatných stránek v dokumentaci a dokáží tak nejen ušetřit čas, ale také zabránit případným chybám.

Závěr

Investice do trhu spojeného s internetem věcí jsou skutečně vysoké. V krátkodobém horizontu pěti let analytici očekávají každoroční expedici více než 10 miliard nových propojených zařízení. Silně nabuzené konkurenční prostředí pak dává tušit, že si již s tradičními způsoby vývoje produktů pravděpodobně nevystačíme.

Každá část platformy Synergy od společnosti Renesas – polovodiče, software, ekosystém nástrojů, kity nebo referenční návrhy – zde bude přispívat ke společnému cíli: kratšímu a svižnějšímu vývojovému cyklu. Na základě zjednodušení, vyloučení nebo jen omezení spousty úkolů spojovaných s vývojovými projekty tato nová možnost slibuje zkrácení celého cyklu. Na vysoce dynamickém trhu s produkty pro internet věcí může taková výhoda znamenat rozdíl mezi úspěchem, nebo též nezdarem.