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Cortex-A9+4个PRU,TI AM437x期待给工业领域带来更大突破
作者:61ic    文章来源:61ic    点击数:    更新时间:2014-7-10    

Sitara的使命:普及Cortex-A8及向工业领域转移

    在2009年的嵌入式处理器领域,可以说Cortex-M3控制器是当红的炸子鸡,很多厂商趋之若鹜,相对而言,对于MPU都没有特别大的投入。就在那时,德州仪器(TI)在些许质疑声中大力推广基于ARM Cortex-A8内核的Sitara系列MPU,那时候的质疑来自多个方面,例如为什么不专心做收购过来的Cortex-M3系列MCU Stellaris,又或者质疑TI的收购行为(那时候正是金融危机)。而Sitara不负所托,其在上市之后的约3年时间逐渐被工业领域用户接受,并完成了它两个巨大的使命:将Cortex-A8普及到目标客户以及帮助TI从手机等消费类市场向工业、通信领域的战略转移。

    工业领域一直不变的共同追求有3个:可靠性、稳定性和长期供货能力。尽管工业市场不像消费类市场那样对多核处理器和性能追求极致,但工业市场有个非常明显的发展趋势,从传统意义上简单的、单向的、点对点的控制开始向复杂的、组网的拓扑结构和工业控制演进,这是传统上说的工业自动化进程。在欧洲、美国、日本很多大的工业企业都开始将整个进程提速,目前中国也有很多企业在做这些事情。每一颗处理器以及每个设备要兼顾通信、控制以及运算,所以对性能的要求会大幅度提升。TI针对客户的诉求推出了AM335x的升级版AM437x处理器,近日,德州仪器中国区通用处理器业务拓展经理牟涛先生向记者介绍了这款MPU。

图1 德州仪器中国区通用处理器业务拓展经理牟涛先生

亮点概况

    先来看看AM437x内部架构。

图2 AM437x内部架构

    牟涛先生特别精辟地概括了AM437x的几大优势:(1)1 GHz Cortex-A9 内核,比上一代Sitara 系列产品高40%的性能;(2)对Flash和存储器的支持做了相当大的提升和优化;(3)图像加速器;(4)4核可编程实时单元(PRU),这是TI有别于ARM处理器供应商的最大差异化的技术;(5)定位为低功耗,利用TI独特的低功耗工艺使得AM437x内部所有功能都运作起来功耗也在1 W以内。牟涛先生对于其中的亮点进行了详细分析。

前瞻性的存储设计

    我们都知道,Flash和存储器工艺的发展要快于处理器,牟涛先生说:“有一些客户有这样的困惑,我们的处理器用了几年之后,Flash、存储器工艺都升级了,一些老的Flash、存储器无处购买。TI在定义AM437x时考虑到客户在5年以后可能会遇到这样的问题,所以我们对Flash和存储器控制方面做了一个更有前瞻性的设计,集成了32位低功耗DDR2/DDR3/DDR3 Low Power,基本把从现在到未来5年比较主流的尤其是工业市场主流的控制器集成在AM437x中。”

图形显示

    业界对HMI和屏幕分辨率的要求越来越高,AM437x里继承了SGX530图形加速器,同时有个显示子系统,有别于Sitara前几代产品(只是个LCD控制器),AM437x里增加了对于一些图形图像处理的硬件加速器。牟涛先生举了个例子:“客户需要做图形叠加、图形缩放和色彩空间变换,在传统处理器上通常大家是要用ARM做这样的运算,但在AM437x里我们集成了这样的硬件加速器,所以它的处理速度会更快,效果也会更好,同时客户在做这些图像处理时也不需要占用ARM的运算资源,完全由片上硬件加速器来实现。”

PRU

    亮点总是在最后,记者之所以最后强调PRU是因为它已经成了整场发布会的主角,这也源自于它的功能和独特性。AM437x集成的PRU-ICSS(工业通信子系统)支持双通道同步工业协议,4核PRU可满足实时处理、直接访问I/O和超低时延的要求。性谈起PRU,牟涛先生抑制不住喜悦之情:“PRU是TI非常独特的技术,也是我们有别于其他ARM处理器供应商最大的特色。它能够给客户带来的非常大的好处,不光是成本,在设计的灵活性上都有很大的提升。”

    其实AM335x也有PRU,但是当时只集成了2个PRU,现在有4个PRU;并且以前PRU单核处理性能是80 MHz~100 MHz,现在已经提升到150 MHz~200 MHz;过去PRU只支持汇编语言,TI正在研究让它支持C语言。在功能性扩展上,牟涛先生说:“4年前TI谈PRU的时候只有一个功能,用PRU做多串口的扩展(串行通信协议),最近这几年我们很高兴看到,PRU能实现的功能远远不只是多串口,已经有客户用它做私有加密协议的开发,还有通过PRU扩展工业现场总线通信协议,例如EtherCAT、PROFIBUS,同时所支持的工业现场总线通信协议也在不断增加。”

   此外,AM437x还支持丰富的外设:两个并行摄像头端口,适合条形码扫描仪等应用;QSPI用于高速通信和执行,确保系统能直接从低成本NOR闪存中启动并运行;两个独立的8通道ADC,适用于伺服电机控制、音频采样和传感器监控。

PRU契合工业应用

   牟涛先生举例说明了为什么PRU特别契合工业应用:“随着控制算法和拓扑结构越来越复杂,用传统意义上RS-485串口通信协议远远不能满足工业自动化的要求,很多客户开使用工业现场总线去组网。传统的做法,不管是MCU还是基于ARM的MPU,都要在外面添加通用协议专用的ASIC或可通信协处理器,这无形中增加了系统成本,而且设计也不灵活。为什么TI在这一环节强调PRU的好处呢?我们会把原来意义上的MCU和MPU对数据的运算、处理以及对通信协议的集成通过PRU集成到一个单芯片里。PRU本身是可编程的且运算性能足够强。已经有很多成功案例,例如现在EtherCAT、PROFIBUS等很多客户在用这样的方式做升级改造。”

    “不言自明,在系统上,我们把传统双芯片的方案变成单芯片方案,这样系统性能可以大大提升。传统意义上的ASIC不灵活,一个专用芯片只能做一个通信协议,但由于PRU是可编程的,所以我们在一颗芯片设计中可以同时支持多协议,也就是说,一个客户在产品中可以根据自己不同终端客户的要求采用不同的工业通信协议,如果用TI的AM335x或AM437x处理器,一颗芯片都可以搞定,客户要做的只是换个架构软件,所有的硬件设计可以兼容,这样给工业客户带来非常大的好处,系统是稳定的,避免了在硬件设计上的系统风险。这是TI为什么在工业市场非常有优势,而且为什么强调PRU处理器的原因,” 牟涛先生补充到。

    传统意义上做工业驱动器及马达驱动的时候都用MCU(如C2000)或其他的架构。TI在AM437x片上集成了4核的PRU,有4个独立的PRU运算单元,PRU除了可以做通信协议运转之外还有足够的资源做马达控制和电机驱动算法。AM437x片上集成了多个PWM和AD,外设上构成了足够针对马达驱动的一个回路,用PMW驱动马达,用片上AD和前面的马达组成一个运算位置的反馈回路,这样既保证了实时性又保证了对于马达驱动运算的可靠性和准确性。牟涛先生认为,这有可能在未来给整个工业市场带来很大的突破,真正意义上实现单芯片,不仅是决定工业通信协议的问题,甚至也有机会把马达驱动用一个单芯片实现。

    AM437x真正的考验应该不是来自竞争对手,因为目前它是独一无二的,真正的考验来自种类和应用环境都变化多端的工业市场。

图3 AM437x通用评估模块

记者后注:TI工程师向记者演示了通用评估板,由于是第一版,没有校准屏幕,所以触摸时鼠标不太好用。整体来看,模块该接出来的接口都有了,而且工程师演示的3D效果确实很逼真(意在显示它的图形加速和处理功能),其他功能就有待各位工程师自己检验了!

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