„Renesas Advanced“: Neue 32-Bit-MCU-Familie für IoT-Produkte

| Redakteur: Michael Eckstein

Vertrauenssache: Die neuen Mikrocontroller der RA-Familie basieren je nach Modell auf unterschiedlichen Cortex-M-Prozessorkernen von ARM und verfügen über integrierte Security-Funktionen.
Vertrauenssache: Die neuen Mikrocontroller der RA-Familie basieren je nach Modell auf unterschiedlichen Cortex-M-Prozessorkernen von ARM und verfügen über integrierte Security-Funktionen. (Bild: Renesas Electronics)

Sichere IoT-Produkte „out of the box“: Renesas legt bei seiner neuen RA-Mikrocontroller-Familie den Fokus auf einfache Entwicklung, IT-Security und Skalierbarkeit. Die meisten Modelle haben ein Security-Subsystem an Bord. Das versprochene TrustZone-Feature kommt jedoch erst mit späteren Modellen.

Halbleiterhersteller Renesas erweitert mit hoher Schlagzahl sein Portfolio: Nach der Anfang September 2019 vorgestellten RZ/A2M-Serie bringen die Japaner eine weitere Prozessorfamilie auf den Markt, die speziell für IoT-Anwendungen vorgesehen ist: RA – die Abkürzung steht für „Renesas Advanced“ – bezeichnet eine Baureihe von 32-Bit-Mikrocontrollern (MCU) auf Basis der bewährten Cortex-M-Architektur von ARM. Für die neue MCU-Serie hat sich der Anbieter besonders das Thema Security auf die Fahnen geschrieben: Alle Bausteine erfüllen laut Hersteller die Anforderungen der „Platform Security Architecture“ (PSA) Level 1 von ARM. Je nach Modell haben die Controller zudem unterschiedliche „Secure Crypto-Engines“ (SCE) implementiert – mehr dazu weiter unten. Die versprochene TrustZone-Funktion wird aber erst im nächsten Jahr verfügbar sein, wenn weitere Modelle die Familie vergrößern.

Für kurze Entwicklungszeiten von sicheren IoT-Geräten beispielweise für Anwendungen in der Industrie- und Gebäudeautomation, Mess-, Gesundheits- und Haushaltsgeräteindustrie soll das dedizierte „Flexible Software Package“ (FSP) in Kombination mit einem umfassenden Partner-Ökosystem sorgen. „Mithilfe dieses Soft- und Hardware-Baukastensystems können Entwickler benötigte Funktionen schnell zusammenstellen“, erklärt Mo Dogar, Senior Director, Global MCU Business Development, IoT and Infrastructure Business Unit von Renesas Electronics, im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS.

Gute Skalierbarkeit: Controller sind Funktions- und Pin-kompatibel

Zum Start besteht die RA-Familie aus der RA2-Serie (bis zu 60 MHz), RA4-Serie (bis zu 100 MHz) und der RA6-Serie (bis zu 200 MHz). Voraussichtlich 2020 wird die Dual-Core-Serie RA8 das Portfolio komplettieren. Renesas hat alle Controller mit seiner kapazitiven Touch-Technik ausgestattet. Die Bausteine sind für zwei Temperaturbereiche erhältlich: -40 °C bis 85 °C und -40 °C bis 105 °C.

32 skalierbare MCUs aus drei Serien – RA2, RA4 und RA6 – sind bereits verfügbar. Sie verwenden Cortex-M4- und Cortex-M23-Prozessorkerne, können auf 256 kByte bis 2 MByte Code-Flash-Speicher, 32 kByte bis 640 kByte SRAM zugreifen und Daten über typische Schnittstellen wie USB, CAN oder Ethernet austauschen. Die Controller sind je nach Modell mit Gehäusen von 32 bis 176 Pins erhältlich. Renesas verspricht eine Funktions- und Pin-Kompatibilität (bei gleichem Gehäusetyp) – und damit eine nahtlose Austauschbarkeit innerhalb der RA-Familie. „So können Entwickler zunächst mit einem kleineren Modell starten und später auf eine leistungsstärkere MCU wechseln, ohne ihr Design anpassen zu müssen“, sagt Dogar. Zum Start sind diese MCUs der RA-Serie erhältlich:

  • RA2A1-Serie: Fünf MCUs auf Basis Cortex-M23-Basis mit bis zu 48 MHz, Gehäuse mit 32 bis 64 Pins, 256 kByte Flash-Speicher und 32 kByte SRAM, inklusive kapazitivem Touch-Sensing, USB Full-Speed, 24-Bit-A/D-Wandler, 16-Bit-A/D-Wandler, Sicherheitsfunktionen
  • RA4M1-Serie: Sieben MCUs mit Cortex-M4-Kern mit bis zu 48 MHz, Gehäuse mit 40 bis 100 Pins, 256 kByte Flash-Speicher und 32 kByte SRAM, inklusive Segment LCD-Controller, kapazitivem Touch-Sensing, USB Full-Speed, 14-Bit-A/D-Wandler, Sicherheitsfunktionen
  • RA6M1-Serie: Vier MCUs mit Cortex-M4-Kern und bis zu 120 MHz Takt, Gehäuse mit 64 bis 100 Pins, 512 kByte Flash-Speicher und 256 kByte SRAM, kapazitiver Touch-Sensorik, CAN, USB Full-Speed, Sicherheitsfunktionen und erweiterten analogen Funktionen. Dazu zählt Renesas neben zwei 12-Bit-A/D-Wandlern mit 13 bzw. 11 Kanälen und jeweils 3 Sample-und-Hold-Gliedern einen 12-Bit-D/A-Wandler, einen 3-Kanal-PGA für jeden A/D-Wandler, einen 6-Kanal-Komparator und einen Temperatursensor.
  • RA6M2-Serie: Sechs MCUs mit Cortex-M4-Kern, bis zu 120 MHz Takt, Gehäuse mit 100 bis 145 Pins, bis zu 1 MByte Flash-Speicher und 384 kByte SRAM, kapazitives Touch-Sensing, Ethernet, CAN, USB Full-Speed, Sicherheitsfunktionen und zusätzlichen analoge Funktionen.
  • RA6M3-Serie: Zehn MCUs mit Cortex-M4-Kern und 120 MHz Takt, Gehäuse mit 100 bis 176 Pins, bis zu 640 kByte SRAM und 2 MByte Flash, TFT-LCD-Controller, 2D-Grafik-Engine, kapazitives Touch-Sensing, Ethernet, CAN, USB Full-Speed und High-Speed, Sicherheitsfunktionen und erweiterte analoge Funktionen.

Renesas wirbt mit TrustZone – doch kein aktuelles Modell hat die Sicherheitsfunktion

Was auffällt: Laut Renesas bieten die neuen RA-MCUs „ultimative IoT-Sicherheit“, da sie SCE mit NIST-CAVP-Zertifizierungen und ARMv8-M-Mikroarchitektur mit „TrustZone“-Technik kombinieren und somit unter anderem „die Widerstandsfähigkeit gegen Seitenkanalangriffe erhöhen“. Hier hätte der Hersteller spezifischer sein müssen: Tatsächlich unterstützt von den jetzt vorgestellten Controller keiner das TrustZone-Feature – die Funktion wird erst bei späteren Modellen verfügbar sein. Aktuell wäre ohnehin einzig die RA2-Serie mit ihren Cortex-M23-Kernen dazu in der Lage. Die M4-Kerne der bisherigen RA4- und RA6-Modelle unterstützen TrustZone nicht. Auch die NIST-CAVP-Zertifizierung ist nur ab der RA6-Serie verfügbar – und auch das nur für einzelne Blöcke des Security-Subsystems. Auf Nachfrage bestätigt Dogar: „Bei den ersten RA2-Controllern ist TrustZone nicht aktiv. Die nächsten RA6-Modelle auf Cortex-M23/33-Basis werden die Funktion aber haben.“

Zum besseren Verständnis: ARM hat die ARMv8-M-Mikroarchitektur 2016 mit den Prozessorvarianten Cortex-M23 und Cortex-M33 eingeführt. Beide sind für den Einsatz in IoT-Produkten gedacht und unterstützen als erste Mikrocontroller-Kerne ARMs hardwaregestützte TrustZone-Sicherheitstechnik. Damit lassen sich auf dem Chip voneinander isolierte Bereiche implementieren, die Applikationen eine vertrauenswürdige Laufzeitumgebung (Trusted Execution Environment, TEE) bereitstellen.

M23 ist der bisher kleinste Mikrocontroller-Kern mit TrustZone. Er beherrscht den Befehlsumfang von „ARMv8-M Baseline“. Diese 32-Bit-Mikroarchitektur umfasst Thumb-2 und eignet sich laut ARM gut für Echtzeit-Betriebssysteme. Der leistungsstärkere Cortex-M33 bringt DSP- und Gleitkomma-Einheiten (Floating Point Units, FPU) mit. Mitte 2018 kam die erste Cortex-M23-MCU mit TrustZone auf den Markt: SAM L11 von Microchip. Mittlerweile ist auch vom taiwanesischen Hersteller Nuvoton ein solcher Controller erhältlich, das Modell M2351.

Secure Crypto Engines in zwei Varianten für mehr Sicherheit

Was zumindest die RA4- und RA6-Familienmitglieder eint – und was sie von anderen MCUs abhebt – sind die neuen Secure Crypto Engines: „Eine SCE ist ein Kryptographie-Subsystem, das unabhängig von der Controller-CPU arbeitet“, erläutert Dogar. Die Engines verfügen über eigenes RAM, auf das die Controller-CPU keinen Zugriff hat. Darüber hinaus hat der Hersteller eine Manipulationserkennung implementiert, und die Bus-Schnittstelle fungiert quasi als Hardware-Firewall. Sollte das Zugriffsprotokoll nicht eingehalten werden, würde ein „Access Management Circuit“ kurzerhand das SCE abschalten. „Klartext-Schlüssel sind niemals außerhalb einer SCE sichtbar“, sagt der Manager.

Renesas bietet zwei Versionen an: SCE 5 und SCE 7. Letztere beherrschen symmetrische (AES 128/192/256, 3DES) und asymmetrische (RSA,ECC, DSA) Ver- und Entschlüsselung sowie Schlüsselverarbeitung einschließlich Generierung und MCU-individuellem Key-Wrapping. Weiterhin an Bord sind Hash-Funktionen (GHASH, SHA1, SHA2-224, SHA-256) und echte Zufallszahlengenerierung (TRNG). TRNG, Hashes und symmetrische Verschlüsselung sind NIST-CAVP-zertifiziert. Die SCE 7 kommt bei den Modellen RA6M1, RA6M2 und RA6M3 zum Einsatz.

Die RA4M1-MCU verfügt hingegen über die abgespeckte SCE-5-Version. Hier stehen nur AES und GHASH als Verschlüsselungsoptionen zur Verfügung. Auch fehlt die NIST-CAVP-Zertifizierung. Im nächsten Jahr will Renesas Cortex-M33-basierte MCUs der RA-Familie auf den Markt bringen, die eine SCE 9 enthalten werden. Welche zusätzlichen Funktionen diese gegenüber der SCE 7 beinhaltet, behält Renesas bislang für sich.

Offene Software-Architektur ermöglicht Lösungen von Ökosystempartnern

Damit Entwickler die RA-Controller schnell in ihre Produkte integrieren können, will Renesas sie mit einer Art Baukastensystem unterstützen. Dieses „Flexible Software Package“, kurz FSP, hat eine offene Architektur. Dadurch können Drittanbieter Funktionen als wiederverwendbare Software-Module entwickeln – etwa Security-Funktionen oder Standardschnittstellen. Auch eigener Legacy-Code soll sich mit FSP über die Controller-Familie hinweg leicht wiederverwenden lassen.

Die FSP unterstützt aktuell Amazon FreeRTOS. Bis Anfang 2020 will Renesas Out-of-Box-Unterstützung für ThreadX RTOS und Middleware auf Cortex-M23 und Cortex-M33-MCUs hinzufügen. „Damit erhalten Entwickler eine erstklassige Device-to-Cloud-Option, sie können ihre IoT-Produkte damit leicht in ein Cloudangebot einbinden“, sagt Dogar. Diese Out-of-Box-Optionen ließen sich zudem einfach ersetzen und mit jedem anderen RTOS oder jeder anderen Middleware erweitern. Die Renesas-Entwicklungsumgebung der RA-Familie umfasst laut Hersteller On-Chip-Debugging, integrierte Entwicklungsumgebungen (IDEs), Compiler, Support-Tools, Board-Evaluation-Kits, Designdateien, Schaltpläne, PCB-Layouts und Stücklisten.

Dual-Core-RA8 folgt bald: Auf dem Weg zur 32-Bit-Controller-Großfamilie

Mit der RA-Familie ergänzt Renesas seine 32-Bit-MCU-Familien RX und Synergy um Controller, die speziell für den Einsatz in IoT-Geräten. Während die RA2- und RA4-MCUs im hauseigenen 130-nm-CMOS-Prozess entstehen, hat der Hersteller die Produktion der RA6-Serie an Auftragsfertiger TSMC in Taiwan ausgelagert, der sie im 40-nm-Prozess fertigt. „Im nächsten Jahr werden wir die RA6-Reihe um Modelle erweitern, die auf dem Cortex-M33-Kern von ARM basieren und mit 200 MHz takten“, sagt Dogar. Als Highend-Variante soll schließlich noch die RA8-Familie folgen. „Sie wird zwei Cortex-M33-Kerne haben und mit bis zu 200 MHz takten“, erklärt Dogar. Neben 2 MByte Flash sollen diese MCUs auf 1 MByte SRAM zugreifen können.

Damit nicht genug: Für die Zukunft plant Renesas Controller, die für ARMs PSA und „Trusted Firmware-M“ (TF-M) zertifiziert sind. Laut Dogar werden diese Cortex-M23- und Cortex-M33-Kerne einsetzen. Auch werde es Wireless-Lösungen geben, die Bluetooth Low Energy (BLE) und Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN) nach IEEE 802.15.4 unterstützen – etwa ZigBee oder Thread. Damit zielt Renesas auf Entwickler von vertrauenswürdigen Produkten beispielsweise für drahtlose Sensornetzwerke, bei denen die Batterielaufzeit im Vordergrund steht und die nur geringe Übertragungsraten erfordern. Solche IoT-Endknoten und Edge-Geräte könnten etwa in der Fabrikautomation zum Einsatz kommen.

Renesas: Neue Mikroprozessoren für mehr Intelligenz am Edge

Renesas: Neue Mikroprozessoren für mehr Intelligenz am Edge

12.09.19 - Mit einer neuen Generation von Embedded-Mikroprozessoren will Renesas Künstliche Intelligenz dorthin bringen, wo sie besonders oft benötigt wird: zu den Endgeräten ans Edge. Ein starkes Argument liefern die Bausteine durch ihre Rekonfigurierbarkeit. lesen

Embedded-KI mit 8,8 TOPS/W dank neuer Processing-in-Memory-Architektur

Embedded-KI mit 8,8 TOPS/W dank neuer Processing-in-Memory-Architektur

19.06.19 - Eine neue Processing-in-Memory-Technologie für Embedded-Anwendungen soll KI-Berechnungen deutlich beschleunigen und gleichzeitig sehr wenig Strom verbrauchen. Renesas zielt damit auf den wachsenden Markt für intelligente Endpunkte. lesen

HATs, Shields, PICtails und Clicks – die vereinfachte Welt des Prototypings

HATs, Shields, PICtails und Clicks – die vereinfachte Welt des Prototypings

10.10.19 - Die Raspberry Pi Foundation, Arduino und MikroElektronika bieten für ihre Singleboard-Computer zahlreiches Zubehör an, das sich auch bestens fürs Prototyping eignet. lesen

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 46180001 / Mikrocontroller & Prozessoren)