基于ARM v7 Cortex A8的開發平臺

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一、ARM Cortex處理器概述

隨著嵌入式技術應用領域的不斷擴展,對嵌入式系統的要求越來越高,而作為嵌入式系統核心的微處理器也面臨日益嚴竣的挑戰。ARM公司從成立以來,一直以知識產權(IP,Intelligence Property)提供者的身份出售知識產權,在32位RISC CPU開發領域中不斷取得突破,其設計的微處理器結構已經從v3發展到現在的v7。ARMv7架構是在ARMv6架構的基礎上誕生的。該架構采用了Thumb-2技術,它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術的基礎上發展起來的,并且保持了對現存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術比純32位代碼少使用31%的內存,減小了系統開銷,同時能夠提供比已有的基于Thumb技術的解決方案高出38%的性能。ARMv7架構還采用丁NEON技術,將DSP和媒體處理能力提高了近4倍。并支持改良的浮點運算,滿足下一代3D圖形、游戲物理應用以及傳統嵌入式控制應用的需求。此外,ARMv7還支持改良的運行環境,以迎合不斷增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptlve Compilation)技術的使用。

Cortex系列處理器是基于ARMv7架構的,分為Cortcx-M3、Cortex-R和Cortex-A三類。ARM Cortex-M3處理器是為存儲器和處理器的尺寸對產品成本影響極大的各種應用專門開發設計的;ARM Cortex-R系列處理器目前包括ARM Cortex-R4和ARM Cortex-R4F兩個型號,主要適用于實時系統的嵌入式處理器;而ARM Cortex-A8處理器是一款適用于復雜操作系統及用戶應用的應用處理器。

Cortex-A8是ARM公司有史以來性能最強勁的一款處理器,主頻為600MHz到1GHz,在65納米工藝下,其功耗低于300毫瓦,而性能卻高達2000MIPS。

其結構如圖:

Cortex-A8采用了復雜的流水線構架,針對強調功耗的應用,Cortex-A8采用了一個優化的裝載/存儲流水線,順序執行,同步執行的超標量處理器內核,其擁有13級主流水線,10級NEON多媒體流水線,可以提供2 DMIPS/MHZ的性能;它有優化的L1緩存,可以提高訪存儲問速度,并降低功耗;它有專用的L2緩存,在編譯的時候,可以把緩存當作標準的RAM進行處理,而緩存大小可以靈活配置,緩存的訪問延遲也可以編程控制;它有基于執行記錄的動態跳轉預盼,這不僅提供高達95%準確性,而已也提供重放機制以有效降低預判錯誤帶來的性能損失;
在技術方面,使用了能夠帶來更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb?-2技術。它首次采用了強大的NEONTM信號處理擴展集,對H.264和MP3等媒體編解碼提供加速。Cortex-A8解決方案還包括Jazelle?-RCT Java加速技術,對實時(JIT)和動態調適編譯(DAC)提供最優化,同時減少內存占用空間高達三倍。此外,新處理器還配置了用于安全交易和數字版權管理的TrustZone?技術和AMBA? 3 AXI?互連協議,而且實現低功耗管理的IEM功能。

不僅如此,針對Cortex-A8,ARM公司專門提供了新的函數庫(Artisan Advantage-CE)。新的庫函數可以有效的提高異常處理的速度并降低功耗。同時,新的庫函數還提供了高級內存泄漏控制機制。

在高性能的90納米和65納米工藝下,Cortex-A8處理器運行速度最高可達到1GHz,從而滿足高性能消費產品設計的需要,而這一切也使之成為實現下一代應用性能的最佳選擇。

二、TI OAMP35x處理器的特點

德州儀器(TI)日前宣布推出四款新型 OMAP 處理器,采用最新上市的ARM Cortex-A8 內核技術,在單一芯片中實現了手持式功率級中堪比筆記本電腦的高性能功能組合。最新 OMAP35x 處理器進一步豐富了 TI 業經驗證的領先無線手機技術,能夠幫助主流客戶滿足新市場領域的要求,如車載應用、消費類設備、嵌入式以及醫療設備等。這種集成的單芯片處理器將照片級真實感 (photo-realistic) 圖形效果與 TI 高級視頻 DSP 技術相結合,在市場上各種單芯片組合中提供了最佳的集成多內核處理功能。這些革命性突破的應用處理器必將有助于 OEM 廠商針對重新定義用戶界面、網頁瀏覽、工作效率以及多媒體體驗標準。

TI 的 OMAP35x? 處理器系列基于 ARM?Cortex?-A8 內核,由四款超標量應用處理器組成,提供了業界最佳的通用、多媒體和圖形處理單芯片組合。Cortex-A8 是一款超標量內核,提供了超出 ARM9 四倍的性能提升。TI OMAP35x處理器系列共包含 OMAP3503、OMAP3515、:OMAP3525 以及 OMAP3530四款不同的單芯片處理器,其發展路線和主要特性如下兩圖:

1 OMAP3503:面向嵌入式主板運算處理的應用處理器

OMAP3503 應用處理器包含一個 ARM Cortex-A8 內核,集成了豐富的外設集,Cortex-A8 內核的時鐘速度比 300MHz ARM9 提高了一倍,也因此實現了兩倍性能的提升。由于采用彈性架構,OMAP3503再度提升兩倍性能,能在單一處理器內支持指令級并行技術,從而在時鐘速率不變的情況下加快了 CPU 吞吐量。Cortex-A8 的性能翻了兩番,達到 1200 Dhrystone MIPS,從而能夠運行 Windows Embedded CE 與 Linux 等全功能操作系統。它不僅能夠幫助用戶更快存取數據庫、數據手冊、電子表格、演示文件、電子郵件以及音視頻附件,還可提高 網頁瀏覽與視頻會議等應用程序的運行速度。該處理器還支持更快的啟動時間與Java 應用,非常適合嵌入式處理器電路板。

2 OMAP3515:面向游戲或便攜式導航系統的應用

OMAP3515 應用處理器擁有與 OMAP3503 同樣豐富的外設集和 ARM 內核,同時還附帶有首次廣泛提供的集成 OpenGL ES 2.0 圖形引擎。基于 Imagination Technologies PowerVR SGX 圖形加速器的 OMAP3515 可在手持設備上展現擁有 PC 游戲質量的圖形,每秒可提供的多邊形高達 1 千萬個,能實現照片級真實感的圖形效果,從而大幅增強了智能設備的用戶界面。OMAP3515 是嵌入式游戲或簡單便攜式導航系統的理想處理器。

3 OMAP3525:面向嵌入式應用的多媒體處理功能

OMAP3525 應用處理器擁有與 OMAP3503 同樣豐富的外設集和 ARM 內核,同時還附加集成達芬奇技術,用于音頻、視頻和成像,更能滿足高清視頻、影像、音頻以及多媒體加速功能的需求。OMAP3525 是市場上首款能夠在 500mW 以下提供高清解碼的應用處理器。集成的達芬奇技術是硬件啟用的視頻和成像處理技術,加上專門的視頻中心外設,能使 OMAP3525 以 720p、30fps 實現 MPEG-4 SP 高清視頻解碼。OMAP3525 是多媒體和視頻應用的理想選擇,將為用戶帶來新的性能標準,因此非常適合使用于便攜式媒體播放器。。

4 OMAP3530:面向多媒體智能設備的單芯片解決方案

OMAP3530 應用處理器是一個擴展集器件,它將 OMAP3503、3515 和 3525 的所有特性合并于單一的芯片上。OMAP3530在單芯片上集成了 ARM、DSP、圖形引擎、達芬奇技術以及豐富的外設集,因此能夠滿足高性能需求、低功耗工作與娛樂性應用。作為理想適用于因特網設備與便攜式病人監護設備等各種潛在應用的處理器,OMAP3530 在針對電源而優化的設計中提供了高集成度特性,因而能夠以更輕薄時尚的外形帶來各種新型誘人應用。另外,全新用戶接口與圖形功能還有助于更方便地集成至現有的商業或消費類產品設計中。因此借助 OMAP3530,OEM 將能夠向用戶交付高性能、低功耗的娛樂應用。

為了提高該性能等級的產品對嵌入式應用的吸引力,OMAP35x 處理器還支持在電量極為有限的環境下運行有關應用。為了實現這種功耗等級,OMAP35x 處理器集成了三種技術。首先,處理器架構采用多內核設計,這樣每個內核都能專注處理各自負責的任務,從而實現效率最大化。其次,該處理器采用 65 納米低功耗工藝制造而成。最后,該產品采用 TI 的 SmartReflex技術,能根據設備工作情況、工作模式、工藝技術以及溫度變化等因素動態控制電壓、頻率與功耗。

這些處理器提供了多種組件結合的不同解決方案,其中包括 Cortex-A8 內核、豐富的多媒體外設、符合 OpenGL ES 2.0 標準的圖形引擎、視頻加速器以及TMS320C64x+ DSP 內核。專為以視頻為中心的客戶設計的達芬奇軟件技術,更可運用在最高視頻性能的OMAP3525 與 OMAP3530中。由超過400多家公司組成的TI Developer Network也能提供從操作系統實施到應用用戶接口的豐富專業技術,以支持最新OMAP35x 處理器的開發工作。上述應用處理器還支持12MP相片捕獲功能,且引腳對引腳兼容,因此能夠幫助 OEM 廠商在單一平臺的基礎上方便高效地創建完整產品系列。基于前代 ARM器件及 C64x+ DSP 開發的軟件也能與 OMAP35x 處理器的內核相兼容。

三、EVM的行業應用

圍繞著TI全新的OMAP35X應用處理器,天漠科技立刻在第一時間推出了的基于OMAP35x系列的EVM開發平臺,開發平臺不僅擁有更加友好的用戶界面,便攜式設備更加小巧、電池壽命更長,而且通過以單芯片在手持設備功率級上提供如同筆記本電腦般的性能,能更好的滿足消費者的實際應用需要和特殊的應用需求。這塊命名Embest_OMAP_EVM的開發平臺,主要包括如下配置:

DDR 266或333,容量可擴展到64*32bit

標準的FLASH,擴展可以多種容量(<32GB,如果要啟動容量<8G)

兼容4/8位,1.8V/3.3V邏輯的SD/MMC接口。

高速 USB OTG,HOST接口

100M/10M自適應網卡

立體聲輸出、輸入

S-VIDEO輸出

RS232接口

12位的Camera接口

24位色彩 3.3V邏輯的LCD接口

多功能擴展接口(SPI、IIC、UART、MMC、MCBSP、GPIO)

6*6的矩陣鍵盤接口

總線接口

JTAG調試接口

該開發平臺將成為這些新型設備和如下應用的核心:

1. 安防終端設備解決方案

安全是指保護資產(物理和邏輯)免遭非法訪問、失竊或損壞。在當今日漸無常的世界中,人們對安全、防衛和隱私保障的需求日漸增強,這也就促進了各種智能安防解決方案的誕生,包括防衛監控,指紋識別、加密以及智能卡等新型技術。

如利用Embest開發平臺上的Camera接口,視頻處理技術,音頻處理技術等,可以做監控應用 ,如圖所示:

為了能在所有照明條件下工作,我們也可以在其監控范圍內添加了 LED,需要使用的 LED 數量取決于目標距離,以及成像器的大小和類型。對于彩色、黑白和紅外成像器來說,要求各不相同。確定所需 LED 數量的最佳方法仍是根據經驗判斷所需的照明。我們通過TI 的 TPS54xx/TPS402xx 能夠高效地提供轉換以驅動 LED。在具有嘈雜聲音的地方,如商業區或街道,具有集成數據轉換器的 MSP430 非常適合于對聲音進行處理并對信號預進行過濾,以便將數據轉換器的敏感度調節到噪聲基底。OPA36x 緩沖器系列和 DRV13x/DRV600 音頻驅動器能確保在整個傳輸路徑中保持信號保真度。在軟件方面,可通過電機控制算法使安全操作員能夠通過操縱桿接口控制攝象機的移動,軟件還會創建用于顯示攝像機名稱、日期和時間的時間戳。為攝像機中的圖像標上時間戳可以最大限度地減少對操作員級視頻輸入的外部篡改能力。在音頻信號路徑中,軟件將對數據轉換器的靈敏度進行篩選和修改,并負責同步音頻和視頻。

2. 工業終端設備解決方案

GPS 技術已成功應用到許多資源中,遠遠超出了其導航和資產跟蹤的初始設計目標。新的便攜式 GPS 導航設備 (PND) 可提供精準定位并且集成了許多消費類電子功能,GPS 幫助人們提高了效率,并且使通勤變得更加安全、輕松。

如利用Embest開發平臺本身的處理計算能力,視頻處理技術,音頻處理技術在接上GPS模塊,就可以做個人導航設備應用了 ,如圖所示:

精準定位是 GPS 的主要目標;實現便攜性要求更小尺寸、更低成本、更低功耗和更高性能的分立 GPS 解決方案。OMAP 處理器是一款節能型的 TI 增強型基于 ARM 架構的應用處理器,它將高性能生產應用與移動娛樂應用組合在一起。

3. 視頻和影像終端設備解決方案

典型的 IP 視頻電話是一款小型一體化臺式電話,它消除了視頻會議的復雜性并且允許在全球任何地方通過寬帶 IP 連接撥打免費的面對面視頻電話。這些產品為大小型企業、政府機構和教育環境提供更有成效的工具,更高效地提供培訓和教育,并省去沉重的出差費用。隨著 IP 網絡部署的繼續增長,消費者期望獲得額外功能和經濟高效地集成視頻流功能。

Embest開發平臺在對實時圖像進行捕捉處理,顏色空間變換和實時顯示,壓縮與解壓縮,以及在多個視頻流上同時執行 IP 包優化的功能。如圖所示:

IP 視頻電話解決方案具有以下 各種功能:

實時多通道視頻集成到現有的 IP 語音電話;

三方視頻會議;

以及實時同步視頻與 IP 網絡語音。

不僅如此,客戶可以利用TI在視頻方面深厚而廣泛的專業技術快速而經濟高效地差異化在所有細分市場中的產品。Embest也分別擁有一系列針對不同細分市場的定制解決方案,通過提供軟件、工具、第三方和本地支持簡化了開發過程。

4. 通信與電信終端設備解決方案

如果當今的智能電話集成了具有基礎多媒體功能的個人整理程序和電子郵件管理工具,以及手持終端功能,則通常的“開機”時間相比入門級移動電話的開機時間,對于最終用戶而言更為關鍵。特性集推動了對強大處理功能、更大(更清晰)顯示屏、觸摸屏控制和麥克風功能的需求。若要滿足電話的性能和外形尺寸要求,必須仔細考慮電源電流和封裝尺寸。因此,遷移到集成了音頻、ESD 保護、電源管理和整體供電效率的 D 類音頻放大器、觸摸屏控制器就尤為重要。

為了滿足不斷擴大的中端無線市場對高級多媒體特性的日益增長的需求,Embest 提供了基于OMAP的解決方案。通過外加一些通信模塊,就可以做成一個實現了多個通信標準以及無線LAN、GPS和Bluetooth?手持終端,憑借創新的 3D 圖像、高質量視頻應用和高級用戶界面提升了用戶體驗。 如下圖:

5. 無線通信終端設備解決方案

Embest開發平臺加上一個天線模塊和音頻處理模塊也完全可以做一個PDA的應用,允許用戶通過觸摸屏或鍵盤使用命令將數據輸入到 PDA 中。視頻、圖片、因特網、應用程序顯示在小型 LCD 上,有時也可以通過電視或投影儀連接顯示在大屏幕上。可通過個人耳機連接、外部音頻輸出插口或內置揚聲器輸出音頻。也可以把 PDA 連接到其它外設,例如通過 USB 或無線 LAN 連接到 PC、連接到藍牙耳機、通過電視輸出、S 視頻或 HDMI 收發器連接到電視或監視器、連接到 MMC/SD 存儲卡。應用如圖所示:

6. 消費電子終端設備解決方案

在消費類電子Embest開發平臺基于OMAP 35X系列芯片可以做到很多應用,比如做一個便攜式媒體播放器,它能錄制并播放來自電視、DVD 播放器、攝像機的音頻/視頻 (A/V) 或從因特網下載的媒體文件的手持音頻/視頻系統。這些器件通常基于硬盤或閃存介質,能夠保存數小時的內容和提供娛樂,給用戶帶來無比愉悅的視聽享受。其應用如下圖:

7. 醫療電子終端設備解決方案

對于醫療器械方面的應用,TI一直在做著不懈的努力,而Embest開發平臺加上其他的模塊,也可以用到醫療器械上,比如:便攜式醫療儀表,數字聽診器,病患監控,輸液泵,通風機,心電圖儀器等,我們以病患監控儀為例,來談談這塊開發平臺的應用。病人監護儀是能夠適應各種臨床應用、支持各種有線和無線接口的靈活的便攜式設備。無論監護儀是單參數設備還是多參數設備,目標功能、功耗和多功能系統通常是關鍵要求。如今,監護儀可以跟隨病人出入手術室、重癥監護室、病房,甚至他們的住宅。這對當今世界醫療事業極為重要。應用如圖:

當今的病人監護儀最重要的特性是可移動性、簡便易用和可輕松進行病人數據傳輸。可移動性包含便攜性和與其它醫療設備(如麻醉機或除顫器)相連的能力。簡便易用可通過觸摸屏和多級菜單驅動的配置文件來實現,這些配置文件可以根據環境和病人的重要統計數據進行配置。需要在從無線到 RS232 的所有設備上實現數據傳輸。所有地區的醫院可能都會支持某個特定的基礎設施;而救護車、住宅和其它環境則需要支持不同的協議。最大程度地降低醫療成本這一不斷增加的需要正在促使醫療供應商在醫院外進行病人治療和監控。為新興經濟體中人口高度集中的農村和偏遠地區提供醫療正在推動對遠程病人監控和遠程醫療的需要。

四、未來Cortex A系列處理器發展趨勢

面對未來市場需求,ARM也將研發重點放在Cortex系列處理器,以實現更高性能和更低功耗及成本。

Cortex A9是ARM于2007年下半年推出的最新一代內核,有單核和多核兩個版本。單核的Cortex-A9在性能上大抵相當于已推出的Cortex-A8處理器。A9系列還有兩個、三個乃至四個內核集群的產品,能提供超過8,000Dhrystone Mips(DMIPS)的對稱多處理(SMP)性能。這種內核是可綜合的,采用先進工藝時的時鐘頻率有望超過1GHz,不過當時鐘減慢或內核被關斷時才可達到最大功率效率。此外,這種架構可以擴展到四個以上的內核。相對于Cortex A8,Cortex A9的功耗更低,效率更高。

A9內核是Cortex-A8的改進版,它增加了幾條支持多處理的額外指令,并后向兼容。像A8一樣,A9也是超標量體系結構,帶有一個多事件8級流水線。程序對前面的分支解算進行異步評估,目的在于取指,每時鐘周期允許連續獲取和解碼兩條指令。 不過A9流水線更進一步,還支持亂序指令分發及完成。 這種新的架構帶有一個支持硬件加速器和DMA單元的加速器一致性端口(ACP),增強了ARM目前的多處理器能力;帶有中斷虛擬化功能,支持TrustZone技術;還帶有一個通用中斷控制器(GIC)。

作為一個完全成熟的ARMv7器件,A9 MPcore支持Thumb2 指令、TrustZone、浮點運算單元(FPU)與Neon——用于流媒體處理的ARM單指令多數據擴展。與每個內核相關的指令和一級數據緩存都整合了緩存一致性支持,通過一個Snoop控制單元(SCU)進行同步。有一條本地一致總線與SCU相鏈接。

預計2009年底第一款使用Cortex-A9的器件將上架銷售,2010年開始量產。

至于下一代體系結構的發展是由不斷涌現的新產品和變化的市場來推動的。關鍵的設計約束是顯而易見的,功能,性能,速度,功耗,面積和成本必須與每一種應用的需求 相平衡。保證領先的性能/功耗(MIPS/Watt)在過去是ARM成功的基石,在將來的應用中它也是一個重要衡量標準。隨著計算和通訊持續覆蓋許多消費領域,功能也變得愈來愈復雜,消費者期望有高級的用戶界面,多媒體以及增強的產品性能。

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