Renesas RA

Überblick und Einordnung

Renesas Advanced (RA) bezeichnet eine Familie von 32-Bit-Mikrocontrollern von Renesas Electronics. Die Bausteine basieren auf ARM-Cortex-M23-, Cortex-M4- oder Cortex-M33-Prozessorkernen. Ein Mikrocontroller verbindet Recheneinheit, Speicher und Peripherie in einem Baustein und steuert dadurch elektronische Geräte.

Ein wesentliches Merkmal der RA-Familie ist die Integration von Secure-Element-Funktionalität mit PSA-Zertifizierung. Damit richtet sie sich auch an sichere Internet-of-Things-Geräte, unter anderem in Anwendungen der Industrie 4.0. Die Familie besteht aus den drei Serien RA2, RA4 und RA6:

• RA2: bis zu 48 MHz, bis zu 256 KB On-Chip-Flash und bis zu 32 KB SRAM; für Anwendungen mit niedriger Leistungsaufnahme.
• RA4: im Überblick bis zu 48 MHz, in den detaillierten Angaben bis zu 100 MHz; bis zu 256 KB On-Chip-Flash beziehungsweise in einzelnen Gruppen bis zu 1 MB und bis zu 128 KB SRAM; für geringe Leistungsaufnahme bei zugleich hoher Rechenleistung und guter Konnektivität.
• RA6: im Überblick bis zu 240 MHz, in den detaillierten Serienangaben bis zu 200 MHz; bis zu 2 MB Flash und bis zu 640 KB SRAM; für Anwendungen mit hoher Rechenleistung.

Die unterschiedlichen Angaben zur maximalen Taktrate der RA4- und RA6-Serie werden im Artikel nicht aufgelöst. Für die einzelnen Bausteingruppen nennt der Artikel konkrete Maximalwerte.

Mikrocontroller-Serien und typische Bausteine

Die RA2-Serie arbeitet mit einer Betriebsspannung von 1,6 bis 5,5 V und erreicht bis zu 48 MHz. Sie verwendet ARM-Cortex-M23-Kerne und ist auf extrem niedrige Leistungsaufnahme optimiert. Typische Peripherie umfasst kapazitive Touch-Sensorik, USB Full-Speed, Analog-Digital-Umsetzer sowie Sicherheits- und Safety-Funktionen. Einsatzbereiche sind unter anderem Gesundheits-, Haushalts-, Büro- und Messgeräte.

Wichtige Gruppen sind:

• RA2A1: fünf Varianten mit 256 KB Flash, 32 KB SRAM und 32 bis 64 Pins. Sie bieten unter anderem kapazitives Touch, USB Full-Speed, 24-Bit- und 16-Bit-A/D-Umsetzer sowie Security- und Safety-Merkmale.
• RA2L1: 20 Varianten mit 128 bis 256 KB Flash, 32 KB SRAM und 48 bis 100 Pins. Die Stromaufnahme beträgt 64 μA/MHz im Betrieb und 250 nA im Standby; die Aufwachzeit liegt unter 5 µs.
• RA2E1: 48 Varianten mit 32 bis 128 KB Flash, 16 KB SRAM und 25 bis 64 Pins für kosten- und platzsensitive Anwendungen.
• RA2E2: 27 Varianten mit 16 bis 64 KB Flash, 8 KB SRAM und 16 bis 24 Pins. Sie sind für sehr niedrige Leistungsaufnahme ausgelegt: 81 μA/MHz im aktiven Betrieb und 200 nA im Standby. Außerdem werden Umgebungstemperaturen bis 125 °C unterstützt.

Die RA4-Serie deckt Betriebsspannungen von 1,6 bis 5,5 V beziehungsweise bei einzelnen Gruppen von 1,8 bis 3,6 V oder 2,7 bis 3,6 V ab. Sie nutzt Cortex-M4- und Cortex-M33-Kerne und erreicht je nach Gruppe 48 oder 100 MHz. Zu den integrierten Schnittstellen und Funktionen zählen USB, CAN, ADC, kapazitives Touch, Segment-LCD-Controller und Sicherheitsfunktionen.

• RA4M1: sieben Varianten mit Cortex-M4, 256 KB Flash, 32 KB SRAM, 40 bis 100 Pins und 48 MHz.
• RA4W1: ein Bluetooth-Low-Energy-5.0-Mikrocontroller mit Cortex-M4, 512 KB Flash, 96 KB SRAM, 56 Pins und 48 MHz.
• RA4E1: vier Entry-Line-Varianten mit Cortex-M33, 100 MHz, bis zu 512 KB Flash, 128 KB SRAM und 48 bis 64 Pins.
• RA4M2: zwölf Varianten mit Cortex-M33, 100 MHz, bis zu 512 KB Flash und 128 KB SRAM. Sie enthalten unter anderem Touch, CAN, USB Full-Speed sowie Security-, Safety- und Analogfunktionen. Die Stromaufnahme beträgt 80 μA/MHz bei Ausführung des CoreMark-Algorithmus aus dem Flash.
• RA4M3: sieben Varianten mit Cortex-M33, 100 MHz, bis zu 1 MB Flash, 128 KB SRAM und 64 bis 144 Pins.

Die RA6-Serie arbeitet mit 2,7 bis 3,6 V und bietet die umfassendste Integration von Kommunikationsschnittstellen. Je nach Gruppe kommen Cortex-M4- oder Cortex-M33-Kerne mit 120 oder 200 MHz zum Einsatz. Unterstützt werden unter anderem Ethernet, USB Full-Speed und High-Speed, QSPI, Octa-SPI, CAN-FD und TFT-Bildschirmtreiber. Die Serie eignet sich für IoT-Endpunkte, weiße Ware, Zähler sowie Industrie- und Verbraucheranwendungen. RA6T1 besitzt zusätzlich applikationsspezifische Funktionen für Motorsteuerung.

• RA6M1: 512 KB Flash, 256 KB SRAM, 64 bis 100 Pins und 120 MHz.
• RA6M2: bis zu 1 MB Flash, 384 KB SRAM, 100 bis 145 Pins und 120 MHz; mit Ethernet, CAN, USB Full-Speed, Touch sowie Security-, Safety- und Analogfunktionen.
• RA6M3: bis zu 2 MB Flash, 640 KB SRAM, 100 bis 176 Pins und 120 MHz; zusätzlich mit TFT-LCD-Controller und 2D-Grafik-Engine.
• RA6E1: sechs Entry-Line-Varianten mit Cortex-M33, 200 MHz, bis zu 1 MB Flash, 256 KB SRAM und 48 bis 100 Pins.
• RA6M4: neun Varianten mit Cortex-M33, 200 MHz, bis zu 1 MB Flash, 256 KB SRAM und 64 bis 144 Pins; mit OctaSPI sowie Ethernet, CAN und USB Full-Speed.
• RA6M5: 20 Varianten mit Cortex-M33, 200 MHz, 1 bis 2 MB Flash, 512 KB SRAM und 100 bis 176 Pins. Sie unterstützen unter anderem CAN FD, USB High-Speed und Full-Speed sowie OctaSPI und werden als neues Flagship Device bezeichnet.
• RA6T1: vier Varianten mit Cortex-M4, 120 MHz, bis zu 512 KB Flash, 64 KB SRAM und 64 bis 100 Pins für Motorsteuerung.

Software, Entwicklungsumgebung und Debugging

Das RA Flexible Software Package (FSP) stellt die Softwaregrundlage für die RA-Mikrocontroller bereit. Es enthält Treiber für alle Peripherieelemente, unterstützt die Echtzeitbetriebssysteme FreeRTOS und Azure RTOS und stellt Middleware-Stacks sowie definierte APIs für das ARM-Ökosystem bereit.

Zu den zentralen Bestandteilen und Funktionen gehören:

• HAL-Treiber, also hardwarenahe Abstraktionsschichten für Peripheriegeräte;
• Konfigurator und Codegenerator;
• Board Support Packages für RA-Mikrocontroller und Evaluierungsboards;
• Middleware-Stacks und Protokolle, darunter TCP/IP;
• Unterstützung für RTOS- und Nicht-RTOS-Anwendungen sowie ein Werkzeug zur Konfiguration von Threads, Mutexen und weiteren RTOS-Ressourcen;
• USB-Middleware für CDC- und Massenspeicherklassen;
• sichere Verbindungen mit Mbed TLS, kryptografische PSA-APIs und integrierte Hardwarebeschleunigung;
• Grafikschnittstellentools mit Segger emWin und TES Dave2D;
• sichere Debugging-Funktionen und vollständiger Quellcode über GitHub.

Das Paket enthält CMIS-kompatible Paketdateien für Renesas e2 studio, Board Support Packages, HAL-Treiber, Middleware, Modulkonfiguratoren, Codegeneratoren und Quelldateien zur Einbindung in Entwicklungsumgebungen von Drittanbietern.

Unterstützte Entwicklungsumgebungen und Compiler sind e2 studio mit GCC Compiler for ARM, ARM Keil MDK mit ARM Compiler v6 sowie IAR Embedded Workbench. Als Debugger werden SEGGER J-Link sowie Renesas E2 und E2 Lite genannt. Über ARM-CoreSight-Debugger-IP werden SWD- und JTAG-Verbindungen sowie ETM- und ETB-Trace-Daten unterstützt.

Der RA Smart Configurator (RASC) ermöglicht die Konfiguration von BSP, Treibern, RTOS und Middleware auch bei Verwendung einer Drittanbieter-IDE und Toolchain. Im Artikel wird die Nutzung mit IAR Embedded Workbench, Keil MDK und ARM-Compiler-6-Toolchains genannt.

Entwicklung, Boards und Partner-Ökosystem

Die erste RA-Hardware war ab Oktober 2019 verfügbar. Dazu gehörten die Gruppen RA2A1, RA4M1, RA6M1, RA6M2 und RA6M3. Im Mai 2020 folgte mit RA4W1 ein Baustein mit Bluetooth Low Energy 5.0. Im Oktober 2020 erschienen ein Baustein mit Cortex-M33 und ARM TrustZone sowie ein applikationsspezifischer Cortex-M4-Baustein für Motorsteuerung. Im Dezember 2020 kamen ein Ultra-Low-Power-Baustein mit Cortex-M23 und ein Mainstream-Baustein mit Cortex-M33 hinzu.

Weitere Veröffentlichungen waren RA2E1 im Januar 2021, RA6M5 im März 2021 sowie RA4E1 und RA6E1 im September 2021. Im Oktober 2021 wurde die RA2-Serie durch RA2E2 ergänzt. Parallel entwickelte sich das FSP: Version 0.8.0 erschien im Oktober 2019, Version 1.0.0 im März 2020 und Version 2.0.0 im Oktober 2020 zeitgleich mit RA6M4. Version 2.2.0 unterstützte im Dezember 2020 zehn genannte Device-Gruppen; spätere Versionen ergänzten RA2E1, RA4M2, RA6M5, RA4E1, RA6E1 und RA2E2.

Für praktische Erprobung gibt es Evaluierungsboards. Zur RA6-Serie gehören EK-RA6M3G mit optionalem Grafik-Aufsteckboard, EK-RA6M3, EK-RA6M2, EK-RA6M1, EK-RA6M4 und EK-RA6M5 sowie das Flexible Prototype Board FPB-RA6E1. Für die RA4-Serie werden EK-RA4M1, EK-RA4W1, EK-RA4M2 und EK-RA4M3 sowie FPB-RA4E1 genannt. Für die RA2-Serie gibt es EK-RA2A1, EK-RA2E1, EK-RA2L1 und EK-RA2E2.

Das RA Partner Ecosystem bietet Software- und Hardwarebausteine, die mit RA-Mikrocontrollern sofort eingesetzt werden können. Das Label „RA-Ready“ kennzeichnet dabei eine Art zertifizierte Partnerschaft. Die Lösungen sind getestet und werden in Videos sowie Application Notes erläutert.

Teilenummern und Gehäusekennzeichnung

Die Teilenummer beschreibt einen RA-Baustein von links nach rechts über mehrere Stellen. Ein Beispiel ist „R7FA6M3AH2CBG“. Die Kennzeichnung enthält Angaben zu Renesas, MCU, Flash, Advanced, Serie, Anwendung, Gruppe, Merkmalen, Flash-Größe, Temperaturbereich, Qualität und Gehäusetyp.

Für die Serien gilt: Die Kennziffer 2 steht für RA2, 4 für RA4 und 6 für RA6. Die Anwendungskennzeichnung lautet A für Analogue, M für Mainstream, W für Wireless, L für Low Power, E für Entry und T für Motor Control.

Die Flash-Kapazität wird durch einen Buchstaben oder eine Ziffer codiert: 3 steht für 16 KB, 4 für 24 KB, 5 für 32 KB, 6 für 48 KB, 7 für 64 KB, 8 für 96 KB, 9 für 128 KB, A für 192 KB, B für 256 KB, C für 384 KB, D für 512 KB, E für 768 KB, F für 1024 KB, G für 1536 KB und H für 2048 KB. Der Temperaturcode 2 bedeutet −40 °C bis 85 °C, 3 −40 °C bis 105 °C und 4 −40 °C bis +125 °C. Bei der Qualität unterscheidet der Artikel C als Q2A Industrial und D als Q2B Consumer.

Der Gehäusecode gibt Gehäuseform, Pinzahl, Abmessungen und Pinabstand an. Beispiele sind BG für BGA mit 176 Pins bei 13 × 13 mm und 0,8 mm Pinabstand, FC für LQFP mit 174 Pins bei 24 × 24 mm und 0,5 mm sowie FL für LQFP mit 48 Pins bei 7 × 7 mm und 0,5 mm. Weitere aufgeführte Gehäuse reichen bis NJ mit HWQFN, 20 Pins, 4 × 4 mm und 0,5 mm, sowie BY mit WLCSP, 16 Pins, 1,84 × 1,87 mm und 0,4 mm.