Sitara的使命：普及Cortex-A8及向工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移

    在2009年的嵌入式處理器領(lǐng)域，可以說(shuō)Cortex-M3控制器是當(dāng)紅的炸子雞，很多廠(chǎng)商趨之若鶩，相對(duì)而言，對(duì)于MPU都沒(méi)有特別大的投入。就在那時(shí)，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(shí)候的質(zhì)疑來(lái)自多個(gè)方面，例如為什么不專(zhuān)心做收購(gòu)過(guò)來(lái)的Cortex-M3系列MCU Stellaris，又或者質(zhì)疑TI的收購(gòu)行為（那時(shí)候正是金融危機(jī)）。而Sitara不負(fù)所托，其在上市之后的約3年時(shí)間逐漸被工業(yè)領(lǐng)域用戶(hù)接受，并完成了它兩個(gè)巨大的使命：將Cortex-A8普及到目標(biāo)客戶(hù)以及幫助TI從手機(jī)等消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)向工業(yè)、通信領(lǐng)域的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。

    工業(yè)領(lǐng)域一直不變的共同追求有3個(gè)：可靠性、穩(wěn)定性和長(zhǎng)期供貨能力。盡管工業(yè)市場(chǎng)不像消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)那樣對(duì)多核處理器和性能追求極致，但工業(yè)市場(chǎng)有個(gè)非常明顯的發(fā)展趨勢(shì)，從傳統(tǒng)意義上簡(jiǎn)單的、單向的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制開(kāi)始向復(fù)雜的、組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工業(yè)控制演進(jìn)，這是傳統(tǒng)上說(shuō)的工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程。在歐洲、美國(guó)、日本很多大的工業(yè)企業(yè)都開(kāi)始將整個(gè)進(jìn)程提速，目前中國(guó)也有很多企業(yè)在做這些事情。每一顆處理器以及每個(gè)設(shè)備要兼顧通信、控制以及運(yùn)算，所以對(duì)性能的要求會(huì)大幅度提升。TI針對(duì)客戶(hù)的訴求推出了AM335x的升級(jí)版AM437x處理器，近日，德州儀器中國(guó)區(qū)通用處理器業(yè)務(wù)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(guó)區(qū)通用處理器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理牟濤先生

亮點(diǎn)概況

    先來(lái)看看AM437x內(nèi)部架構(gòu)。

圖2 AM437x內(nèi)部架構(gòu)

    牟濤先生特別精辟地概括了AM437x的幾大優(yōu)勢(shì)：（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(duì)Flash和存儲(chǔ)器的支持做了相當(dāng)大的提升和優(yōu)化；（3）圖像加速器；（4）4核可編程實(shí)時(shí)單元（PRU），這是TI有別于ARM處理器供應(yīng)商的最大差異化的技術(shù)；（5）定位為低功耗，利用TI獨(dú)特的低功耗工藝使得AM437x內(nèi)部所有功能都運(yùn)作起來(lái)功耗也在1 W以?xún)?nèi)。牟濤先生對(duì)于其中的亮點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

前瞻性的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

    我們都知道，F(xiàn)lash和存儲(chǔ)器工藝的發(fā)展要快于處理器，牟濤先生說(shuō)：“有一些客戶(hù)有這樣的困惑，我們的處理器用了幾年之后，F(xiàn)lash、存儲(chǔ)器工藝都升級(jí)了，一些老的Flash、存儲(chǔ)器無(wú)處購(gòu)買(mǎi)。TI在定義AM437x時(shí)考慮到客戶(hù)在5年以后可能會(huì)遇到這樣的問(wèn)題，所以我們對(duì)Flash和存儲(chǔ)器控制方面做了一個(gè)更有前瞻性的設(shè)計(jì)，集成了32位低功耗DDR2/DDR3/DDR3 Low Power，基本把從現(xiàn)在到未來(lái)5年比較主流的尤其是工業(yè)市場(chǎng)主流的控制器集成在AM437x中。”

圖形顯示

    業(yè)界對(duì)HMI和屏幕分辨率的要求越來(lái)越高，AM437x里繼承了SGX530圖形加速器，同時(shí)有個(gè)顯示子系統(tǒng)，有別于Sitara前幾代產(chǎn)品（只是個(gè)LCD控制器），AM437x里增加了對(duì)于一些圖形圖像處理的硬件加速器。牟濤先生舉了個(gè)例子：“客戶(hù)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(yùn)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(huì)更快，效果也會(huì)更好，同時(shí)客戶(hù)在做這些圖像處理時(shí)也不需要占用ARM的運(yùn)算資源，完全由片上硬件加速器來(lái)實(shí)現(xiàn)。”

PRU

    亮點(diǎn)總是在最后，記者之所以最后強(qiáng)調(diào)PRU是因?yàn)樗呀?jīng)成了整場(chǎng)發(fā)布會(huì)的主角，這也源自于它的功能和獨(dú)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(mǎn)足實(shí)時(shí)處理、直接訪(fǎng)問(wèn)I/O和超低時(shí)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(dú)特的技術(shù)，也是我們有別于其他ARM處理器供應(yīng)商最大的特色。它能夠給客戶(hù)帶來(lái)的非常大的好處，不光是成本，在設(shè)計(jì)的靈活性上都有很大的提升。”

    其實(shí)AM335x也有PRU，但是當(dāng)時(shí)只集成了2個(gè)PRU，現(xiàn)在有4個(gè)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(guò)去PRU只支持匯編語(yǔ)言，TI正在研究讓它支持C語(yǔ)言。在功能性擴(kuò)展上，牟濤先生說(shuō)：“4年前TI談PRU的時(shí)候只有一個(gè)功能，用PRU做多串口的擴(kuò)展（串行通信協(xié)議），最近這幾年我們很高興看到，PRU能實(shí)現(xiàn)的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是多串口，已經(jīng)有客戶(hù)用它做私有加密協(xié)議的開(kāi)發(fā)，還有通過(guò)PRU擴(kuò)展工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議，例如EtherCAT、PROFIBUS，同時(shí)所支持的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議也在不斷增加。”

   此外，AM437x還支持豐富的外設(shè)：兩個(gè)并行攝像頭端口，適合條形碼掃描儀等應(yīng)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(dòng)并運(yùn)行；兩個(gè)獨(dú)立的8通道ADC，適用于伺服電機(jī)控制、音頻采樣和傳感器監(jiān)控。

PRU契合工業(yè)應(yīng)用

   牟濤先生舉例說(shuō)明了為什么PRU特別契合工業(yè)應(yīng)用：“隨著控制算法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，用傳統(tǒng)意義上RS-485串口通信協(xié)議遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化的要求，很多客戶(hù)開(kāi)使用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(zhuān)用的ASIC或可通信協(xié)處理器，這無(wú)形中增加了系統(tǒng)成本，而且設(shè)計(jì)也不靈活。為什么TI在這一環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)PRU的好處呢？我們會(huì)把原來(lái)意義上的MCU和MPU對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、處理以及對(duì)通信協(xié)議的集成通過(guò)PRU集成到一個(gè)單芯片里。PRU本身是可編程的且運(yùn)算性能足夠強(qiáng)。已經(jīng)有很多成功案例，例如現(xiàn)在EtherCAT、PROFIBUS等很多客戶(hù)在用這樣的方式做升級(jí)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(gè)專(zhuān)用芯片只能做一個(gè)通信協(xié)議，但由于PRU是可編程的，所以我們?cè)谝活w芯片設(shè)計(jì)中可以同時(shí)支持多協(xié)議，也就是說(shuō)，一個(gè)客戶(hù)在產(chǎn)品中可以根據(jù)自己不同終端客戶(hù)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(hù)要做的只是換個(gè)架構(gòu)軟件，所有的硬件設(shè)計(jì)可以兼容，這樣給工業(yè)客戶(hù)帶來(lái)非常大的好處，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，避免了在硬件設(shè)計(jì)上的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。這是TI為什么在工業(yè)市場(chǎng)非常有優(yōu)勢(shì)，而且為什么強(qiáng)調(diào)PRU處理器的原因，” 牟濤先生補(bǔ)充到。

    傳統(tǒng)意義上做工業(yè)驅(qū)動(dòng)器及馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候都用MCU（如C2000）或其他的架構(gòu)。TI在AM437x片上集成了4核的PRU，有4個(gè)獨(dú)立的PRU運(yùn)算單元，PRU除了可以做通信協(xié)議運(yùn)轉(zhuǎn)之外還有足夠的資源做馬達(dá)控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法。AM437x片上集成了多個(gè)PWM和AD，外設(shè)上構(gòu)成了足夠針對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)回路，用PMW驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，用片上AD和前面的馬達(dá)組成一個(gè)運(yùn)算位置的反饋回路，這樣既保證了實(shí)時(shí)性又保證了對(duì)于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算的可靠性和準(zhǔn)確性。牟濤先生認(rèn)為，這有可能在未來(lái)給整個(gè)工業(yè)市場(chǎng)帶來(lái)很大的突破，真正意義上實(shí)現(xiàn)單芯片，不僅是決定工業(yè)通信協(xié)議的問(wèn)題，甚至也有機(jī)會(huì)把馬達(dá)驅(qū)動(dòng)用一個(gè)單芯片實(shí)現(xiàn)。

    AM437x真正的考驗(yàn)應(yīng)該不是來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因?yàn)槟壳八仟?dú)一無(wú)二的，真正的考驗(yàn)來(lái)自種類(lèi)和應(yīng)用環(huán)境都變化多端的工業(yè)市場(chǎng)。

圖3 AM437x通用評(píng)估模塊

記者后注：TI工程師向記者演示了通用評(píng)估板，由于是第一版，沒(méi)有校準(zhǔn)屏幕，所以觸摸時(shí)鼠標(biāo)不太好用。整體來(lái)看，模塊該接出來(lái)的接口都有了，而且工程師演示的3D效果確實(shí)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(yàn)了！