Sitara的使命：普及Cortex-A8及向工業(yè)領域轉(zhuǎn)移
在2009年的嵌入式處理器領域，可以說Cortex-M3控制器是當紅的炸子雞，很多廠商趨之若鶩，相對而言，對于MPU都沒有特別大的投入。就在那時，德州儀器（TI）在些許質(zhì)疑聲中大力推廣基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的Sitara系列MPU，那時候的質(zhì)疑來自多個方面，例如為什么不專心做收購過來的Cortex-M3系列MCU Stellaris，又或者質(zhì)疑TI的收購行為（那時候正是金融危機）。而Sitara不負所托，其在上市之后的約3年時間逐漸被工業(yè)領域用戶接受，并完成了它兩個巨大的使命：將Cortex-A8普及到目標客戶以及幫助TI從手機等消費類市場向工業(yè)、通信領域的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。
工業(yè)領域一直不變的共同追求有3個：可靠性、穩(wěn)定性和長期供貨能力。盡管工業(yè)市場不像消費類市場那樣對多核處理器和性能追求極致，但工業(yè)市場有個非常明顯的發(fā)展趨勢，從傳統(tǒng)意義上簡單的、單向的、點對點的控制開始向復雜的、組網(wǎng)的拓撲結構和工業(yè)控制演進，這是傳統(tǒng)上說的工業(yè)自動化進程。在歐洲、美國、日本很多大的工業(yè)企業(yè)都開始將整個進程提速，目前中國也有很多企業(yè)在做這些事情。每一顆處理器以及每個設備要兼顧通信、控制以及運算，所以對性能的要求會大幅度提升。TI針對客戶的訴求推出了AM335x的升級版AM437x處理器，近日，德州儀器中國區(qū)通用處理器業(yè)務拓展經(jīng)理牟濤先生向記者介紹了這款MPU。
圖1 德州儀器中國區(qū)通用處理器業(yè)務拓展經(jīng)理牟濤先生
亮點概況
先來看看AM437x內(nèi)部架構。
圖2 AM437x內(nèi)部架構
牟濤先生特別精辟地概括了AM437x的幾大優(yōu)勢：（1）1 GHz Cortex-A9 內(nèi)核，比上一代Sitara 系列產(chǎn)品高40％的性能；（2）對Flash和存儲器的支持做了相當大的提升和優(yōu)化；（3）圖像加速器；（4）4核可編程實時單元（PRU），這是TI有別于ARM處理器供應商的最大差異化的技術；（5）定位為低功耗，利用TI獨特的低功耗工藝使得AM437x內(nèi)部所有功能都運作起來功耗也在1 W以內(nèi)。牟濤先生對于其中的亮點進行了詳細分析。
前瞻性的存儲設計
我們都知道，F(xiàn)lash和存儲器工藝的發(fā)展要快于處理器，牟濤先生說：“有一些客戶有這樣的困惑，我們的處理器用了幾年之后，F(xiàn)lash、存儲器工藝都升級了，一些老的Flash、存儲器無處購買。TI在定義AM437x時考慮到客戶在5年以后可能會遇到這樣的問題，所以我們對Flash和存儲器控制方面做了一個更有前瞻性的設計，集成了32位低功耗DDR2/DDR3/DDR3 Low Power，基本把從現(xiàn)在到未來5年比較主流的尤其是工業(yè)市場主流的控制器集成在AM437x中。”
圖形顯示
業(yè)界對HMI和屏幕分辨率的要求越來越高，AM437x里繼承了SGX530圖形加速器，同時有個顯示子系統(tǒng)，有別于Sitara前幾代產(chǎn)品（只是個LCD控制器），AM437x里增加了對于一些圖形圖像處理的硬件加速器。牟濤先生舉了個例子：“客戶需要做圖形疊加、圖形縮放和色彩空間變換，在傳統(tǒng)處理器上通常大家是要用ARM做這樣的運算，但在AM437x里我們集成了這樣的硬件加速器，所以它的處理速度會更快，效果也會更好，同時客戶在做這些圖像處理時也不需要占用ARM的運算資源，完全由片上硬件加速器來實現(xiàn)。”
PRU
亮點總是在最后，記者之所以最后強調(diào)PRU是因為它已經(jīng)成了整場發(fā)布會的主角，這也源自于它的功能和獨特性。AM437x集成的PRU-ICSS（工業(yè)通信子系統(tǒng)）支持雙通道同步工業(yè)協(xié)議，4核PRU可滿足實時處理、直接訪問I/O和超低時延的要求。性談起PRU，牟濤先生抑制不住喜悅之情：“PRU是TI非常獨特的技術，也是我們有別于其他ARM處理器供應商最大的特色。它能夠給客戶帶來的非常大的好處，不光是成本，在設計的靈活性上都有很大的提升。”
其實AM335x也有PRU，但是當時只集成了2個PRU，現(xiàn)在有4個PRU；并且以前PRU單核處理性能是80 MHz~100 MHz，現(xiàn)在已經(jīng)提升到150 MHz~200 MHz；過去PRU只支持匯編語言，TI正在研究讓它支持C語言。在功能性擴展上，牟濤先生說：“4年前TI談PRU的時候只有一個功能，用PRU做多串口的擴展（串行通信協(xié)議），最近這幾年我們很高興看到，PRU能實現(xiàn)的功能遠遠不只是多串口，已經(jīng)有客戶用它做私有加密協(xié)議的開發(fā)，還有通過PRU擴展工業(yè)現(xiàn)場總線通信協(xié)議，例如EtherCAT、PROFIBUS，同時所支持的工業(yè)現(xiàn)場總線通信協(xié)議也在不斷增加。”
此外，AM437x還支持豐富的外設：兩個并行攝像頭端口，適合條形碼掃描儀等應用；QSPI用于高速通信和執(zhí)行，確保系統(tǒng)能直接從低成本NOR閃存中啟動并運行；兩個獨立的8通道ADC，適用于伺服電機控制、音頻采樣和傳感器監(jiān)控。
PRU契合工業(yè)應用
牟濤先生舉例說明了為什么PRU特別契合工業(yè)應用：“隨著控制算法和拓撲結構越來越復雜，用傳統(tǒng)意義上RS-485串口通信協(xié)議遠遠不能滿足工業(yè)自動化的要求，很多客戶開使用工業(yè)現(xiàn)場總線去組網(wǎng)。傳統(tǒng)的做法，不管是MCU還是基于ARM的MPU，都要在外面添加通用協(xié)議專用的ASIC或可通信協(xié)處理器，這無形中增加了系統(tǒng)成本，而且設計也不靈活。為什么TI在這一環(huán)節(jié)強調(diào)PRU的好處呢？我們會把原來意義上的MCU和MPU對數(shù)據(jù)的運算、處理以及對通信協(xié)議的集成通過PRU集成到一個單芯片里。PRU本身是可編程的且運算性能足夠強。已經(jīng)有很多成功案例，例如現(xiàn)在EtherCAT、PROFIBUS等很多客戶在用這樣的方式做升級改造。”
“不言自明，在系統(tǒng)上，我們把傳統(tǒng)雙芯片的方案變成單芯片方案，這樣系統(tǒng)性能可以大大提升。傳統(tǒng)意義上的ASIC不靈活，一個專用芯片只能做一個通信協(xié)議，但由于PRU是可編程的，所以我們在一顆芯片設計中可以同時支持多協(xié)議，也就是說，一個客戶在產(chǎn)品中可以根據(jù)自己不同終端客戶的要求采用不同的工業(yè)通信協(xié)議，如果用TI的AM335x或AM437x處理器，一顆芯片都可以搞定，客戶要做的只是換個架構軟件，所有的硬件設計可以兼容，這樣給工業(yè)客戶帶來非常大的好處，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，避免了在硬件設計上的系統(tǒng)風險。這是TI為什么在工業(yè)市場非常有優(yōu)勢，而且為什么強調(diào)PRU處理器的原因，” 牟濤先生補充到。
傳統(tǒng)意義上做工業(yè)驅(qū)動器及馬達驅(qū)動的時候都用MCU（如C2000）或其他的架構。TI在AM437x片上集成了4核的PRU，有4個獨立的PRU運算單元，PRU除了可以做通信協(xié)議運轉(zhuǎn)之外還有足夠的資源做馬達控制和電機驅(qū)動算法。AM437x片上集成了多個PWM和AD，外設上構成了足夠針對馬達驅(qū)動的一個回路，用PMW驅(qū)動馬達，用片上AD和前面的馬達組成一個運算位置的反饋回路，這樣既保證了實時性又保證了對于馬達驅(qū)動運算的可靠性和準確性。牟濤先生認為，這有可能在未來給整個工業(yè)市場帶來很大的突破，真正意義上實現(xiàn)單芯片，不僅是決定工業(yè)通信協(xié)議的問題，甚至也有機會把馬達驅(qū)動用一個單芯片實現(xiàn)。
AM437x真正的考驗應該不是來自競爭對手，因為目前它是獨一無二的，真正的考驗來自種類和應用環(huán)境都變化多端的工業(yè)市場。
圖3 AM437x通用評估模塊
記者后注：TI工程師向記者演示了通用評估板，由于是第一版，沒有校準屏幕，所以觸摸時鼠標不太好用。整體來看，模塊該接出來的接口都有了，而且工程師演示的3D效果確實很逼真（意在顯示它的圖形加速和處理功能），其他功能就有待各位工程師自己檢驗了！