Skip to main content

Crossover – szilíciumból

Megjelent: 2018. augusztus 14.

LidA cikk címének második szava jelzi: nem változtattunk lapunk profilján; az autókat tesztelő rovatot meghagytuk erre hivatottabb laptársainknak. Az autóknál megszokott „crossover” kifejezés tehát itt egy félvezető eszköz – nevezetesen mikroszámítógép-csip – tulajdonságait próbálja egy ma divatos szóval érzékeltetni. Ezúttal erről – és a könnyű fejlesztést elősegítő áramköri modulról – számol be beágyazott elektronikai eszközöket szemléző rovatunk.

 

Mit jelent a crossover, ha processzorról van szó?

Az utóbbi évek technológiai fejlődése következtében megfigyelhetővé vált egy olyan folyamat, amelyben a „szabad szemmel is látható” adatfeldolgozási képességekkel és valós idejű válaszkészséggel rendelkező alkalmazásprocesszorok egy bizonyos kategóriájának mérete, ára és fogyasztása egyre csökkenő tendenciát mutat, miközben egy másik területen, a kis fogyasztású, eredetileg aránylag kis számítási teljesítményű, de a reális világgal kapcsolatot tartó belső perifériákkal bőkezűen ellátott mikrovezérlők adatfeldolgozó képessége egyre növekszik. Következésképpen a két – eredetileg élesen elválasztott – alkalmazási területre szánt alkatrészek paraméterhalmaza egyre közelebb kerül egymáshoz. Várható volt, hogy a két trendvonal előbb utóbb „összesimul”. Ennek gyakorlatilag elérkezett az ideje, amit hivatalosan is deklarált – önmagát az első crossover termék kifejlesztőjének nevezve – az NXP félvezetőgyártó vállalat. Az új termékcsalád „célközönsége” tehát az a fejlesztő, akinek a valós fizikai környezetével való kapcsolattartáson kívül például egy összetett, eleven HMI-kezelőfelületet vagy valós idejű automatizálási funkciókat kell megvalósítania – és mindezt árhatékonyan, alacsony fogyasztással és alkatrészköltséggel, valamint kis helyfoglalással.

 

EBV 1abra

1. ábra Az i.MX RT1050-EVK értékelőkártya elrendezése

 

Az NXP új crossover-kategóriájú processzorai

Az NXP által kidolgozott új eszközkategória tulajdonságait szokatlanul kevés – egyelőre mindössze három – termék: az i.MX RT1020, az i.MX RT1050 és az i.MX RT1060 modell hordozza. Ezeket a jellemzőket az NXP marketingje így foglalja össze: kétszeres teljesítőképesség, integrációs szint és elemélettartam, kétszer gyorsabb fejlesztés, és mindez fél áron (vélhetően a szétválasztott mikrovezérlőt és alkalmazásprocesszort tartalmazó megoldásokhoz képest – A szerk. megj.). Tekintsük át röviden a család közös tulajdonságait.
Az ARM Cortex-M7 processzormag a kis teljesítményfelvételre optimalizált ARM-processzorok közt a legnagyobb teljesítményű (600 MHz órafrekvenciánál CoreMark 3020, 1284 DMIPS). A maghoz egy „szorosan csatolt” (azaz extrém gyors elérésű) memória (Tightly Coupled Memory – TCM) csatlakozik, külső memóriainterfésze pedig 8 vagy 16 bites csatornán elérhető SDRAM, statikus RAM, valamint NOR vagy NAND flashmemória illesztésére alkalmas. A környezettel való kapcsolattartás területén két biztonságos (Secure Digital I/O – SDIO) I/O-csatorna és 1, 2 vagy 4 csatorna együttműködésével megnövelt teljesítményű soros perifériainterfész (QSPI), 10/100-as Ethernet, USB (OTG és hoszt), hardvertitkosítás és biztonságos rendszerbetöltés (Secure Boot), UART/SPI/I2C kommunikáció, I2S és SPDIF digitális audiointerfész, két FlexCAN-csatorna, kétcsatornás, 1 Mminta/s sebességű AD-konverter, időzítők, PWM-modulok stb. szolgálják.
A processzormag órajele a 1020-as modellnél 500, a másik két típusnál 600 MHz. A belső felépítés egymásra épülő hierarchiát alkot: az egymást követő modellek a náluk kisebb típusszámú eszköz minden elemét tartalmazzák, a képességnövekedést vagy a meglévő tulajdonságok mennyiségi növekedése, vagy újabb szolgáltatástípusok megjelenése hozza. A legnagyobb ugrás a 1020-as és a 1050-es modellek között tapasztalható: az utóbbi kétszeres cache és TCM-memóriával, 2D-gyorsítással ellátott PxP-grafikai képességekkel, 8/10/16 bites kamerainterfésszel (CSI), 8/16/18/24 bites színmélységű, akár WXGA (1366 × 768) felbontású, párhuzamos LCD-vezérlővel, kétszeres időzítőkészlettel több a 1020-as modellnél. A 1050-es modell kevesebb, de fontos változásokat hoz: kétszeres méretű (1 MB) beépített statikus RAM-ot, valamint egy megnövelt sávszélességű CAN-buszcsatolót (CANFD) is tartalmaz. A 1020-as típus LQFD-tokozatban, a másik kettő a technológiaigényesebb beültetésű BGA-tokozatban kerül forgalomba (a 1050-es és 1060-as modellek lábkompatibilisek). Fontos megjegyezni, hogy még a nagy sűrűségű BGA-tokozatot sikerült úgy optimalizálni, hogy a beültetése akár négyrétegű NyÁK-hordozóra is lehetséges. Ez jelentős megtakarítást hozhat a végtermék anyagköltségében. Emeljük ki továbbá a „crossoverséget” hangsúlyozó két tulajdonságot: egyfelől a megszakítások kiszolgálásának latenciaideje mindössze 20 ns, ami a valós idejű alkalmazásprocesszorként való működés „válaszkészségét” gyorsítja fel jelentős mértékben. A mikrovezérlőkkel való rokonságot hangsúlyozza másfelől az akár 24 MHz-re is lecsökkenthető órajel, amely inaktív üzemmódban még mindig elegendő a minimális válaszkészség fenntartásához, ugyanakkor rendkívül jelentős megtakarítást hozhat a hosszú ideig csupán az alapvető „életfunkciók” fenntartását igénylő, szakaszos igénybevételű alkalmazások energiafogyasztásában. A hardvertervezők szívét melengetheti az a tény, hogy a más típusoknál megszokott, több eltérő specifikációjú tápfeszültség-bemenet helyett egyetlen közös tápfeszültségsínről kell csupán gondoskodniuk: az eszköz DC/DC-konvertereket is tartalmazó tápellátó rendszere „belül” oldja meg ezt a kényelmetlen feladatot.
Elgondolkozhatunk azon, hogy előnynek vagy hátránynak könyveljük-e el azt, amit az eszköz nem tartalmaz. Az előbbi felsorolásból nem véletlenül maradt ki a belső flash programmemória, amit pedig a beágyazott, firmware-alapú alkalmazásokban szinte elengedhetetlennek gondolnánk. Ehelyett bőséges a megoldáskínálat a flashmemóriák külső illesztésére. Talán ez is az (egyik) magyarázat a termékcsalád szokatlanul kis tagszámára, mivel azt az egymástól csupán a belső flashmemória méretében különböző típusváltozatok nem „szorozzák fel” úgy, ahogy azt a mikrovezérlőknél megszokhattuk. Ez szabad kezet ad a fejlesztőnek a programmemóriának a feladat terjedelméhez legjobban illeszkedő flashméret kiválasztásában – természetesen azon az áron, hogy a végtermék alkatrészjegyzéke egy tétellel, a külső flashcsippel hosszabb.
A külső programmemória hátrányaként szokás emlegetni azt is, hogy az ilyen megoldás „biztonsági rést” nyit a végtermékben megtestesülő szellemi tulajdon megszerzéséhez vagy rosszindulatú módosításához – azonban az NXP termékcsaládja lehetőséget teremt a flash titkosított tartalmának kiolvasására és valós idejű dekódolására, amely a külső flash-ben tárolt programkód ellenére is jelentős szoftverbiztonság fenntartására alkalmas.
A végtermékfejlesztők döntését egy adott típus kiválasztásakor alapvetően befolyásolja a rendelkezésre álló szoftvertámogatás jellege, hatékonysága, elterjedtsége, „hordozhatósága”, és nem utolsósorban az ára. Az i.MX RT-család számára értelemszerűen rendelkezésre áll az egész ARM-ökoszisztéma, a FreeRTOS valós idejű operációs rendszer, az ARM®, az Mbed™ és a Zephyr™ rendszerfejlesztő környezetek, és nem utolsósorban a jelen cikk témájául választott, kedvező árfekvésű, a végtermékben akár közvetlenül is hasznosítható rendszertesztelő hardvereszköz (Evaluation Kit – EVK).
Említsük még meg, milyen területeken látja a gyártó alkalmazhatónak a crossover-processzorcsaládjának tagjait. Az I2S és az SPDIF digitális audiointerfész, valamint az i.MX RT1050-től rendelkezésre álló kamera- és LCD-interfész valamint hardveres 2D-grafikai gyorsító a multimédia- és HMI-alkalmazások megvalósításának kedvez, a konnektivitási technológiák bősége és a megbízható adatvédelem az adat- és jelátvitel területén való alkalmazásokat támogatja, a kis teljesítményfelvétel és az energiatakarékos üzemmódok az IoT- és hordozható környezetben jelentenek különösen kedvező tulajdonságokat. Az alacsony ár a fogyasztási cikkekben való tömeges alkalmazásoknál előnyös, ideértve a háztartás- és épületautomatizálást, a világításvezérlést és az IoT-gateway-megoldásokat is. Az ipari automatizálásban a PLC-k, a gyártásautomatizálási alkalmazások, a mérő- és vizsgálóberendezések, a gép-gép kommunikáció (M2M), az ember-gép kapcsolat (Human Machine Interface – HMI), a motorvezérlés és a villamosenergia-konverzió (AC/DC, DC/DC, PFC stb.) is szóba jöhet a lehetséges alkalmazási területek keresésekor.

  

Az i.MX RT1050-EVK értékelőkészlet

A vizsgálatra rendelkezésünkre bocsátott eszközt enyhe túlzás „készletnek” nevezni, mivel az azt tartalmazó papírdoboz a kártyán kívül mindössze egy USB A/B mikro USB kábelt tartalmaz.
A processzortípus teszteléséhez szükséges többi eszköz vagy minden laborban megtalálható, vagy külön tételként rendelhető.
A kártya méretére azért figyelünk különösen oda, mert a jelenkor értékelőeszközeit egyre gyakrabban használják közvetlenül is, például egyedi vagy kis szériás végtermékek részegységeként. Ennek fényében a vizsgált eszköz jóval nagyobb a manapság divatosnak tekinthető bankkártyaméretnél (10 × 15 cm-es). A műanyag távtartókon álló alaplemez igen szellősen beültetettnek tűnik, azonban ezt – talán – az is magyarázza, hogy a hordozólap (az élét mikroszkóppal megvizsgálva) négyrétegű NyÁK-nak bizonyul, amely érthetően kevésbé sűrű alkatrész-elrendezésre ad csak lehetőséget, mint a nagy rétegszámú, igényesebb NyÁK-ok. Másrészt a kártya kerületének legalább háromnegyed részét csatlakozók és nyomógombok foglalják el, amelyek egy kisebb kerületű NyÁK-lapon nem, vagy csak komoly kompromisszumok árán lennének elhelyezhetők. A kártya „térképét” az 1. ábra mutatja. Az ábrán külön nem jelöltünk meg néhány további funkciót. Ezek egy része a processzor beépített képessége, mások a panelre telepített perifériaáramkörök szolgáltatásai: háromtengelyű gyorsulásmérő, mágneses irányérzékelő, audiokodek digitális (SPDIF) audio be/kimenettel (az utóbbi alkatrészei nincsenek beépítve), mikrofon, CAN-adóvevő.

 

Az i.MX RT1050-EVK értékelőkészlet lehetséges alkalmazási területei

A termékfejlesztőkre egyre nagyobb nyomás nehezedik, hogy a feladat kitűzésétől számítva minél előbb működő modellt, prototípust, egyedi berendezést vagy kis sorozatú terméket tudjanak produkálni. A félvezetőgyártók jelenkori gyakorlatában ezért egyre inkább felfedezhető az a tendencia, hogy demonstrációs és fejlesztőeszközeik akár közvetlenül is felhasználhatók legyenek ilyen készülékek, berendezések részegységeiként. Ez abban nyilvánul meg, hogy a demonstrációs kártya az alapfunkcióján (a bemutatott félvezető eszköz működő környezetben való tesztelhetőségének biztosításán) kívül a főbb potenciális alkalmazási területekre jellemző kiegészítő áramkörökkel is el van látva. Ha tehát a vizsgált demonstrációs kártya lehetséges felhasználásait a funkciói alapján kívánják megítélni, a legfontosabb képesség a fokozott alkalmasság a valós idejű működésre. Erre támaszkodik a korszerű ember-gép interfész (HMI) megvalósításához szükséges, érintésvezérelt működtetésre is alkalmas LCD grafikus panel- és kamerainterfész. A komplex HMI-célú alkalmazásokhoz szükséges audiointerfész analóg formában (3,5 mm-es fülhallgató-csatlakozóhüvelyen), illetve – néhány hiányzó alkatrész utólagos beültetésével – akár sztereó digitális interfészen (SPDIF) is rendelkezésre áll. A bemeneti irányhoz mikrofont is beépítettek. A grafikus LCD-panelen megvalósítható grafikus felhasználói interfész (GUI) kezelőfelületének a berendezés többi részegységével is kommunikálnia kell: ezt a célt szolgálja a 10/100Base-T alapú Ethernet, az USB hoszt, illetve USB On-the-Go (OTG), valamint a CAN hálózati interfész. Az előbbiek az univerzalitásukkal alkalmazkodnak a változatos, általános alkalmazási környezethez, az utóbbi pedig kifejezetten az ipari, professzionális környezetbe való közvetlen illesztés lehetőségét teremti meg.
Az ipari és fogyasztásicikk-alkalmazásokban jól használhatók a processzorba beépített impulzusszélesség-modulátorok (PWM), amelyek motorvezérlésre és folyamatparaméterek (hőmérséklet, nyomás, megvilágítás stb.) szabályozására használhatók. Az IoT-alkalmazások tervezői is találnak a tipikus igényeiket kielégítő funkciókat az eszközön: a mobilalkalmazásokhoz háromtengelyű gyorsulásmérésen alapuló helyzet- és mozgásérzékelés valósítható meg, amely mágneses iránytűfunkcióval kiegészítve az eszköz térbeli orientációját teszi érzékelhetővé. A beágyazott alkalmazások fejlesztői számára ismerős lehet az Arduino-vendégpaneleket fogadó csatlakozó, és az ilyen panelek általános elterjedtsége is jelentősen hozzájárulhat a gyors használatba vételhez és a mintaalkalmazás üzembe helyezéséhez.

 

Az első ismerkedés

Ha a panelt a mellékelt USB-csatlakozókábellel a kártya J28 jelzésű mikro-USB csatlakozókábelén át egy PC USB-csatlakozójához illesztjük, a panelre telepített demonstrációs program elindul. Ez a panel D18 jelű zöld ledjének fényerejét a panel térbeli pozíciójának megfelelően változtatja (az asztalra – vízszintesen – elhelyezett kártya ledje nem világít). A www.nxp.com/MIMXRT1050-EVK/ startnow webhelyről további demonstrációs alkalmazások is letölthetők, amelyeket itt – helyszűke miatt – nem ismertethetünk. (Csak egy gyakorlati megjegyzést teszünk: a panel szoftvere háromféle flashtárolóból futtatható (Hyper Flash, QSPI flash és SD-kártya). A felhasználó a rendszerbetöltési üzemmódválasztó kapcsolóval (SW7) választhatja ki, melyik tárolóba töltötte be a rendszerindító (boot) programot. A kapcsolók beállítása a panelre nyomtatott jelölések alapján egyértelmű. Az említett helyzetérzékeny mintaprogramhoz a kapcsoló 0110 beállítása tartozik.

 

EBV 2abra

2. ábra Az érintésérzékeny LCD-vel kiegészített i.MX RT1050-EVK grafikus kezelőfelületet futtat

 

A grafikus felhasználói interfész vizsgálata

A tipikus eseményvezérelt, valós idejű alkalmazások iskolapéldájaként említettük a grafikus felhasználói interfészeket, amelyek az okostelefonok kezelőfelületei révén tettek szert közismertségre és népszerűségre. Ezek – a felhasználóknak az okostelefonokkal szerzett készségeit hasznosítva – intuitív grafikus megjelenésükkel, kontextusérzékenységükkel gyakorlatilag „öntanítóvá” teszik a készülékeket, ezért a fogyasztási cikkek, háztartási gépek stb. kezelőfelületeiként is egyre növekszik a jelentőségük. Ehhez – a készülékvezérlőn és a GUI-szoftveren kívül – gyakorlatilag csak egy érintésérzékeny (színes, grafikus) megjelenítőre van szükség.
Az NXP-termékeket Magyarországon forgalmazó alkatrészdisztribútor cég a vizsgálatra rendelkezésemre bocsátott demonstrációs panelhez egy 112 mm (4,4”) képátlójú, érintésérzékeny LCD-panelt is mellékelt, amely hajlékony NyÁK-ból készült kábeleivel közvetlenül csatlakoztatható a demonstrációs kártya hátoldali LCD- és érintésvezérlési csatlakozóihoz. A gyártó által rendelkezésre bocsátott mintapéldányhoz a demonstrációs programot egy SD-kártyán találják. (Az ehhez szükséges boot-kapcsolóbeállítás az SW7 kapcsolón – balról jobbra – 1010).
A demonstrációs program az audiocsatorna jobb és bal csatornájának hangerejét (2. ábra), az LCD-háttérvilágítás fényerejét, továbbá két – választható – led fényerejét szabályozó funkciók működését szemlélteti egy intuitív grafikus kezelőfelületen (a funkciók tényleges vezérelhetősége nélkül, inkább a felhasználói input fogadási módszereinek széles választékára helyezve a hangsúlyt). Az LCD-panel szín- és geometriai felbontása ugyan nem éri el egy modern mobiltelefon-képernyőjét, de erre egy „kartávolságból kezelt” általános háztartásigép-vezérlésnél vagy más beágyazott alkalmazás kezelőfelületénél általában nincs is szükség. (Nem jellemző, hogy a mosógépen akarnánk belépni a Facebook-fiókunkba, még ha ez elméletileg lehetséges is).
A megvizsgált alkalmazás tehát azt bizonyítja, hogy a vizsgált demonstrációs kártya és a mellékelt grafikus, érintésérzékeny LCD-panel önmagában nem csak valós idejű rendszervezérlésre, jelfeldolgozásra és kommunikációra, hanem egy grafikus felhasználói interfész megvalósítására is alkalmazható egy gyors prototípusfejlesztési folyamatban. Említésre méltó, hogy sem az i.MX RT1050 processzor, sem a megvizsgált demonstrációs kártya nem tartozik a „magasan árazott” termékek közé, ezért mindenképpen megérdemlik a költségérzékeny alkalmazások fejlesztőinek figyelmét.

 

A vizsgált eszközöket az NXP-termékek hivatalos hazai disztribútora, az EBV Elektronik bocsátotta rendelkezésünkre.

 

Szerző: Tóth Ferenc

 

EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91-93.
Tel.: +36 1 436 7220
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com