Основные преимущества 16-разрядных RISC-микроконтроллеров MSP430 производства Texas Instruments – малое энергопотребление и развитая экосистема разработки. Это делает идеальным их применение в приложениях с батарейным питанием.

Первые модели 16-разрядных RISC-микроконтроллеров MSP430 компания Texas Instruments представила в 1999 году. Кроме нестандартной (по тем временам) разрядности представители этого семейства отличались еще и ультрамалым энергопотреблением, что сразу привлекло к ним внимание разработчиков устройств с батарейным питанием, в которых, как известно, снижение потребляемого тока даже на один микроампер позволяет значительно увеличить время автономной работы. На сегодняшний день семейство MSP430 насчитывает более 500 приборов и с каждым годом завоевывает все большую популярность у разработчиков электроники благодаря целому ряду ключевых преимуществ.
Ключевые преимущества семейства MSP430

Разрядность 16-бит. Для современных измерительных устройств и систем возможностей существующих 8-разрядных платформ очень часто оказывается недостаточно, а построение их на основе 32-разрядных решений приводит к появлению ненужной избыточности и необоснованного повышения энергопотребления. В этом случае 16-разрядные микроконтроллеры MSP430 являются наилучшим выбором, поскольку они, не имея ограничений, присущих 8-разрядных системам, обладают соизмеримой с ними стоимостью и экономичностью.

Ортогональная система команд. Все микроконтроллеры MSP430 имеют одинаковый набор из 27 продуманных ортогональных инструкций, позволяющих добиться высокой плотности кода. Это означает, что при одной и той же функциональности прошивка микроконтроллера MSP430 потребует меньшего количества памяти программ, чем для 8-разрядных платформ.

Ультрамалое энергопотребление. Возможность тактирования каждого периферийного модуля асинхронно от ядра позволило создать множество вариантов энергосберегающих режимов и довести ток потребления в самом экономичном из них до 15 нА. Очевидно, что это свойство наилучшим образом подходит для устройств с батарейным питанием, многие из которых являются основой для широкого круга интеллектуальных систем.

Энергонезависимая сегнетоэлектрическая память FRAM – одно из ключевых преимуществ семейства. Сегнетоэлектрическая память FRAM с произвольным доступом по производительности не уступает традиционным статическим ОЗУ, но при этом, в отличие от них, сохраняет данные при отключении питания. Это позволяет позиционировать семейство MSP430 не только в качестве замены традиционных микроконтроллеров с Flash-памятью, но и для приложений, требующих настоящего энергонезависимого ОЗУ, например, в системах сбора и накопления данных, где необходимо часто обновлять или перезаписывать информацию «на лету».

Развитая периферия. Кроме традиционных портов ввода-вывода общего назначения (GPIO) микроконтроллеры MSP430 могут содержать узлы, необходимые для работы с аналоговыми сигналами (АЦП, ЦАП, компараторы, операционные и трансимпедансные усилители) и цифровыми сигналами (таймеры, ШИМ-модуляторы, сигнальные процессоры, модули расчета CRC). В состав каждого, даже самого простого микроконтроллера обычно входит как минимум один модуль, позволяющий ему обмениваться данными с помощью популярных интерфейсов: USART, SPI, USB и других. Кроме этого, в семействе MSP430 существуют специализированные микроконтроллеры, предназначенные для работы с жидкокристаллическими индикаторами, сенсорными клавиатурами, ультразвуковыми датчиками и другой специфической аппаратурой.

Всесторонняя техническая поддержка. Компания Texas Instruments в рамках концепции «One Platform, One Ecosystem, Endless Possibilities» («одна платформа, одна экосистема, безграничные возможности») обязуется поддерживать разработчика на каждом этапе работы над проектом. С официального сайта компании можно скачать подробную техническую документацию на все микроконтроллеры семейства, бесплатные инструменты для разработки программного обеспечения, примеры готовых проектов с исходным кодом, обучающие информационные текстовые и видеоматериалы, а также заказать отладочные и демонстрационные платы. Кроме этого, семейство MSP430 поддерживается многими сторонними производителями, предлагающими свои инструменты для работы с данными приборами, например, среду разработки программного обеспечения IAR Embedded Workbench от шведской компании IAR Systems.
Ключевые направления использования семейства MSP430

Устройства с батарейным питанием. Ультрамалое потребление в сочетании с повышенной разрядностью и возможностью организации энергонезависимой оперативной памяти уже давно стало «визитной карточкой» этого семейства. Поэтому одно из ключевых направлений использования микроконтроллеров MSP430 – автономные устройства с батарейным питанием, например, устройства Интернета вещей (IoT-устройства).

Замена специализированных микросхем. Это направление сформировалось относительно недавно и заключается в замене традиционных узкоспециализированных микросхем, таких как энергонезависимая память, преобразователи интерфейсов, контроллеры сброса, мониторы питания, часы реального времени и многие другие, более функциональными аналогами на основе микроконтроллеров MSP430. Такой подход позволяет не только снизить стоимость устройства, поскольку в большинстве случаев решения на основе MSP430 будут стоить дешевле, но и повысить функциональность этих узлов за счет возможности гибкой настройки и программирования, в том числе и в реальном времени. Для поддержки этого направления была запущена специальная программа «25 функций за 25 центов», в рамках которой можно скачать примеры реализации 25 наиболее популярных узлов, используемых в современной радиоаппаратуре.

Традиционные автоматизированные устройства и системы. Наличие специфических особенностей не означает, что микроконтроллеры MSP430 нельзя использовать в традиционных устройствах и системах. Напротив, за счет повышенной разрядности реализовать систему на основе MSP430 можно проще и быстрее, чем на традиционных 8-разрядных микроконтроллерах. А малое энергопотребление и привлекательная цена будут являться дополнительными стимулами для выбора этой платформы.
Архитектура микроконтроллеров семейства MSP430

Структурная схема микроконтроллеров MSP430 показана на рисунке 1. Как видно из рисунка, в этом семействе используется архитектура фон Неймана с единым адресным пространством для команд и данных.

Любой периферийный модуль микроконтроллера может тактироваться асинхронно от ядра, что позволяет гибко настраивать его рабочую частоту, а значит – и энергопотребление микросхемы в целом. Кроме этого, в составе подсистемы распределения тактовой частоты (Clock System Control, CSC) присутствует встроенный RC-генератор с программируемой частотой (Digital Controlled Oscillator, DCO) и очень малым временем выхода из режима пониженного энергопотребления, составляющим менее 10 мкс. Это позволяет создавать устройства с минимально возможным временем отклика и уменьшать энергопотребление без ущерба для скорости обработки информации.

Другой ключевой особенностью микроконтроллеров семейства MSP430 ValueLine является использование энергонезависимой сегнетоэлектрической оперативной памяти с произвольным доступом (Ferroelectric Random Access Memory, FRAM) для хранения программного кода и пользовательских настроек. Обладая производительностью, эквивалентной производительности традиционных статических ОЗУ (SRAM), FRAM сохраняет данные при отключении питания и при этом обладает впечатляющим сроком службы, составляющим не менее 1015 циклов перезаписи, что намного превышает ресурс самой высококачественной Flash-памяти (обычно 106 циклов). Кроме этого, для записи в сегнетоэлектрическую ячейку требуется намного меньше энергии, чем при использовании технологии Flash. Это означает, что использование FRAM, помимо общего уменьшения энергопотребления, дает значительный выигрыш в быстродействии микроконтроллера за счет увеличения скорости выполнения команд.

Поскольку FRAM поддерживает режимы побайтного (8-бит) и пословного (16-бит) доступа, то у разработчиков появляется возможность ее гибкого сегментирования на память программ, память данных (для хранения настроек) и энергонезависимое ОЗУ. Помимо общей оптимизации использования памяти, это открывает разработчикам совершенно новые возможности, позволяя создавать устройства, реализация которых на основе микроконтроллеров с традиционной SRAM была бы крайне затруднена.

Среди интерфейсных модулей следует особо отметить модуль USB, отличающийся наличием собственной подсистемы питания из двух LDO-стабилизаторов, формирующих из входного напряжения 5-вольтовой USB-шины два напряжения: 3,3 В и 1,8 В. Очевидно, что наличие столь высокоинтегрированного решения значительно упрощает разработку устройств с USB-интерфейсом.
Линейки микроконтроллеров семейства MSP430

На данный момент семейство микроконтроллеров MSP430 представлено тремя линейками:

    Value Line (MSP430FR2xxx);
    CapTIvate (MSP430FR25x/26x);
    Ultrasonic Sensing (MSP430FR504x/604x).

Микроконтроллеры линейки Value Line (таблица 1) обладают высокой производительностью и плотностью кода, характерными для 16-разрядных приложений, в сочетании с традиционными для 8-разрядных решений экономичностью и невысокой стоимостью. Особенностью этой линейки является возможность работы в широком диапазоне питающих напряжений 1,8…3,6 В и ультрамалый ток потребления, максимальное значение которого в активном режиме не превышает 2 мА, в режиме ожидания – менее 1 мкА, а в выключенном состоянии – всего 15 нА. Все это делает их идеальными для малогабаритных и портативных устройств с батарейным питанием.