Demópanelen az i.MX 8M, az NXP új „média-erőgépe”

Napjainkban olyan ütemben növekszik az igény a flexibilis, biztonságos és kiváló minőségű ember-gép interfész (HMI) iránt, hogy a félvezetőgyártóknak érdemes e feladat fókuszált, optimalizált és igényes végrehajtására külön eszközt fejleszteniük. Az NXP i.MX 8M Quad rendszercsipje az ARM Cortex rendszer legjobb sajátosságait ötvözi egy olyan HMI-eszközzé, amely mind a grafikai, mind az audioképességek terén kielégíti a korszerű audio-video be- és kimeneti rendszerek igényeit. Az eszköz képességeinek bemutatására szolgáló értékelőkártya ízelítőt ad a széles körű felhasználási lehetőségekből.

Bevezetés

Manapság egyre több dolog történik körülöttünk – és velünk – a „kibertérben” anélkül, hogy akár csak tudomást szerezhetnénk róla. Ez a tudat nem mindig lelkesítő nekünk, akik szeretnénk az életünket aktívan ellenőrizni és irányítani. Ezért is ragaszkodunk az informatikai alkalmazások „humán interfészéhez”, amely az érzékszerveink számára is közvetlenül – és jól (sőt, egyre jobban) – feldolgozható információk formájában teszi lehetővé, hogy figyelemmel kísérhessük a digitális világ folyamatait, és aktívan, hibamentesen be is avatkozhassunk azok menetébe. Miközben joggal kapnánk fel a fejünket, ha például egy ügyész önmaga ellen vezetne nyomozást, abban ugyanakkor nem találunk kivetnivalót, hogy a digitális valóság tényeit és történéseit ugyancsak ennek a világnak az építőelemeivel kíséreljük meg ellenőrzésünk alatt tartani. Ez „filozófusokoskodásnak” tűnhet, azonban a bonyolultság növekedtével nem csak az átlagembernek, de a képzett mérnöknek is egyre kevesebb a lehetősége ennek a folyamatnak a teljes áttekintésére, és lassanként már csak bizalmi alapon válaszolhatunk arra a kérdésre, hogy vajon ennek a bonyolultságnak a „redői” között nem vész-e el, sérül-e meg, vagy – ami egyre gyakoribb – nem esik-e rosszindulatú manipuláció áldozatául a minket érdeklő vagy ránk vonatkozó információ. Azonban – mivel nincs érzékszervünk, amellyel közvetlenül érzékelhetnénk a mára globálissá duzzadt, mesterséges digitális környezetünket – kénytelenek vagyunk elfogadni az egyetlen – bár ugyancsak sebezhető – lehetőséget, hogy a digitálisan tárolt és kommunikált információt ugyancsak digitális eszközökkel tegyük „emberi fogyasztásra” alkalmassá. „Amit nem tudsz megakadályozni, állj az élére” – ez is lehetne azon mérnökök jelmondata, akik ezt a folyamatot kísérlik meg áttekinthetővé, ellenőrizhetővé, a felhasználó saját szándékai szerint módosíthatóvá és biztonságossá tenni anékül, hogy kompromisszumra kényszerítenének minket, felhasználókat az emberi érzékszervekkel (is) befogadható információhordozók (elsősorban a kép és a hang) minőségét illetően. Nem állíthatom, hogy ez a gondolatmenet pontosan ebben a formában „futott le” az i.MX 8M Quad, az NXP elsősorban minőségi médiafeldolgozó képességekre „kihegyezett” alkalmazásprocesszora fejlesztőinek agyában, ám a végeredményben látszanak a törekvés körvonalai. Ezt a végeredményt most a processzor képességeinek bemutatására szolgáló, MCIMX8M-EVK típusjelű értékelőkészlet segítségével tekintjük át.

A processzorról

Az i.MX 8M Quad processzor feldolgozóképességének nagy részét egy négy ARM Cortex-A53 processzormagból álló központi egységnek köszönheti. Ez a mag egyszerre valósítja meg a visszafelé kompatibilitást az ARMv7 generáció 32 bites utasításrendszerével, ugyanakkor a nagyobb teljesítményű, 64 bites új generáció képességeit is magában foglalja. A magok mindegyikéhez lebegőpontos aritmetikai egység és NEON-alapú, „egy utasítás – több adat” (Single Instruction, Multpile Data – SIMD) architektúrájú, „szimmetrikus multiprocesszoros” elvű párhuzamos műveletvégző képesség tartozik, amely a digitális jelprocesszorok (Digital Signal Processor – DSP) egy óracikluson belül végrehajtható szorzás-összeadás műveleteivel a legismertebb jeltranszformációk (pl. Fast Fourier Transform, digitális szűrés, polinomkiértékelés stb.) hatékony végrehajtására is alkalmas. Magonként 2 × 32 kbájt L1-szintű, és a négy maghoz közösen 1 Mbájt L2-szintű cachememória gyorsítja a memóriaelérést.
Ezenkívül az eseményvezérelt alkalmazások igényeit egy ARM Cortex-M4 alapú, valós idejű működésre optimalizált processzormag is szolgálja. Az eszköz tömbvázlatának teljes részletezésétől itt el kell tekintenünk, ehelyett csak a blokkjait említjük meg a funkcióik szerint csoportosítva. A rendszercsip fő „nevezetességét” jelentő multimédia-képességekről grafikus processzor, videojel-fedolgozó egység, kijelzővezérlés, kijelző- és kamera ki-/bemeneti blokk és audio be- és kimeneti processzor gondoskodik. Ezenkívül a TrustZone Security nevű adatbiztonsági funkciócsoport, a külső tárolóelemek változatos kezelését lehetővé tevő memóriavezérlés, valamint USB-t, Gigabit-Ethernetet, UART-ot, soros protokollokat és PWM szolgáltatásokat egyesítő kommunikációs tömb is a rendszertervező rendelkezésére áll. Az egyes funkcionális egységek további részleteire is kíváncsi olvasó figyelmébe ajánljuk az 1. ábrán látható, teljesebb tömbvázlatot, amelyen számos vonzó részegységről és szolgáltatásról szerezhetnek több – de még így sem teljes – információt. Befejezésül megemlítjük még, hogy az i.MX 8M Quad processzornak létezik egy 0…+95 ^oC-os üzemi hőmérséklet-tartományú kommersz, és egy -40…+105 ^oC-os ipari alkalmazásokra ajánlott változata.

1.ábra Az I.MX 8M Quad alkalmazásprocesszor részletes tömbvázlata

Az MCIMX8M-EVK demonstrációs készlet

Már az a tény is szembeötlő, hogy az EBV Elektronik magyarországi irodája által vizsgálatra rendelkezésemre bocsátott demókártya szokatlanul nagy, A4-es alapterületű dobozban érkezett. A kibontáskor aztán kiderült, hogy maga a kártya fele ekkora csomagba is befért volna (az alapterülete épp csak 100 × 100 mm), a doboz másik felét azonban egy ekkora panelhez szokatlanul „izmos”, 12 V, 5 A-es kapcsolóüzemű tápegység (valamint egy mikro- és egy C-típusú USB kábel) tölti ki. Ez arra enged következtetni, hogy itt nem elsősorban az energiafogyasztásra, hanem az informatikai teljesítőképességre optimalizált eszközről lehet szó – és ezt a vélekedést az is megerősítette, hogy a processzor hátán egy jókora, feketére eloxált passzív hűtőborda ül (2. ábra). A kártyán való tájékozódáshoz azonban a 3. ábrát ajánljuk, amelyről ezt a hűtőbordát eltávolították.

2. ábra A demókártya a hűtőbordával

A nagy sűrűségű flip-chip tokozatba helyezett processzort úgy lehetett gazdaságosan „összebékíteni” a tízrétegű alaplemezzel, hogy a csipet egy négyzet alakú, nagy sűrűségű „vendégpanelre” ültették, amelynek tágasabb BGA-kontaktuselrendezését már kisebb alkatrészsűrűségű NyÁK-kal is kezelni lehet. A kártya hátoldalát nem ábrázoljuk: ezen a felhasználó számára érdekes elemek egyike egy nagy sűrűségű, hajlékony NyÁK-alapú audioadapter-csatlakozó, amely teljes hozzáférést enged a processzor széles körű digitális audiofunkció-kínálatához, a másik pedig egy M.2^[1] (NGFF) csatlakozó, amely akár WiFi vagy WWAN vezetékmentes adaptereket, akár SSD (félvezető alapú flashdiszk) perifériákat is fogadhat egyebek közt.

3. ábra Az I.MX 8M Quad kártya csatlakozási lehetőségei

A demonstrációs eszköz főbb jellemzői a következők:

• i.MX 8M Quad alkalmazásprocesszor: 4 ARM Cortex-A53 (3/64 bites) és egy ARM Cortex-M4 valós idejű processzormag,
• 3 Gbájt, 32 bites szervezésű, LPDDR4 dimanikus RAM, 1,6 GHz órajellel,
• 16 Gbájt eMMC 5.0 flashmemória,
• Mikro SD kártyafoglalat,
• USB 3.0, C-típusú PD (Power Delivery) csatlakozó,
• HDMI 2.0a A-típusú digitális megjelenítőcsatlakozó,
• Gigabit Ethernet,
• Mini-SAS^[2] MIPI-DSI^[3] display-csatlakozó,
• 2 db mini-SAS MIPI CSI kamerainterfész-csatlakozó,
• USB-alapú, aszinkron soros interfészű hibakereső csatlakozó,
• infra-távirányító vevő,
• Diversity WiFi és Bluetooth 4.2 vezetékmentes interfész,
• M.2 csatlakozó (WiFi, Bluetooth, PCIe, USB, UART, I2C és I2S),
• 3,5 mm-es audiocsatlakozó hüvely,
• 10 pontos JTAG „boundary scan” csatlakozó.

A demonstrációs panellel végezhető kísérletek alapfeltételei

A kezelő a panellel egy USB porton emulált karakteres, soros aszinkron terminálon keresztül kommunikál. E célra az 3. ábrán „hibakereső mikro USB csatlakozóként” megjelölt csatlakozóhüvely szolgál (a készlet tartalmazza az ehhez szükséges USB kábelt). A kábel másik végének USB-A típusú csatlakozódugóját egy PC (asztali, laptop, tablet stb.) megfelelő hüvelyébe kell csatlakoztatni. A PC-n a platformtól függően valamelyik ismert karakteres terminálemulátor-szoftvert kell futtatni (ilyen pl. MS Windows esetében a TeraTerm, Linuxnál a PUTTY, de rajtuk kívül is számos más alkalmazás közül választhatunk). A soros kommunikáció sebességét állítsuk 115 200 baud-ra, és alkalmazzuk a 8 adatbit + 1 stopbit beállítást paritásellenőrzés és flow-control nélkül. Általában ritka, de ebben az alkalmazási környezetben természetesnek mondható követelmény, hogy egy HDMI-csatlakozós, legalább 1080 p felbontású monitort is csatlakoztatnunk kell a panel HDMI-csatlakozóhüvelyébe (az ehhez szükséges kábelt a készlet nem tartalmazza). Ezenkívül egy USB-interfészű egér csatlakoztatása is szükséges az USB-A típusú hosztcsatlakozóba.

4. ábra Az MCIMX8M-EVK kártya a rögtönzött laborasztalon

Az Android-felület tesztelése

A tesztkonfiguráció összeállításához ki kellett mozdulnom a megszokott „homelab-komfortzónámból” ☺, mivel a rendszeresen használt monitorom maximális felbontása kevés volt a demókártya fixen beállított 1080p felbontásához, ezért a „családi” okostévé mellett kellett ideiglenes munkahelyet berendeznem (4. ábra). „Egyéni szociális probléma” – mondhatná az olvasó, azonban ez a tény felhívja azok figyelmét, akik valamilyen HDMI-bemenettel (is) rendelkező, szokásos számítógép-monitorral próbálnak kísérletezni, hogy könnyen előfordulhat: a más célra kiválóan alkalmas monitor itt „kevés” a tesztszoftver futtatásához.
A megfelelő felbontású okostévével azonban a bekapcsolás után nem volt több szükség problémakezelésre, a kijelzőn a mobiltelefonoknál megszokott hosszú bootolási időnél sokkal hamarabb megjelent egy végletekig „lecsupaszított” Android-kezelőfelület (5. ábra). A panel eMMC-memóriáját ugyanis gyári alapbeállításként egy Android-képfájllal feltöltve kapja a vásárló, és a rendszerbetöltés (boot) forrását meghatározó kapcsoló alapbeállítása is (az 1-től 4-ig számozott bitkapcsolósoron KI, KI, BE, KI) az eMMC-memóriából való betöltést választja ki. Az Android-felületen a mobiltelefonoknál megszokott érintésérzékeny képernyővezérlést a demópanel USB-A-kártáyájához csatlakoztatott egér emulálja. Ennek a bekapcsolás utáni első feladata a téves felhasználói beavatkozások valószínűségét csökkentő képernyőzárolás feloldása. Ehhez a képernyő közepén alul elhelyezkedő lakatalakú ikont kell felfelé mozgatni a képernyőn. Azoknak, akik még egérrel emulált kezelésű Android-felhasználói élményt nem szereztek, talán érdemes elmondani, hogy a mobiltelefonok érintőképernyőjén megszokott lendületes kézmozdulat szolgai utánzása ehhez nem megfelelő, itt a zárolt képernyőt jelző lakatikont szabályos Drag-and-Drop mozdulattal, „türelmesen” kell felfelé „vezetni” a képernyőn. Az ekkor hozzáférhetővé váló Android-kezelőfelület erősen „minimalista” felfogású, nyomát sem találjuk azoknak a „gyárilag feltöltött” kis alkalmazásoknak, amelyek minden ismert mobiltelefonnál az operációs rendszer alapfunkcióit kiegészítő eszközkörnyezetként állnak a felhasználó rendelkezésére. Ez viszont érthető, ha arra gondolunk, hogy az NXP alkalmazásprocesszorával, illetve az annak képességeit bemutató demonstrációs panellel nem lenne célszerű mobiltelefon-fejlesztésbe fogni, azonban komoly alternatívaként vehető figyelembe, hogy valamilyen célberendezés tervezése során, az Androidot, mint alkalmazásfuttató feldolgozó és HMI-szoftverkörnyezetként felhasználva komoly grafikai képességekkel rendelkező, multitaszkos operációs rendszert használjuk a célberendezés tényleges funkcióit megvalósító alkalmazások keretszoftvereként. Ennek számos előnye van: nyílt forrású, ingyenesen (és törvényesen) használható. Jelentős versenyelőnyt jelent a piacképes termék kidolgozásához a látványos, közismert és bevált operációs rendszerből kiindulni egy „zöldmezős beruházásként” az alapoktól egyedileg kidolgozott kezelőfelülettel szemben. Nem hagyható figyelmen kívül, hogy az Android a mobiltelefon-felhasználók körében (a szaktudással nem rendelkező „átlagfelhasználókat” is ideértve) talán a legismertebb grafikus kezelőfelület, ezért az erre alapozott alkalmazások használatának elsajátítása gyorsabb, „tanulási görbéje” meredekebb, felhasználói dokumentációs igénye lényegesen kisebb, mivel a felhasználó számára a mobiltelefonoknál jól bevált és megszokott, intuitív, „öntanító” kezeléstechnika „otthonos” környezetet kínál. Az Android előnyeként szokás még említeni a fejlesztőcég elkötelezettségét a folyamatos korszerűsítésre: az elmúlt 8 év alatt 11 (az idén várhatóval együtt már 12) változatot bocsátott a felhasználók rendelkezésére. Az Android-koncepció igen népszerű a fejlesztők körében, mivel a kibocsátástól napjainkig 25 ezernél is többen töltötték le a telepítéséhez szükséges képfájlt. Elfogadottsága tehát rohamosan növekszik az automotív, a beágyazott ipari és a fogyasztásicikk-kategóriában egyaránt.

5. ábra A végletesen egyszerű Android-kezelőfelület

További operációsrendszer-imagefájlokkal nem kísérleteztem, de a teljesség kedvéért megemlítem, hogy az NXP az Androidon kívül saját gondozásában bocsát a felhasználók rendelkezésére hosszú támogatási idejű (Long Term Supported – LTS) Linux-Yocto release-t, de használható jó néhány „harmadik féltől” származó operációs rendszer is: pl. Linux és Nucleus valós idejű (RTOS) a Mentor Embedded cégtől, a Micrium (Silicon Labs) uC/OS II és II RTOS és a Micrium operációs rendszerekkel, a QNX a Neutrino RTOS-szal, a Green Hills az Integrity RTOS-szal, a Microsoft pedig Windows CE és Win10-támogatással csatlakozik az i.MX 8M Quad processzor rendszertámogatóinak listájához.

A legfőbb potenciális alkalmazási terület: audio- és videoalkalmazások

Tekintsünk át néhányat a processzor – illetve a köré épített demókártya – legfőbb vonzerejének számító audio- és videoképességek közül. Jelenleg a legjobb minőségű digitális audioalkalmazások 16 vagy 24 bit felbontású digitális hangformátumokon alapulnak. A demonstrációs kártya ebben a minőségi kategóriában a 44 kHz-es (CD), a 48 kHz-es (többcsatornás filmhang), a 96 kHz-es (többcsatornás audio) és a 192 kHz-es (többcsatornás sztereo) változatát tudja kezelni. Az i.MX 8M Quad ezenkívül akár 20 csatornán is képes 32 bites, 384 kHz-es mintasebességű audioátvitelre is. Széles választékot kínál a digitális hangjel- és hang-adatáram (stream) feldolgozásához: dekódolja az AAC, MP3, Vorbis és FLAC formátumú jeleket, és az SBC és MP3 formátumban kódolni is képes az analóg bemenetre kapcsolt audiojelet. Az eszköz beszédfelismerő kodek-meghajtóprogramok sokaságának futtatására is alkalmas. A videodekóder felismeri egyebek között az MPEG-4 ASP, az XVID, H.263 és H.264 HP, az MPEG-2 stb. formátumokat, a videokódolók között az MPEG-4 SP, a H.264 P, A H.203 és az MJPEG BP formátumokat találjuk. Az állóképek kezelésében a JPEG, BMP, GIF és PNG formátumokat támogatja. (Felhívjuk az olvasó figyelmét, hogy – amennyiben a választott formátum használata díjköteles – az eszköz „képességei” nem mentesítenek a licenszdíjak megfizetése alól.)
A videokodek akár a 160 Mbit/s-os adatsávszélességre is alkalmas, amelyre például a 4096 × 2160 pixeles, 60 képkocka/s sebességű 4K videojelek kezeléséhez lehet szükség.

A grafikai képességek is figyelemre méltóak:

• 4K (60 képkocka/s) nagy dinamikatartományú (High Dynamic Rate – HDR) grafikus vezérlő,
• 1080p, 60 frame/s MPEG-2, MPEG-4p2, VC-1, VP8, RV9, AVS, MJPEG, H.263 lejátszó dekóder
• 3D grafikus processzor: Vivante GC7000L 3D grafikus processzor, 800 MHz órajel, 267 millió háromszöggel közelített felület feldolgozása másodpercenként, 1,6 Gpixel/s foltkitöltési sebesség, 1080p-képességű kamera- és display-interfész, valamint két független képernyő kezelésének lehetősége (akár azonos, akár különböző tartalommal).

Kommunikációs képességek

Csak a teljesség kedvéért említjük, hogy egy tipikusan ember-gép kommunikáció célját szolgáló berendezés működésének alapfeltétele a gépi világ többi részével folytatott hatékony és változatos digitális kommunikációs lehetőség is: ezt szolgálják az általános célúak közül a demókártyán implementált Gigabit-Ethernet vezetékes csatlakozófelület, valamint a WiFi és Bluetooth vezetékmentes interfész, a képfeldolgozás-specifikus elemek közül pedig a MIPI kamera- és megjelenítő illesztőfelületek.

Az eszköz potenciális alkalmazási területei

Négy fontosabb alkalmazási területet emelek ki, amelyen igazán kibontakozhatnak az i.MX 8M Quad (valamint családtagjai, a kétmagos 8M Dual és a négymagos, videoképességeiben egyszerűbb 8M QuadLite) képességei:

• Képrögzítés, alakfelismerés és letapogatás. Az eszköz az aránylag alacsonyabb fogyasztása, kis mérete és hosszabb elemélettartama miatt a hordozható alkalmazásokban jobban használható versenytársainál.

• Ember-gép interfész (HMI). Az ipari alkalmazásokban is egyre növekszik az igény a színgazdagabb, látványosabb, intuitívebb, nagyobb felbontású, a személyi informatikai eszközökkel (telefon, tablet) összemérhető grafikus minőségű megjelenítési képek iránt. A gyorsabb válaszidő, a hangfelismerés, az érintés- és gesztusvezérlés a végfelhasználó számára fontos adottságok, a hatékonyabb végtermékfejlesztésben érdekelt mérnökök számára pedig a termékcsalád többi, hasonló tagjával skálázható platform és az újrafelhasználható szoftverelemek jelentenek vonzerőt.

• Épületautomatizálás. A hatékony és széles körű, vezetékes és vezetékmentes kommunikációs lehetőségek a felhőalapú szolgáltatásokra alapozó épületautomatikai rendszerek számára kínálnak jól felhasználható építőelemet.

• Gépi látás. A többszörös kamerainterfész révén az eszköz több nézetből „láthatja” a vizsgált objektumot. Az eszközt felhasználva a gépi látás számára régebben a legjobb eredményt kínáló DSP- és ASIC-megoldások helyébe a rugalmasabban programozható, széles körben támogatott, erős, párhuzamosított matematikai feldolgozóképességgel támogatott ARM-ökoszisztéma léphet.

Az MCIMX8M-EVK fejlesztőkészletet az EBV Elektronik Kft. az NXP Semiconductors magyarországi disztibútora bocsátotta rendelkezésemre vizsgálat céljából.

Az érdeklődők a tárggyal kapcsolatos további kérdéseikkel Nagy Krisztián tanácsadómérnökhöz (Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.) fordulhatnak. A témához kapcsolódó szakmai képzésekről további információk a https://www.avnet.com/wps/portal/ebv/resources/training-and-events/ oldalon találhatók.

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

Még több EBV Elektronik

^[1] A PC-alaplapok miniatürizálásával a korábbi periféria- és háttértároló bővítőhelyek méretét is csökkenteni kellett. Ezt a törekvést a PCI- és SATA perifériák egységes fejlesztését koordináló gyártói érdekvédelmi szervezetek közös munkája valósította meg. Ennek eredménye a „leánykori nevén” Next Generation Form Factor (NGFF)-ként emlegetett csatlakozófelület, amely a Mini PCI-express és az mSATA csatlakozók funkcióját testesíti meg igen kis méretben. Az NGFF elnevezést módosították később M.2-re. – A szerk. megj.

^[2] Soros adatátvitelű SCSI interfész (Serial Attached SCSI) – A szerk. megj.

^[3]3 A MIPI szakmai koordinációs szervezet által definiált soros megjelenítőinterfész (Display Serial Interface) – A szerk. megj.