汇聚式处理器工业应用指南

2011-01-31 15:16:03来源: 电子工程专辑
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、DSPFPGA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。

(电子工程专辑)
图1:独立评估机构BDTI对定点处理器的每美元速度比评估。


Blackfin处理器工业应用指南

具有丰富特性的Blackfin处理器非常适合各种工业应用,而且可选择的产品系列众多,多种功耗特性、处理能力和集成不同外设特性的处理器可以更具针对性地满足您的工业应用目标,而ADI清晰的产品发展路线图确保了持续满足发展的应用需求,以保证用户的设计资源的持续有效利用。本文将介绍几款适合工业应用的典型Blackfin处理器的主要特性供您参考。

(电子工程专辑)
图2:Blackfin系列处理器主要特性对比。

1. 针对工业应用优化的BF50x

BF50x秉承了Blackfin处理器独有的先进信号处理功能与通用微控制器的易用性,以业界时钟为150-200MHz的处理器价格提供了400MHz的处理性能,实现了突破性的性能和功效。利用BF50x处理器的高处理能力,工程师可以开发出更精确、更高能效的工业控制自动化应用系统,包括逆变器控制、不间断电源(UPS)和马达控制,以及计量和高级感应应用(电能计量、流量计量等)。BF50x的性能裕量使得工程师可以在先进的系统建模中实现先进的理论和算法,从而实现任何实时系统的最优化的功效和控制效率。

Blackfin BF50x内置的可选双SAR ADI ADC利用了ADI公司全球领先的ADC技术,提供了真正12位精度,是集成ADC的DSP中性能最高的处理器,可以实现更高精度的数据转换,使其成为包括电源逆变器、UPS、伺服控制和电机控制等应用的理想之选。BF50x内置两个真正16位分辨率的三相PWM单元,每个PWM模块都集成了一个灵活可编程的三相PWM波形发生器,通过编程设置以产生针对感应马达(ACIM)或者永磁同步马达(PMSM)控制所需要的开关模式来驱动三相电压源逆变器。4MB片上可执行闪存存储器、针对CAN的外设支持以及脉冲波形调制和移动存储选项等特性使片外的器件最少,从而降低整体系统成本。

2. 数字信号处理器性价比新标杆——BF51x

BF51x系列为汇聚式处理器家族带来四个具有显着特色的成员,最低不足5美元/片的价格为更多任务业系统设备利用到汇聚式处理器的优越性大大降低了成本门槛,在继承汇聚式处理器的高性能、低功耗的优秀“基因”的同时,增加了诸多特性为工业与仪表应用、便携式产品带来更大设计便利性。

BF51x的低价格并没有以牺牲性能为代价,相反增加了很多在其它Blackfin处理器中没有的新特性,包括:在高达400MHz的Blackfin内核中集成116KB存储器、512KB闪存,以太网MAC(IEEE-1588),带3相PWM输出的PWM单元,x1 SDIO / CE-ATA,LockBox/OTP 8kB。其中,BF518是首款支持IEEE-1588-2008标准的低成本处理器(IEEE-1588-2008是IEEE-1588的最新标准,提供网络测量与控制系统用精密时钟同步的协议),这为包括继电保护产品在内的电力线监测系统提供了满足未来通信标准的硬件支持。

BF51x集成特性还包括:支持16个立体声I2S数字音频通道、12个外设DMA通道,还提供了内置的高级存储控制器,用于实现与多组外部SDRAM、SRAM、闪存或ROM的无缝连接,每个处理器包括两个双通道同步串行通信端口(SPORT)、一个高速并行外设接口(PPI)、一个I2C兼容双线接口(TWI)、两个PC兼容的UART,以及两个SPI兼容的串行外设接口端口。广泛的接口支持使系统具有更大的扩展灵活性。ADI联合第三方方案提供商已经向中国企业提供了基于BF518处理器的电力线监测参考设计,并已经获得多家中国企业的批量应用。

3. 高性能Blackfin处理器——BF540x系列

ADSP-BF54x系列Blackfin处理器的工作频率高达600MHz,其内部总线带宽倍增到532每秒兆字节以满足工业系统集成的外设要求。内部带宽用高达260KB的内置存储器匹配。ADSP-BF54x系列Blackfin处理器的特点是在增加的I/O端口和存储器带宽、内置存储器以及控制器局域网(CAN)和面向媒体系统传输(MOST)系统的外围设备集成度之间进行了权衡,以便为工业应用提供高性能和低成本优势。

BF54X系列还内置Lockbox安全技术,允许工业系统开发商通过验证确保代码和数据的完整性,并且通过对系统部分或全部加密保证其机密性。BF54x处理器系列产品适合那些要求现场可升级、本地存储和显示能力至关重要的多种工业应用,包括工业自动化、无线基础设施、无线电信设备和交换机,以及能使BF54x系列的处理性能和高级外设区分终端应用的安全系统。

丰富的工业应用第三方设计资源

为加强对客户基于Blackfin系列处理器的应用开发支持,缩短产品开发周期、降低开发成本和应用门槛,ADI不仅在全球营造了由近百家具有各种领先技术能力的第三方机构组成具有强大技术支持能力的生态系统外,还在中国努力组建一个优良的本地化“生态系统”,即由ADI及其合作伙伴构成网络,为客户提供相关的软件、工具、参考设计、教育培训等支持。

对于工业应用,ADI第三方合作伙伴团队包括很多本地优秀技术提供商,如北京亿旗创新、东方迪码、深圳市英蓓特、华恒科技、长沙新竹等,他们不断推出低价位、更方便使用、支持更便利的本地开发工具和系统方案。

供稿:ADI公司

关键字:汇聚  处理器  指南

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0131/article_4715.html
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