Sulautettu mikroprosessori (embedded MPU) on tehokas tapa vastata moniin tämän päivän sulautettujen sovellusten suunnittelijoiden haasteisiin. STMicroelectronicsin SPEAr-piiriperhe yhdessä Arrow-ekosysteemin kanssa tarjoaa yhden erinomaisen vaihtoehdon kehittäjille.

Kirjoittaja Amir Sherman tuli Arrow´n palvelukseen vuonna 2001. Vuodesta 2008 asti Amir työskenteli Arrow Israelin teknisenä johtajana. Vuoden 2013 syyskuussa Sherman siirtyi Arrow´n Frankfurtin yksikköön,  jossa hän vastaa ST:n tuotteista koko EMEA-alueella.

Aluksi: Suorituskyky ylös, kustannukset alas, markkinoille nopeasti

Älykkäitä verkottuneita laitteita on kaikkialla arkielämässämme sekä ammattisovelluksissa kuten turvajärjestelmissä, lääketieteen laitteissa ja teollisuuden ohjauksissa. Kun jokaisella sovelluksella on yksilöllisiä vaatimuksia kustannusten, koon, tehonkulutuksen ja suorituskyvyn suhteen, jo tämä moninaisuus perää erilaisia prosessorityyppejä ja -arkkitehtuureja.

Nämä voivat olla pieniä sulautettuja mikro-ohjaimia, joissa on pieniä määriä RAM- ja flash-muistia, tai tehokkaita isäntäprosessoreja, joista on liitäntä suureen ulkoiseen muistiin ja joilla voidaan ajaa edistyneitä toimintoja sisältävää käyttöjärjestelmää.

Sulautettujen järjestelmien kehittäjien pitää saada suunnittelunsa valmiiksi yhä nopeammin ja yhä pienemmin kustannuksin. Suunnittelua helpottavan prosessorin valitseminen nousee usein tärkeämmäksi kriteeriksi kuin halvin yksikköhinta tai paras raaka suorituskyky.

Tarjolla olevista prosessorityypeistä sulautettu mikroposessori täyttää mikroprosessorien (MPU) ja mikro-ohjainten (MCU) välisen tilan. Ne yhdistävät suorituskykyisen prosessorin integroituhin oheislaitteisiin mikro-ohjaimen tavoin, ja toisaalta tarjoavat tehokkaan alustan suurta suorityskykyä vaativille sovelluksille. Laajaan ekosysteemiin, kuten kehitystyökaluihin ja evaluointikortteihin yhdistettynä näillä voidaan kehittää edistyneitä järjestelmiä markkinoille nopeasti ja edullisesti.

Tyypillinen esimerkki tällaisesta laitteesta on STMicroelectronicsin SPEAr-perhe, jossa standardiin ARM-pohjaiseen arkkitehtuuriin on yhdistetty liitettävyys, oheislaitteet sekä turvallisuustoiminnot, sekä kehitystä tukeva ekosysteemi kolmansien osapuolten työkalujen ja ST:n omien kehityskorttien muodossa. Kehityskorteilla ohjelmiston kehitys ja virheentarkistus eli debuggaus nopeutuu, suunnittelijat tutustuvat sulautetun prosessorin ominaisuuksiin ja laitekehitykselle tulee hyvä lähtökohta.

SPEAr-piiriperhe

SPEAr-piirien perhe kattaa laajan valikoiman suorituskykyä ja integroitua toiminnallisuutta. SPEAr300/310/320-piirit perustuvat 333 megahertsin ARM926EJ-S -prosessoriin. Niiden liitettävyys sopii esimerkiksi IP-puhelimiin, turvatekniikkaan, tietoliikenne- ja verkkolaitteisiin, teollisuusautomaatioon ja kulutuselektroniikkaan. Kahden 333 megahertsin ytimen SPEAr699 tuo lisää resursseja sovelluksiin, joissa tarvitaan enemmän suorituskykyä edullisesti.

SPEAr1310 ja SPEAr1340 ovat tehokkaampia piirejä, joissa hyödynnetään uusinta ARM Cortex-A9-prosessoria. Niistä löytyvät Ethernet-, USB-, CAN- ja HDLC-väylät, sekä useita muistiväyliä kuten NAND- ja NOR-flash, DDR2- ja DDR3 sekä RAM ja kertaohjelmoitava ROM.

Cortex-A9 on ihanteellinen perusta tehokkaimmille SPEAr-prosessoreille. Se sopii parhaiten vähävirtaisiin suunnitteluihin, joissa tarvitaan suorituskykyä ja liitettävyyttä ja joissa piirin pieni lämmöntuotto on vähäisen tilan takia tärkeä ominaisuus. Prosessoria toimitetaan jo volyymeissä esimerkiksi älypuhelimiin, televisioihin ja muuhun kulutuselektroniikkaan.

Cortex-A9 on saatavissa yksiprosessorisena ratkaisuna, joka tuo 50 prosenttia enemmän suorituskykyä kuin Cortex-A8-vaihtoehdot. Moniytimisenä Cortex-A9 on saatavissa jopa neljän prosessorin piirinä. Sen konfiguroitavuus ja joustavuus skaalautuu useille eri markkinoille ja erilaisiin sovelluksiin.

Tehokkaat prosessorit ja suunnittelutuki

Videoneuvottelujärjestelmiin, älynäyttöihin, reitittimiin ja muihin suurta liitettävyyttä ja interaktiivisuutta vaativiin sovelluksiin SPEAr1340 yhdistää kaksiytimisen Cortex-A9-prosessorin ARM Mali -200 -grafiikkaprosessoriin, joka tukee resoluutioita aina 1080p-tasoon asti, sekä OpenGL ES 2.0- ja OpenVG 2.0 -grafiikkarajapintoja. Tämän ansiosta SPEAr1340-piiriä käyttävien laitteiden käyttöliittymissä voidaan hyödyntää 2D- ja 3D-kiihdytystä ja navigointia, nettiselaimia ja pelisovelluksia. Piiri tukee myös useita eri videostandardeja H.264 mukaan lukien.

Lisäksi pieni kotelokoko ja tuki edullisemmille muisteille antaa suunnittelijalle mahdollisuuden minimoida materiaalikustannukset ja yksinkertaistaa piirikortin suunnittelu. Tehonhallinta ja useiden käyttöjärjestelmien tuki – kuten Linux, Android 4.0 ja Windows Compact 7 – tekevät SPEAr1340-piiristä sopivan moniin uusiin sovelluksiin niin kulutus- kuin teollisuuselektroniikassakin. Tällaisia ovat esimerkiksi halvemmat tabletit ja älykkäät käyttöpaneelit tuotantolaitteissa ja tulostimissa.

Piirille on integroitu 32 kilotavua ROM-muistia, 32 + 4 kilotavua SRAM-muistia, jopa gigatavun verran DDR2- tai DDR3-muistia 16 tai 32 bitin datapolulla, sekä tuki ulkoiselle NAND- tai NOR-flashille. Piiri tukee myös asynkronisen SRAM-muistin käyttöä.

Liitäntävalikoimiin kuuluvat PCIe 2.0 tai toisen polven SATA, kaksi USB2.0-isäntää ja fyysistä linkkiä, USB On-the-Go, Gigabitin Ethernet ja DVI-väylä (Digital Video Input) sekä liitännät jopa neljän ulkoisen kameran liittämiselle järjestelmään. Lisäksi piirillä on 4-linjainen liitäntä resistiiviselle kosketusnäytölle, sekä TFT-LCD-ohjain, joka tukee näyttötarkkuuksia aina 1920 x 1200 pisteeseen asti 24 bitin värisyvyydellä.

Ekosysteemi kokonaiseksi

ST on vienyt SPEAr1340-piirin useimpia sulautettavia mikroprosessoreja pidemmälle SOM-järjestelmämoduulina (System on Module), jossa tehokas kaksiytiminen prosessointi on yhdistetty laajaan valkoimaan ominaisuuksia ja oheislaitteita. Konsepti vastaa niihin kaupallisiin ja teknisiin haasteisiin, joita suunnittelijoiden pitää ratkaista tuodakseen nykylaitteiden vaatiman suorituskyvyn käyttöön nopeasti ja kustannustehokkaasti. Tätä tukeakseen Arrow Electronics on kehittänyt COM-SPEAR1340-kehityskortin (kuva 1), joka antaa suunnittelijoille mahdollisuuden keskittyä kehittämään omaa kohdekorttiaan ja siten saamaan tuotteensa valmiiksi nopeammin.

Kuva 1. Arrow Electronicsin kehittämä COM-SPEAR1340-kehityskortti.

Kuva 2. COM-SPEAR1340-kortin vuokaavio.

Kortin liittäminen uuteen, niinikään Arrow´n kehittämään demokorttiin muodostaa täysin toimivan BSP-paketin (Board-Support Package), jolla kehitys voi alkaa välittömästi. COM-SPEAR1340-kortin prosessoriin voidaan liittää kaksi kameraa sekä kaksi lisäkameraa kameraohjaimen kautta, joten neljän kameran kautta saadaan täysi 360 asteen näkymä.

Kuva 3. Demokortin vuokaavio liitännästä COM-korttiin.

Arrow´lta tulevan kortin ohjelmistotuki tulee Linux- ja Android-yhteisöiltä sekä Arrow´n kumppanilta Wind River Systemsiltä. Tämä yhdistelmä tarjoaa kehittäjälle alustan, joka tukee Android Floidia (Flexible Android). Floidin ideana on tarjota avoin ja vakaa kehitysalusta SPEAr1340-pohjaiselle laitekehitykselle. Kaupallisen ohjelmistotuen kehittäjille tuo Wind River Systems.

Lopuksi

Moninaisia tietojenkäsittelyn, tietoliikenteen, ohjauksen, turvallisuuden ja multimedian sovelluksia kehittävien haasteena on lisätä laitteiden suorituskykyä ja pienentää niiden tehonkulutusta. Sulautettu mikroprosessori lisää jatkuvasti suosiotaan vähävirtaisten ja suorituskykyisten laitteiden suunnittelualustana.

Järjestelmämoduuliratkaisuna, jota tukee niin laitteisto Arrow´n COM-SPEAR1340-kortin kuin ohjelmisto Floid-Androidin muodossa, sulautettu mikroprosessori löytää tiensä huomispäivän suorituskykyisiin sulautettuihin sovelluksiin. Lisätietoa ratkaisusta löytyy osoitteesta www.spear1340.com.