Historiquement, le domaine des microcontrôleurs est gouverné par une loi incontournable : l'utilisateur doit se sentir en confiance. La catégorie des 8 bits ayant bâti son succès sur quelques architectures propriétaires, devenues des standards de fait, les modèles 16 bits n'ont eu d'autres choix que de proposer des versions dopées de ces célèbres structures. Malheureusement, la recette n'était plus applicable aux cas des microcontrôleurs 32 bits qui, eux, relèvent du monde des microprocesseurs ( Electronique n° 154, page 62).

Le défi des fournisseurs de contrôleurs 32 bits fut donc de calmer les inquiétudes des concepteurs concernant le coût et le portage de leurs applications. Si des coeurs notoires comme les PowerPC de Freescale, SuperH de Renesas, FR de Fujitsu et autres V850 de Nec ont brillamment gagné le pari, la palme d'or revient incontestablement aux CPU d'Arm. Les qualités intrinsèques de l'architecture, l'environnement de développement très élaboré et le succès acquis dans le monde des Asic sont autant de paramètres qui ne sont pas étrangers à l'engouement important des différents fabricants pour les coeurs Arm. Ainsi, pas moins de neuf sociétés font reposer certains de leurs produits sur un tel coeur : Analog Devices, Atmel, Freescale, NetSilicon, NXP, Oki, Sharp, STMicroelectronics et Texas Instruments.

Le premier coeur apprivoisé fut l'Arm7TDMI. Puis, avec le temps et une confiance grandissante, des versions plus puissantes et plus récentes de cette architecture ont été adoptées par nombre de microcontrôleurs 32 bits. En juin, STMicroelectronics a annoncé une famille, baptisée STM32, basée sur le coeur Cortex-M3. De son côté, Atmel propose une nouvelle catégorie de microcontrôleurs qui ont la particularité d'embarquer une zone de logique programmable par l'utilisateur. Reposant sur un coeur Arm7 ou Arm9, ces contrôleurs AT91CAP sont un mélange pondéré de FPGA, d'Asic et de composant standard.

Le STM32 de STMicroelectronics est un microcontrôleur 32 bits intégrant de la mémoire flash et le coeur Cortex-M3 ; ce dernier ayant été spécialement conçu par Arm en 2004 pour les applications embarquées requérant à la fois de hautes performances (1,25 Mips Dhrystone/MHz), une consommation réduite et un faible coût ( Electronique n° 153, page 10). Comme tous les membres de la série Cortex, le coeur M3 supporte le jeu d'instructions Arm d'origine ainsi que l'extension Thumb-2 pour la compression de code. Destiné aux applications de contrôle dans des environnements déterministes, il se distingue de ses confrères en bénéficiant d'un gestionnaire d'interruptions à réponses très rapides.

La famille STM32 comprend deux séries : la première, référencée STM32F103 ou « Performance » , cadencée à 72 MHz fournit, selon STMicroelectronics, le meilleur score en puissance de traitement pour la classe des microcontrôleurs 32 bits ; la seconde, baptisée STM 32 F 101 ou « Access » , fonctionne à une fréquence de 36 MHz et offre aux utilisateurs de modèles 16 bits un accroissement de performances pour une même gamme de prix. L'une comme l'autre embarquent de 32 à 128 Ko de mémoire flash (figure 1). Elles diffèrent sur la taille maximale de Sram et sur le type de périphériques proposés. A la fréquence de fonctionnement de 72 MHz, le STM32 consomme seulement 36 mA, soit la plus faible dissipation d'énergie dans le domaine des microcontrôleurs 32 bits, selon la société. Ce record correspond à 0,5 mA/MHz.

Ciblant les applications alimentées sur batterie, ces microcontrôleurs STM32 opèrent sous une tension de 2 à 3,6 V. En mode veille, la consommation descend à 2 µA. Parmi les autres fonctionnalités pour économiser l'énergie citons : quatre modes de basse consommation, une horloge temps réel intégrée avec une broche spécifique pour l'emploi sous batterie, un oscillateur à 32 kHz dédié.

La société STMicroelectronics traduit de différentes manières les avantages liés à la présence d'un coeur Cortex-M3 par rapport au classique Arm7TDMI. Ainsi, la famille STM32 délivre jusqu'à 30 % de performances supplémentaires, ou, pour une même puissance de traitement, ses microcontrôleurs dissiperont 75 % d'énergie en moins. Dans la même idée, l'emploi possible du jeu d'instructions Thumb-2 permet une réduction de la taille du code atteignant 45 %. Une application identique peut donc être supportée avec une quantité de mémoire pratiquement divisée par deux. Enfin, toujours selon ST, le STM32 fournit au moins deux fois plus de performances que les meilleures architectures 16 bits.

La famille STM32 est actuellement en échantillonnage.

Les deux séries sont proposées en boîtiers BGA100, LQFP-48, -64 et -100, avec les trois options (32, 64 et 128 Ko) pour la flash embarquée. Les prix annoncés pour les modèles LQFP sont de 1,80 $ pour la ligne « Access » , 32 Ko de flash et 48 broches, et de 3,60 $ pour la gamme « Performance » avec 128 Ko de flash et 100 broches.

Concernant le coeur Cortex-M3, remarquons que Toshiba vient d'en acquérir la licence afin d'élargir son portfolio de microcontrôleurs destinés au marché de l'automobile.

La société Atmel, qui propose déjà un riche portefeuille de microcontrôleurs basés sur des coeurs Arm (par exemple : les séries AVR32UC3 et AVR32AP7), élargit son offre avec une nouvelle catégorie se distinguant par la présence d'une zone de logique programmable. Ce bloc de cellules programmables au niveau métal (MPCF : metal programmable cell fabric), pouvant intégrer jusqu'à 500K portes équivalentes Asic, permet l'implantation par l'utilisateur de fonctions personnalisées. Il peut s'agir d'algorithmes DSP ou de modules IP typiquement réalisés sur un FPGA mais également d'un coeur de processeur supplémentaire, voire de périphériques non disponibles dans la partie figée du MCU.

Les deux premières versions de cette famille AT91CAP (customizable Atmel processor) sont l'AT91CAP7S et l'AT91CAP9S, respectivement basées sur l'Arm7TDMI et l'Arm926EJ-S (figure 2). Toute solution multipuce existante comprenant un coeur Arm7/9 plus un circuit FPGA peut être transférée sur un des microcontrôleurs de la série AT91CAP. Dans ce cas, le coût NRE est réduit à seulement 150 000 $ tout compris, et il n'y a aucun frais de licence concernant le coeur Arm.

Selon Atmel, la consommation statique pire cas est de 3 à 4 mW, soit 0,2 % de celle d'un FPGA typique. Côté dynamique, la dissipation d'énergie n'excède pas un dixième de celle d'un réseau logique programmable standard. Concernant le prix de revient de cette solution système sur puce, le coût unitaire d'un microcontrôleur AT91CAP est de 30 à 50 % inférieur à celui de la combinaison des deux circuits (FPGA + coeur Arm). Ainsi, l'AT91CAP7S est proposé à 5,44 $ pour une quantité de 50 000 pièces alors qu'un FPGA avec 1 à 2 M portes plus un MCU vaut entre 13 et 18 $. L'AT91CAP9S coûte 13 $ pour un volume de 100 K unités, soit 35 % de moins que l'équivalent multipuce.

L'AT91CAP7S embarque, en plus de l'Arm7TDMI fonctionnant à 80 MHz, 160 Ko de Sram rapide, 250 K ou 450 K portes personnalisables et toute une panoplie de périphériques classiques. Son homologue, basé sur l'Arm9 cadencé à 200 MHz avec 16 Ko pour chacune des antémémoires données et programme, inclut également 32 Ko de Sram supplémentaires, 32 Ko de Rom, de nombreux périphériques et 250 ou 500 K portes de logiques programmables.

Pour les AT91CAP7/9S, les prototypes sont disponibles dans les dix semaines et la production en volume demande 16 semaines. Atmel envisage d'étendre son concept « CAP » de microcontrôleurs personnalisables à toutes ses familles de contrôleurs 32 bits. Notons que la société a également élargi sa gamme de microcontrôleurs sécurisés, baptisée AT91SO, dont le coeur est un Arm SecurCore SC100. Les nouveaux AT91SO25/50/51 offrent, comme leur prédécesseur l'AT91SO100, toute une gamme de fonctionnalités sécurisées mais se distinguent par une variété de tailles de boîtiers et donc de prix.