基于ARM v7 Cortex A8的开发平台

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一、ARM Cortex处理器概述

随着嵌入式技术应用领域的不断扩展,对嵌入式系统的要求越来越高,而作为嵌入式系统核心的微处理器也面临日益严竣的挑战。ARM公司从成立以来,一直以知识产权(IP,Intelligence Property)提供者的身份出售知识产权,在32位RISC CPU开发领域中不断取得突破,其设计的微处理器结构已经从v3发展到现在的v7。ARMv7架构是在ARMv6架构的基础上诞生的。该架构采用了Thumb-2技术,它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的,并且保持了对现存ARM解决方案的完整的代码兼容性。Thumb-2技术比纯32位代码少使用31%的内存,减小了系统开销,同时能够提供比已有的基于Thumb技术的解决方案高出38%的性能。ARMv7架构还采用丁NEON技术,将DSP和媒体处理能力提高了近4倍。并支持改良的浮点运算,满足下一代3D图形、游戏物理应用以及传统嵌入式控制应用的需求。此外,ARMv7还支持改良的运行环境,以迎合不断增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptlve Compilation)技术的使用。

Cortex系列处理器是基于ARMv7架构的,分为Cortcx-M3、Cortex-R和Cortex-A三类。ARM Cortex-M3处理器是为存储器和处理器的尺寸对产品成本影响极大的各种应用专门开发设计的;ARM Cortex-R系列处理器目前包括ARM Cortex-R4和ARM Cortex-R4F两个型号,主要适用于实时系统的嵌入式处理器;而ARM Cortex-A8处理器是一款适用于复杂操作系统及用户应用的应用处理器。

Cortex-A8是ARM公司有史以来性能最强劲的一款处理器,主频为600MHz到1GHz,在65纳米工艺下,其功耗低于300毫瓦,而性能却高达2000MIPS。

其结构如图:

Cortex-A8采用了复杂的流水线构架,针对强调功耗的应用,Cortex-A8采用了一个优化的装载/存储流水线,顺序执行,同步执行的超标量处理器内核,其拥有13级主流水线,10级NEON多媒体流水线,可以提供2 DMIPS/MHZ的性能;它有优化的L1缓存,可以提高访存储问速度,并降低功耗;它有专用的L2缓存,在编译的时候,可以把缓存当作标准的RAM进行处理,而缓存大小可以灵活配置,缓存的访问延迟也可以编程控制;它有基于执行记录的动态跳转预盼,这不仅提供高达95%准确性,而已也提供重放机制以有效降低预判错误带来的性能损失;
在技术方面,使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb?-2技术。它首次采用了强大的NEONTM信号处理扩展集,对H.264和MP3等媒体编解码提供加速。Cortex-A8解决方案还包括Jazelle?-RCT Java加速技术,对实时(JIT)和动态调适编译(DAC)提供最优化,同时减少内存占用空间高达三倍。此外,新处理器还配置了用于安全交易和数字版权管理的TrustZone?技术和AMBA? 3 AXI?互连协议,而且实现低功耗管理的IEM功能。

不仅如此,针对Cortex-A8,ARM公司专门提供了新的函数库(Artisan Advantage-CE)。新的库函数可以有效的提高异常处理的速度并降低功耗。同时,新的库函数还提供了高级内存泄漏控制机制。

在高性能的90纳米和65纳米工艺下,Cortex-A8处理器运行速度最高可达到1GHz,从而满足高性能消费产品设计的需要,而这一切也使之成为实现下一代应用性能的最佳选择。

二、TI OAMP35x处理器的特点

德州仪器(TI)日前宣布推出四款新型 OMAP 处理器,采用最新上市的ARM Cortex-A8 内核技术,在单一芯片中实现了手持式功率级中堪比笔记本电脑的高性能功能组合。最新 OMAP35x 处理器进一步丰富了 TI 业经验证的领先无线手机技术,能够帮助主流客户满足新市场领域的要求,如车载应用、消费类设备、嵌入式以及医疗设备等。这种集成的单芯片处理器将照片级真实感 (photo-realistic) 图形效果与 TI 高级视频 DSP 技术相结合,在市场上各种单芯片组合中提供了最佳的集成多内核处理功能。这些革命性突破的应用处理器必将有助于 OEM 厂商针对重新定义用户界面、网页浏览、工作效率以及多媒体体验标准。

TI 的 OMAP35x? 处理器系列基于 ARM?Cortex?-A8 内核,由四款超标量应用处理器组成,提供了业界最佳的通用、多媒体和图形处理单芯片组合。Cortex-A8 是一款超标量内核,提供了超出 ARM9 四倍的性能提升。TI OMAP35x处理器系列共包含 OMAP3503、OMAP3515、:OMAP3525 以及 OMAP3530四款不同的单芯片处理器,其发展路线和主要特性如下两图:

1 OMAP3503:面向嵌入式主板运算处理的应用处理器

OMAP3503 应用处理器包含一个 ARM Cortex-A8 内核,集成了丰富的外设集,Cortex-A8 内核的时钟速度比 300MHz ARM9 提高了一倍,也因此实现了两倍性能的提升。由于采用弹性架构,OMAP3503再度提升两倍性能,能在单一处理器内支持指令级并行技术,从而在时钟速率不变的情况下加快了 CPU 吞吐量。Cortex-A8 的性能翻了两番,达到 1200 Dhrystone MIPS,从而能够运行 Windows Embedded CE 与 Linux 等全功能操作系统。它不仅能够帮助用户更快存取数据库、数据手册、电子表格、演示文件、电子邮件以及音视频附件,还可提高 网页浏览与视频会议等应用程序的运行速度。该处理器还支持更快的启动时间与Java 应用,非常适合嵌入式处理器电路板。

2 OMAP3515:面向游戏或便携式导航系统的应用

OMAP3515 应用处理器拥有与 OMAP3503 同样丰富的外设集和 ARM 内核,同时还附带有首次广泛提供的集成 OpenGL ES 2.0 图形引擎。基于 Imagination Technologies PowerVR SGX 图形加速器的 OMAP3515 可在手持设备上展现拥有 PC 游戏质量的图形,每秒可提供的多边形高达 1 千万个,能实现照片级真实感的图形效果,从而大幅增强了智能设备的用户界面。OMAP3515 是嵌入式游戏或简单便携式导航系统的理想处理器。

3 OMAP3525:面向嵌入式应用的多媒体处理功能

OMAP3525 应用处理器拥有与 OMAP3503 同样丰富的外设集和 ARM 内核,同时还附加集成达芬奇技术,用于音频、视频和成像,更能满足高清视频、影像、音频以及多媒体加速功能的需求。OMAP3525 是市场上首款能够在 500mW 以下提供高清解码的应用处理器。集成的达芬奇技术是硬件启用的视频和成像处理技术,加上专门的视频中心外设,能使 OMAP3525 以 720p、30fps 实现 MPEG-4 SP 高清视频解码。OMAP3525 是多媒体和视频应用的理想选择,将为用户带来新的性能标准,因此非常适合使用于便携式媒体播放器。。

4 OMAP3530:面向多媒体智能设备的单芯片解决方案

OMAP3530 应用处理器是一个扩展集器件,它将 OMAP3503、3515 和 3525 的所有特性合并于单一的芯片上。OMAP3530在单芯片上集成了 ARM、DSP、图形引擎、达芬奇技术以及丰富的外设集,因此能够满足高性能需求、低功耗工作与娱乐性应用。作为理想适用于因特网设备与便携式病人监护设备等各种潜在应用的处理器,OMAP3530 在针对电源而优化的设计中提供了高集成度特性,因而能够以更轻薄时尚的外形带来各种新型诱人应用。另外,全新用户接口与图形功能还有助于更方便地集成至现有的商业或消费类产品设计中。因此借助 OMAP3530,OEM 将能够向用户交付高性能、低功耗的娱乐应用。

为了提高该性能等级的产品对嵌入式应用的吸引力,OMAP35x 处理器还支持在电量极为有限的环境下运行有关应用。为了实现这种功耗等级,OMAP35x 处理器集成了三种技术。首先,处理器架构采用多内核设计,这样每个内核都能专注处理各自负责的任务,从而实现效率最大化。其次,该处理器采用 65 纳米低功耗工艺制造而成。最后,该产品采用 TI 的 SmartReflex技术,能根据设备工作情况、工作模式、工艺技术以及温度变化等因素动态控制电压、频率与功耗。

这些处理器提供了多种组件结合的不同解决方案,其中包括 Cortex-A8 内核、丰富的多媒体外设、符合 OpenGL ES 2.0 标准的图形引擎、视频加速器以及TMS320C64x+ DSP 内核。专为以视频为中心的客户设计的达芬奇软件技术,更可运用在最高视频性能的OMAP3525 与 OMAP3530中。由超过400多家公司组成的TI Developer Network也能提供从操作系统实施到应用用户接口的丰富专业技术,以支持最新OMAP35x 处理器的开发工作。上述应用处理器还支持12MP相片捕获功能,且引脚对引脚兼容,因此能够帮助 OEM 厂商在单一平台的基础上方便高效地创建完整产品系列。基于前代 ARM器件及 C64x+ DSP 开发的软件也能与 OMAP35x 处理器的内核相兼容。

三、EVM的行业应用

围绕着TI全新的OMAP35X应用处理器,天漠科技立刻在第一时间推出了的基于OMAP35x系列的EVM开发平台,开发平台不仅拥有更加友好的用户界面,便携式设备更加小巧、电池寿命更长,而且通过以单芯片在手持设备功率级上提供如同笔记本电脑般的性能,能更好的满足消费者的实际应用需要和特殊的应用需求。这块命名Embest_OMAP_EVM的开发平台,主要包括如下配置:

DDR 266或333,容量可扩展到64*32bit

标准的FLASH,扩展可以多种容量(<32GB,如果要启动容量<8G)

兼容4/8位,1.8V/3.3V逻辑的SD/MMC接口。

高速 USB OTG,HOST接口

100M/10M自适应网卡

立体声输出、输入

S-VIDEO输出

RS232接口

12位的Camera接口

24位色彩 3.3V逻辑的LCD接口

多功能扩展接口(SPI、IIC、UART、MMC、MCBSP、GPIO)

6*6的矩阵键盘接口

总线接口

JTAG调试接口

该开发平台将成为这些新型设备和如下应用的核心:

1. 安防终端设备解决方案

安全是指保护资产(物理和逻辑)免遭非法访问、失窃或损坏。在当今日渐无常的世界中,人们对安全、防卫和隐私保障的需求日渐增强,这也就促进了各种智能安防解决方案的诞生,包括防卫监控,指纹识别、加密以及智能卡等新型技术。

如利用Embest开发平台上的Camera接口,视频处理技术,音频处理技术等,可以做监控应用 ,如图所示:

为了能在所有照明条件下工作,我们也可以在其监控范围内添加了 LED,需要使用的 LED 数量取决于目标距离,以及成像器的大小和类型。对于彩色、黑白和红外成像器来说,要求各不相同。确定所需 LED 数量的最佳方法仍是根据经验判断所需的照明。我们通过TI 的 TPS54xx/TPS402xx 能够高效地提供转换以驱动 LED。在具有嘈杂声音的地方,如商业区或街道,具有集成数据转换器的 MSP430 非常适合于对声音进行处理并对信号预进行过滤,以便将数据转换器的敏感度调节到噪声基底。OPA36x 缓冲器系列和 DRV13x/DRV600 音频驱动器能确保在整个传输路径中保持信号保真度。在软件方面,可通过电机控制算法使安全操作员能够通过操纵杆接口控制摄象机的移动,软件还会创建用于显示摄像机名称、日期和时间的时间戳。为摄像机中的图像标上时间戳可以最大限度地减少对操作员级视频输入的外部篡改能力。在音频信号路径中,软件将对数据转换器的灵敏度进行筛选和修改,并负责同步音频和视频。

2. 工业终端设备解决方案

GPS 技术已成功应用到许多资源中,远远超出了其导航和资产跟踪的初始设计目标。新的便携式 GPS 导航设备 (PND) 可提供精准定位并且集成了许多消费类电子功能,GPS 帮助人们提高了效率,并且使通勤变得更加安全、轻松。

如利用Embest开发平台本身的处理计算能力,视频处理技术,音频处理技术在接上GPS模块,就可以做个人导航设备应用了 ,如图所示:

精准定位是 GPS 的主要目标;实现便携性要求更小尺寸、更低成本、更低功耗和更高性能的分立 GPS 解决方案。OMAP 处理器是一款节能型的 TI 增强型基于 ARM 架构的应用处理器,它将高性能生产应用与移动娱乐应用组合在一起。

3. 视频和影像终端设备解决方案

典型的 IP 视频电话是一款小型一体化台式电话,它消除了视频会议的复杂性并且允许在全球任何地方通过宽带 IP 连接拨打免费的面对面视频电话。这些产品为大小型企业、政府机构和教育环境提供更有成效的工具,更高效地提供培训和教育,并省去沉重的出差费用。随着 IP 网络部署的继续增长,消费者期望获得额外功能和经济高效地集成视频流功能。

Embest开发平台在对实时图像进行捕捉处理,颜色空间变换和实时显示,压缩与解压缩,以及在多个视频流上同时执行 IP 包优化的功能。如图所示:

IP 视频电话解决方案具有以下 各种功能:

实时多通道视频集成到现有的 IP 语音电话;

三方视频会议;

以及实时同步视频与 IP 网络语音。

不仅如此,客户可以利用TI在视频方面深厚而广泛的专业技术快速而经济高效地差异化在所有细分市场中的产品。Embest也分别拥有一系列针对不同细分市场的定制解决方案,通过提供软件、工具、第三方和本地支持简化了开发过程。

4. 通信与电信终端设备解决方案

如果当今的智能电话集成了具有基础多媒体功能的个人整理程序和电子邮件管理工具,以及手持终端功能,则通常的“开机”时间相比入门级移动电话的开机时间,对于最终用户而言更为关键。特性集推动了对强大处理功能、更大(更清晰)显示屏、触摸屏控制和麦克风功能的需求。若要满足电话的性能和外形尺寸要求,必须仔细考虑电源电流和封装尺寸。因此,迁移到集成了音频、ESD 保护、电源管理和整体供电效率的 D 类音频放大器、触摸屏控制器就尤为重要。

为了满足不断扩大的中端无线市场对高级多媒体特性的日益增长的需求,Embest 提供了基于OMAP的解决方案。通过外加一些通信模块,就可以做成一个实现了多个通信标准以及无线LAN、GPS和Bluetooth?手持终端,凭借创新的 3D 图像、高质量视频应用和高级用户界面提升了用户体验。 如下图:

5. 无线通信终端设备解决方案

Embest开发平台加上一个天线模块和音频处理模块也完全可以做一个PDA的应用,允许用户通过触摸屏或键盘使用命令将数据输入到 PDA 中。视频、图片、因特网、应用程序显示在小型 LCD 上,有时也可以通过电视或投影仪连接显示在大屏幕上。可通过个人耳机连接、外部音频输出插口或内置扬声器输出音频。也可以把 PDA 连接到其它外设,例如通过 USB 或无线 LAN 连接到 PC、连接到蓝牙耳机、通过电视输出、S 视频或 HDMI 收发器连接到电视或监视器、连接到 MMC/SD 存储卡。应用如图所示:

6. 消费电子终端设备解决方案

在消费类电子Embest开发平台基于OMAP 35X系列芯片可以做到很多应用,比如做一个便携式媒体播放器,它能录制并播放来自电视、DVD 播放器、摄像机的音频/视频 (A/V) 或从因特网下载的媒体文件的手持音频/视频系统。这些器件通常基于硬盘或闪存介质,能够保存数小时的内容和提供娱乐,给用户带来无比愉悦的视听享受。其应用如下图:

7. 医疗电子终端设备解决方案

对于医疗器械方面的应用,TI一直在做着不懈的努力,而Embest开发平台加上其他的模块,也可以用到医疗器械上,比如:便携式医疗仪表,数字听诊器,病患监控,输液泵,通风机,心电图仪器等,我们以病患监控仪为例,来谈谈这块开发平台的应用。病人监护仪是能够适应各种临床应用、支持各种有线和无线接口的灵活的便携式设备。无论监护仪是单参数设备还是多参数设备,目标功能、功耗和多功能系统通常是关键要求。如今,监护仪可以跟随病人出入手术室、重症监护室、病房,甚至他们的住宅。这对当今世界医疗事业极为重要。应用如图:

当今的病人监护仪最重要的特性是可移动性、简便易用和可轻松进行病人数据传输。可移动性包含便携性和与其它医疗设备(如麻醉机或除颤器)相连的能力。简便易用可通过触摸屏和多级菜单驱动的配置文件来实现,这些配置文件可以根据环境和病人的重要统计数据进行配置。需要在从无线到 RS232 的所有设备上实现数据传输。所有地区的医院可能都会支持某个特定的基础设施;而救护车、住宅和其它环境则需要支持不同的协议。最大程度地降低医疗成本这一不断增加的需要正在促使医疗供应商在医院外进行病人治疗和监控。为新兴经济体中人口高度集中的农村和偏远地区提供医疗正在推动对远程病人监控和远程医疗的需要。

四、未来Cortex A系列处理器发展趋势

面对未来市场需求,ARM也将研发重点放在Cortex系列处理器,以实现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内核,有单核和多核两个版本。单核的Cortex-A9在性能上大抵相当于已推出的Cortex-A8处理器。A9系列还有两个、三个乃至四个内核集群的产品,能提供超过8,000Dhrystone Mips(DMIPS)的对称多处理(SMP)性能。这种内核是可综合的,采用先进工艺时的时钟频率有望超过1GHz,不过当时钟减慢或内核被关断时才可达到最大功率效率。此外,这种架构可以扩展到四个以上的内核。相对于Cortex A8,Cortex A9的功耗更低,效率更高。

A9内核是Cortex-A8的改进版,它增加了几条支持多处理的额外指令,并后向兼容。像A8一样,A9也是超标量体系结构,带有一个多事件8级流水线。程序对前面的分支解算进行异步评估,目的在于取指,每时钟周期允许连续获取和解码两条指令。 不过A9流水线更进一步,还支持乱序指令分发及完成。 这种新的架构带有一个支持硬件加速器和DMA单元的加速器一致性端口(ACP),增强了ARM目前的多处理器能力;带有中断虚拟化功能,支持TrustZone技术;还带有一个通用中断控制器(GIC)。

作为一个完全成熟的ARMv7器件,A9 MPcore支持Thumb2 指令、TrustZone、浮点运算单元(FPU)与Neon——用于流媒体处理的ARM单指令多数据扩展。与每个内核相关的指令和一级数据缓存都整合了缓存一致性支持,通过一个Snoop控制单元(SCU)进行同步。有一条本地一致总线与SCU相链接。

预计2009年底第一款使用Cortex-A9的器件将上架销售,2010年开始量产。

至于下一代体系结构的发展是由不断涌现的新产品和变化的市场来推动的。关键的设计约束是显而易见的,功能,性能,速度,功耗,面积和成本必须与每一种应用的需求 相平衡。保证领先的性能/功耗(MIPS/Watt)在过去是ARM成功的基石,在将来的应用中它也是一个重要衡量标准。随着计算和通讯持续覆盖许多消费领域,功能也变得愈来愈复杂,消费者期望有高级的用户界面,多媒体以及增强的产品性能。