Lançados novos Microcontroladores para IoT - Parte 1/2

Esta semana do dia 26 de outubro de 2016 foi lançado dois novos microcontroladores ARM da Família Cortex-M com foco exclusivo em IoT.

o Lançamento da Família Cortex-M

A família cortex-M nasceu em 19 de outubro de 2004, quando a ARM revolucionou o mercado trazendo um conceito de chips 32bit para o nicho de microcontroladores, até então todos se gabavam, e até hoje alguns ainda insistem em viver no passado com o argumento que não precisam mais de 8 bits para desenvolver suas soluções. Sem dúvida muitas soluções se resolvem com menos de 8 bits, porém não é só de bits que se trata este novo conceito de processadores para microcontroladores.

A adoção dos microcontroladores ARM desde então foi rápida e sem traumas, já que a ARM manteve compátibilidade entre as familias usando subconjuntos de instruções, facilitando assim a migração dos programadores ARM de outros nichos sem traumas para o nicho de microcontroladores.

Desde então a família de microcontroladores tem crescido, sendo composta hoje pelos microcontroladores Cortex-M0, CortexM0+, Cortex-M1, Cortex-M23, Cortex-M33, Cortex-M3, Cortex-M4 e Cortex-M7.

Cada um destes microcontroladores busca atender um nicho dentro do mercado de microcontroladores, trazendo sempre a arquiteutra Risc de 32 bits como sendo sua base, e o conjunto de instruções ARM Thumb de 16bits, porém capaz de tratar dados e transferi-los em blocos de 32 bits, com exceção dos novos Cortex-M33 e Cortex-M23 que são também com instruções de 32bits.

Em novembro de 2010 a ARM lançou mais um perfil arquitetural para sua família de microcontroladores chamado ARMv8-M, que traz novos recursos para uso em IoT fundamentados na segurança através da tecnologia TrustZone, entre outros recursos.

Já em 25 de outubro de 2016, nesta semana a arm lança os dois primeiros chips que usam a arquitetura ARMv8-M especifica para microcontroladores, vejamos um pouco mais desta arquitetura para entendermos o que ela nos trás de tão importante.

A arquitetura ARMv8-M

O perfil ARMv8 está presente nas três familias de processadores ARM, sendo ARMv8-A, ARMv8-R e ARMv8-M com destaque nos recursos apresentados na figura abaixo.

Como pode ser visto, todos possuem instruções 32bits, sendo o Cortex-M provido apenas com o conjunto de instruções T32/Thumb™

Abaixo está o video de Mike Muller, CTO da ARM, anunciando esta semana o lançamento de dois novos processadores Cortex-M baseados na arquitetura ARMv8-M.

A arquitetura ARMv8-M

ARMv8-M é uma arquitetura para esta nova geração da família de microcontroladores Cortex-M que tem como caracteristica serem deterministicos em tempo real e para uso embarcado, sendo a base para soluções embarcadas de alta produtividade e segurança.

A Arquitetura ARMv8-M é focada na produtividade e segurança facilitando o desenvolvimento de aplicações para o mercado IoT e Embarcados. Reduzindo a complexidade de desenvolvimento de soluções embarcadas seguras em SoCs complexos.

ARMv8-M além de adicionar baixo overhead com sua extenção de segurança baseada no ARM TrustZone®, também aperfeiçoa o mecanismo de Depuração e Rastreio de instruções com mais breakpoints e watchpoints flexíveis que melhoram a produtividade. Traz também uma unidade de proteção de mémoria MPU mais simples de programar. E dois sub-perfis para atender projetos mid-range e high end.

ARMv8-M tem como baseline extendendo o ARMv6-M com:

• Hardware para divisão para operações mais rápidas com Inteiros.
• Instruções de comparação e ramificação para controle de código rápido.
• Ramificação longa para optimizar linkagem, incluindo longas chamadas cruzadas.
• Semaforos comuns para uso por multíplos processadores.
• Bits ativos para repriorização dinamica de interrupções.
• Sporte avançado para sistemas multiprocessador com adição de instruções para tipos de dados atômicos do C11 (instruções load-acquire e store-release)

Na linha principal de recurso o ARMv8-M tem total capacidade para aplicações embarcadas:

• Altamente escalavel e configurável.
• Adicionada extenso conjunto de instruções 32bit para uma performance significantemente acima do ARMv6-M
• Possui um DSP para inteiros e extenção de ponto flutuante opcional para processamento de sinais mais eficiente.
• Coprocesador opcional para suporte a aceleração por hardware.

Para melhorar a produtividade de software ARMv8-M também adiciona:

Um modelo de programação simplificado para a unidade de proteção de mémoria. Permitindo definir a região apenas definindo o inicio e fim do endereçamento. Encoragando os desenvolvedores a ativar a proteção de memoria resultando no almento da reliabilidade do software.

Aperfeiçoamento na depuração com melhoria no rastreamento e breackpoints taais como suporte suspensão em faixas de endereços de 32bit.

Adiciona um rastreamento mais amplo e extensão de depuração self-hosted para tornar a depuração e rastreamento mais fácil em sistemas embarcados, reduzindo dramaticamente o esforço de projeto e liberação de ciclos.

O TrustZone para ARMv8-M é conceitualmene similar à tecnologia TrustZone usado em processadores Cortex-, mas é otimizado para aplicações embarcadas que demandam um consumo de energia ultra baixo.

O TrustZone para ARMv8-M é projetado para:

• Segurança acessível para processadores pequenos e de baixo consumo de energia.
• Habilitar multiplos domínios de segurança para software.
• Simplificação da segurança de dispositivos embarcados através da separação do código seguro.
• Restrição de acesso para garantir a memória e I/O apenas para para softwares confiáveis.
• Baixo overhead para chamadas cross-domain.
• Preservação da baixa latencia de interrupções para ambos domínios, seguros e não seguros
• compatiblidade de barramento com sistemas Cortex-A, habilitando estados de segurança TrustZone extenderem através de sistemas Cortex-A e Cortex-M.

Exemplos de uso:

• Nós IoT seguros.
• Simplific o deploy de softwares de multiplas origens.
• Armazenamento e processamento seguro de informações confidênciais.
• Proteção de propriedade intelectual do Firmware.
• Restrição de acesso a software convidado, através de sandboxing.
• Restrição de acesso a periféricos e I/O para softwares confiáveis

Para complementar a arquitetura ARMv8-M, a especificação AMBA® 5 AHB5 foi desenvolvida para extender a segurança do TrustZone para todo o projeto do embarcado além do processador. Este padrão de interconexão adiciona controles de segurança como também extende os tipos de mémoria requeridos para embarcados de alta performance e suporte.

A Família ARM então recebe agora os dois novos microcontroladorres empoderados com a arquitetura ARMv8-M, sendo o Cortex-M23 para dispositívos de menor tamanho e restrições de energia, e o Cortex-M33 para uso em dispositivos mais complexos.

Ambos os microcontroladores já tem fornecedores trabalhando para sua produção e em breve veremos no mercado os novos chips.

Tais chips não nascerão sem um ecosistema capaz de desenvolver código específico e otimizado para seus novos recursos, além de permitir rodar naturalmente os códigos escritos para seus irmãos da Família Cortex-M, sem os recursos de segurança. As grandes ferramentas de desenvolvimento do mercado já estão se preparando para gerar códigos natívos para os novos microcontroladores, veja na figura:

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