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汇聚式处理器工业应用指南

2010-10-13 13:34
木中君
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  对电子产品设计工程师来说,市场对产品提出的低功耗、高性能、低成本、高集成度这些近乎苛刻的要求像紧箍咒一样让人头痛。而对于工业系统设计工程师来说,还面临恶劣的工作环境和高可靠性要求,同时还必须应对当前广泛存在的诸如高精度、网络化、智能化和集成化等发展趋势提出的设计新挑战。此外,低功耗的设计要求过去还只是便携式产品设计工程师所必须面对的,而今低功耗相关的低碳概念已经深入人心,提高工业基础设施的能效已成为一项全球化运动。

  对于工业应用系统产品设计来说,所有这些都几乎与核心处理器分不开:核心处理器的低功耗特性决定了系统的运行功耗水平;高精度要求处理器具有高处理能力;智能化和网络化对处理器的处理能力及资源配置提出了新的要求;核心处理器更决定了系统方案的集成度、成本……选择恰当的核心处理器是工业应用系统设计工程师完成设计目标的关键首要步骤。

  多种选择各具优势,汇聚式处理器受青睐

  当前嵌入式系统设计中,基于MCU、DSP、FPGA及ASIC的解决方案占据了超过90%的市场份额,这些方案各自在成本、功耗、集成度以及开发环境支持上分别具有不同的特点。毋庸置疑,在嵌入系统应用中,微控制器占据大部分的市场份额。MCU凭借其强大的控制功能、通用性、丰富的外设集成、成本优势和应用便利性,广泛地用于消费类电子、通信、汽车、工业等领域;FPGA以其设计灵活性着称,利用FPGA可以实现任何数字器件的功能;DSP则以其卓越的数据处理能力以及优秀的算法,成为数字信号处理应用的首先核心引擎。

  然而,MCU在系统需要进行多功能扩展时通常面临处理能力不足的尴尬,特别是在当前工业系统中越来越多的需要强大的数据处理能力、通信能力的条件下尤其如此。FPGA始终在功耗和芯片成本上难以实现更大的突破,即便是该阵营的厂商也不得不承认难以在规模应用中推广的现实。DSP的卓越数据处理能力同时意味着在系统控制功能上的短板,与MCU在工业应用中的尴尬类似,MCU+DSP通常成为满足系统控制功能与数据处理能力需求的不得已的选择。现实的需求促进了DSP和MCU融合产品的出现——兼具DSP和MCU在数据处理及系统控制中各自优点,其中由ADI推出的Blackfin处理器是目前市场唯一的汇聚式架构DSP产品。

  Blackfin处理器基于ADI和Intel联合开发的微信号架构,将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加信号处理功能,与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。Blackfin处理器包含一个10级RISC MCU/DSP流水线和一个专为实现最佳代码密度而设计的混合16/32位指令集架构。这种处理特征的组合使Blackfin处理器能在工业应用中的信号处理和控制处理应用中均能发挥出色作用。Blackfin处理器提供单内核高达750MHz/1,512MMACS的性能(在双内核BF561中更高达3,000MMACS),在许多任务业应用中无需增设单独的MCU,从而简化了硬件和软件设计和实现难度。具有丰富特性的Blackfin处理器非常适合各种工业应用,包括从低端电力计量、马达控制到高端联网的电力控制系统等应用,各种型号涵盖了低成本以及高性能,设计工程师可以针对其特定的工业应用选择更具优化特性的Blackfin处理器。

  选择符合您目标设计的处理器

  处理器作为系统的核心器件,其自身的功能特性将对系统的软硬件设计产生重要影响:越丰富的片上资源将给系统设计带来更大的便利性,缩短开发时间并降低开发成本;在相近的成本条件下,更高的处理能力将给系统带来更强的扩展性,方便产品的升级;包括开发平台、第三方设计资源在内的开发环境将能有效降低技术门槛……没有最好,只有最适宜,任何一款微处理器都不可能尽善尽美,仔细评估您的产品特性需求、目标处理器的功能特性,选择一款最适合的处理器。

  对于工业应用而言,环境条件是首要的考虑因素,包括环境温度、电磁干扰、可靠性,等等。选择具有扩展的工业温度范围的处理器是基本要求,Blackfin处理器各个系列均提供了从-40℃到80℃的扩展工业温度范围以及0℃到70℃的两种选择。更高的集成度通常是提高抗电磁干扰特性、可靠性的有效手段,近年来ADI针对各种主要的工业应用推出了多个系列优化的Blackfin处理器,有效地集成了目标应用的主要外设特性,例如针对电机控制应用集成了PWM单元、ADC的BF50x,集成PWM单元、内置116kB RAM、4Mb可选择串行闪存的BF51x等。

  近年来,对于几乎所有的行业来说,所用的产品技术、功能及行业标准的更新换代都在不断加快,工业应用也不例外。在进行方案选择时,考虑产品可能的升级换代及功能扩展需求有助于保护企业的研发投入和提升竞争力。ADI公司已经形成了完善的Blackfin产品系列以及清晰的产品发展路线图,企业完全可以在将来的新产品及换代产品中继续选择更加符合目标开发需求的其它Blackfin处理器,不同Blackfin处理器之间代码的兼容特性能保证研发成果的持续可用性。此外,基于Blackfin处理器的产品设计通过软件升级非常方便产品的更新换代,甚至在线产品升级。更重要的是,Blackfin处理器强大的处理能力通常能满足未来产品功能扩展之需,或者针对不同的功能需求、标准定义扩展出多个产品系列。

  在对多个可用方案进行选择时,可用的片上资源通常是评估的关键因素。通常我们会涉及主频、有无内置的以太网MAC、I/O端口数量、支持哪些OS等……以上都涉及芯片资源的问题,微处理器自带什么样的资源是选型的一个重要考虑因素。在相近的成本和功耗约束条件下,通常处理器自带资源越接近产品的需求,产品开发相对就越简单,整体系统成本也越低,资源越丰富的处理器其可扩展性及设计灵活性越高。Blackfin处理器支持包括VisualDSP自带的操作系统内核(VDK)、ThreadX、uCLinux和Nucleas等获得业界广泛应用的操作系统,避免了工程师在从其它处理器平台移植到Blackfin平台时因更改操作系统而延长终端产品开发周期。Blackfin处理器架构具备功能强大且灵活的分层存储器架构、良好的代码密度以及各种的微控制器型外设(包括10/100以太网MAC、UARTS、SPI、CAN控制器、支持PWM的定时器、看门狗定时器、实时时钟和一个无缝同步和异步存储器控制器)。这些特性为设计人员提供了设计灵活性,并最大限度地降低了系统成本。特别是近年来ADI公司针对电力线监测以及马达控制等工业应用,在新推出的Blackfin处理器系列中集成了更多独特的外设,进一步提高了工业应用方案的集成度,降低设计难度。

  今天,提高能效已成为一项全球化运动,工业系统作为传统的能源大户也面临越来越严格的低功耗设计要求,选择具有更低能耗的核心处理器也成为考虑的主要因素之一。Blackfin处理器采用了各种高级设计技术,包括:可编程电压与频率调节、时钟周期分辨率动态时钟门控、支持深度睡眠与休眠模式的多电源域、可实现总线激活能量最小化的高代码密度、用于实现最佳性能与电源效率的混合阈值电压晶体管、实现最大电源效率的完全定制的处理器内核、使用灵活的硬件加速器,以及支持mSDRAM以实现最小板级功耗……以BF51x为例,其待机模式功耗低于1mW,可提供8.5MMACs/mW(100 MHz)的单位功耗性能。

  低成本是几乎所有产品开发不可回避的问题。近年来,ADI在提供低成本Blackfin处理器及配套产品上不遗余力,最新的BF50x和BF51x系列处理器均提供了多款低于5美元的产品。ADI还针对BF50x系列新推出了低成本的(199美元)EZ-KIT Lite评估套件,为处理器评估提供了最经济实惠的选择。同期在中国全面上市最新款超低价、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE-100B首次将价格降到150美元的新低,为设计师提供了低成本、高性能的设计工具。如图1所示,独立评估机构BDTI对定点处理器的每美元速度比评估中,Blackfin处理器具有优异的表现。

  

  图1:独立评估机构BDTI对定点处理器的每美元速度比评估。

 

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