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兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身!xCORE内核深度解析

导读: 前不久,华为、博世、赛林思投资一家英国半导体公司XMOS的消息传出,引起不小关注,让业内颇为好奇的是,这家在半导体业界并不显眼的公司,为什么获得了华为和博世等的青睐?

  OFweek电子工程网讯 前不久,华为、博世、赛林思投资一家英国半导体公司XMOS的消息传出,引起不小关注,让业内颇为好奇的是,这家在半导体业界并不显眼的公司,为什么获得了华为和博世等的青睐?为深入了解和挖掘这家公司的技术和价值,笔者特地走访了XMOS的具有较强技术实力和方案开发能力的国内代理商深圳木瓜电子科技有限公司,从XMOS核心产品及其主要应用来看看这家公司的独具魅力之处。

  XMOS是一家来自英国布里斯托尔市的无晶圆厂半导体公司,推出了一种称为xCORE体系架构的32位多核实时微控制器,该系列处理器具有多个时序可确定的、可并行执行任务的32位处理内核(有4、6、8、10、12、16、24、32核),单核主频最高可达200MIPS,支持诸如C和C++等高级编程语言,可使用软件准确的配置设计所需的外设接口。当然多核微控制器对于现在来说并不是让人耳目一新的产品,而笔者惊讶的是:xCORE内核兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身!何以做到如此?我们可以从其内核架构和I/O特性得到答案。

  xCORE内核深度解析

  内核架构:

  据木瓜电子技术支持工程师邱松晓介绍,简单来说,xCORE实质是多核的RTOS MCU架构,其中一个核的性能可相当于一个ARM Cortex M3,一个8核的XMOS MCU性能可以相当于8个Cortex M3,非常强大。xCORE目前应用最多的是8核和16核的产品,以型号为XU216的主控为例,其架构和特点如图1、图2所示:

  兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身!xCORE内核深度解析

  图1:XMOS的多核架构▲

  兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身!xCORE内核深度解析

  图2:XMOS内核特性▲

  xCORE中多个核就像一个团队并行运行,单个核的最高运行速度可达200 MIPS,16核累加最高可达2000MIPS,而且各个核执行任务互不干扰,使用通道实现线程间的通讯,可以执行庞大的任务量。其同时具有成熟的、开源的IP核外设,如UART、SPI、IIS、ETH、CAN等,也具有DSP运算库IP,工程师可以调用此库来完成复杂运算。xCORE中每个Tile可以管理8个核,并且通过其特有的xConnect功能,可将多个XMOS芯片进行级联,对开发者而言,可看做成一个具有更多核的单芯片。

  I/O特性:

  XMOS的I/O具有其独特的特性,兼备FPGA和MCU的I/O特点。其具备的1bit port可用于串行的输入和输出,并且用来实现一些特别的时序操作。同时也具有多位的并行口,如4bit 、8 bit、16bit这些I/O口,这些并行I/O口用来输入输出并行数据,如外接SDRAM,TFT屏等。如上述16核的XU216就有32个1bit、12个4bit、8个8bit、4个16bit、2个32bit口。xCORE突破了常用MCU的外设限制,可像FPGA一样软件定义接口、灵活增加外设。

  兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身!xCORE内核深度解析

  图3:xCORE接口定义示例▲

  实时性:

  xCORE还有一个不得不说的优势就是实时性非常高,传统的MCU执行中断,需要停止当前的程序运行,进行相应的入栈操作,然后执行中断程序,中断程序执行完毕后,再执行出栈工作,继续执行被打断的程序。而XMOS事件中断可以被定时器、IO口和任务来触发中断,事件一旦被触发,立即执行。并且执行触发操作的线程可继续向下执行,不被打断。在触发事件中断的处理上,显得更为实时性和低延时,在响应速度上,比传统MCU快100多倍。

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  图4:XMOS事件中断机制▲

  总的来说,“虽然XMOS实质性是多核的MCU,但是与传统的MCU相比,又大不同。XMOS独特的xCORE体系架构,硬件的RTOS运行机制,使它具备很高的执行速度,可以使用多个核来做多个算法,所以体现出有DSP的运算能力;它可以像FPGA那样灵活的配置引脚,通过软件灵活定义硬件外设,而不像MCU那样外设已经固定。因此我们说它兼具了MCU的逻辑操作、DSP的运算能力和FPGA的灵活引脚等能力。”邱松晓说道。

  兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身!xCORE内核深度解析

  图5:XMOS具MCU、DSP、FPGA功能于一身▲

  而此特性带来的改变是,以往一些需要采用MCU、DSP和低端FPGA三颗芯片的方案,现在只用一个XMOS就能搞定。如图6所示,该系统中主要器件有一颗ARM Cortex M3 MCU,一颗DSP芯片和一颗CPLD可编程逻辑器件、一颗采样率转化芯片和一颗音频解码芯片。除了AD1895采样率转换芯片和CS8406音频解码芯片不能取代外,系统中的三个主控芯片可以用一颗XMOS芯片取代。这样的好处是,不仅整体方案成本可以大幅降低,而且也降低了设计复杂度,缩短了开发周期。而且,木瓜电子更是进一步做到:“现在我们的方案已经可以取代了AD1895,可以用软件实现SRC功能,这四个芯片撘起来的系统,用一个XMOS芯片就可以实现了,成本很有优势。”邱松晓说道。

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  图6:XMOS方案减低BOM成本和开发难度▲

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责任编辑:Trista
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