Микроконтроллеры в системах с графическим интерфейсом Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Микроконтроллеры в системах

с графическим интерфейсом

Виктор БЕЛЕЦКИИ, к. т. н.

belvi@cec-mc.ru Алексей ДАНЬКО

danko@cec-mc.ru

Уровень технологического развития современной элементной базы непрерывно повышается. Вместе с этим меняется и облик электронных приборов: уменьшаются габаритные размеры, возрастают возможности, появляются элементы интеллектуальности и передовые средства отображения информации. Цветная индикация постепенно вытесняет привычное монохромное изображение.

Применение цветной индикации обусловлено различными причинами. Но чаще всего это действительно необходимо, когда оператор контролирует одновременно множество параметров, выводимых на дисплей (навигационные приборы, авионика, медицинская аппаратура и др.). Не последнюю роль в этом процессе играют мода и престиж.

Приборы из высокой ценовой категории по умолчанию комплектуются высококачественными цветными дисплеями. И, скорее, как исключение из правил, встречаются приборы из средней ценовой категории с монохромными дисплеями.

Однажды перед производителем электронной техники возникает вопрос модернизации существующего прибора, которая может быть проведена различными путями. Иногда бывает достаточно провести поверхностную, косметическую доработку. К примеру, заменить корпус, приблизив дизайн прибора к современным требованиям; вместо монохромного индикатора установить цветной. Не улучшив этим технических характеристик изделия, производитель значительно повысит его конкурентоспособность. При этом, правда, прибор не сможет перейти в иную ценовую категорию, что определяется как раз его функциональными возможностями. Глубокая модернизация, приводящая к улучшению его дизайна и эргономики, а также функциональности, наращиванию сервисных функций и технических (измерительных) характеристик, позволяет поднять класс прибора.

Сегодня производитель имеет широчайшие возможности для апгрейда отстающей от современных требований продукции. Микроэлектроника переживает бурный рост, на рынке появляются активные компоненты с выдающимися характеристиками. Это в первую очередь касается микропроцессоров, аналоговых, цифровых и комбинированных чипов.

Уже никого не удивить цветными индикаторами, изготовленными по технологиям OLED и TFT.

Как было сказано, бюджетный вариант доработки морально устаревшего прибора — замена монохромного ЖКИ на цветной. Большинство современных малогабаритных индикаторов, будь то OLED- или TFT-дисплей, имеют интегрированные контроллеры с последовательным (SPI, I2C) или параллельным (8- или 16-разрядным) интерфейсами.

В данном случае потребуется подобрать модель индикатора, по габаритам мало отличающуюся от старой модели, и провести модернизацию управляющей программы в части графического интерфейса, а также небольшую доработку аппаратной части. Наличие эффективной светодиодной подсветки у TFT-дисплеев требует питающего напряжения в пределах 5-20 В. Для функционирования OLED-дисплея также необходимо повышенное напряжение питания. Для решения этой проблемы на рынке существует большое количество недорогих повышающих конвертеров. Например, LM2733 (National Semiconductor), TPS65130, TPS61085 (Texas Instruments), NCP1406 (ON Semiconductor) и др. Что касается OLED-дисплеев, то в последнее время все большее количество моделей имеет встроенный конвертер напряжения.

В качестве примера приведем возможный вариант замены монохромного графического индикатора PG12864LRF-NRA-H (рис. 1б) на цветной 2,4" OLED PPT9999-A003-04-Q (рис. 1а) (оба индикатора производства фирмы Powertip). Модифицированный прибор с цветным дисплеем с разрешением экрана 320x240 против 128x64 точки получил новые неоспоримые преимущества. Помимо того, что объем выводимой информации в этом случае несравненно больше, использование цветовых схем дает дополнительный выигрыш в ее восприятии.

Еще один пример удачной модернизации — использование вместо алфавитноцифрового индикатора графического OLED-дисплея. В базовой комплектации прибора использовался 4-строчный LCD PC2004LRS-GSC-H (рис. 2а). Размер видимой области монохромного (белый цвет) графического OLED-индикатораUG-5664ASWEF01 (рис. 2б) (Univision) соответствует размеру видимой области LCD. Но прибор с индикатором, обладающим разрешением 256x64 точки, с 16 градациями серого, а также контрастностью 2000:1, яркостью 80 кд/м2 и углом обзора больше 160°, дает несомненные преимущества в восприятии полезной информации. Индикатор имеет возможность подключе-

р—

н

0

Рис. 2. Дисплеи:

а) монохромный LCD PC2004LRS-GSC-H;

б) цветной OLED UG-5664ASWEF01

ния через 8-битную параллельную или SPI-последовательную шину.

Что касается изделий большой серийности, то, в зависимости от назначения, используются бюджетные модели индикаторов. Например, цветными индикаторами (малогабаритные OLED, TFT) оснащены мобильные телефоны, электроника для автомобилей, электронные игрушки и развивающие игры. Другое направление — торговля (электронные этикетки и бейджи) и ЖКХ (счетчики водоснабжения, электроэнергии и др.). В этом случае приборы лишены индивидуальности, и идти на повышение себестоимости подобных изделий нецелесообразно.

Сердцем любого прибора является процессор. Естественно, чем выше его функциональность, тем компактнее и надежнее конечное изделие. Компактность и надежность обусловлены снижением количества внешних периферийных микросхем. Современные микроконтроллеры с разнообразнейшей периферией, выполняющие функции целого устройства (например, компьютера) и размещенные на одной интегральной схеме (так называемая система на кристалле — System-on-a-Chip, SoC), разрабатываются и производятся всеми известными игроками этого сегмента рынка: NXP, Atmel, ST, Freescale [1], Texas Instruments, Marvell, Samsung и др. Следует отметить, что большинство подобных решений создано на основе ядра ARM. Производители электронных компонентов прекрасно осведомлены о потребностях конечных потребителей, тем более что значительная часть микросхем изготавливается в заказном варианте.

На сегодня имеется целый ряд моделей микроконтроллеров с интегрированным графическим контроллером для управления внешним индикатором (в основном, TFT различных типов). Некоторые из них (LH75401, например) имеют также встроенный контроллер сенсорной резистивной панели.

Это серьезно расширяет возможности разработчиков электроники. Дело в том, что большинство моделей малогабаритных цветных дисплеев (TFT, OLED) имеют небольшой срок производства (lifetime), поскольку ориентированы, как правило, на конкретные модели мобильных телефонов или коммуникаторов, которые очень быстро устаревают и вытесняются новыми моделями. Бывали случаи, когда по окончании разработки, доводки и испытаний прибора ставился вопрос запуска изделия в серию, но... всплывал факт, что таких дисплеев уже нет на складах и никогда не будет. Выходов два. Либо заказывать у производителя дисплеев большую партию данной модели (что крайне дорого), либо проводить модернизацию прибора, ориентируясь на другой дисплей.

TFT-дисплеи больших размеров (от 3,5") обычно имеют стандартные промышленные видеоинтерфейсы (цифровые RGB или LVDS) и производятся в течение долгого времени. Но в этом случае разработчику приходится «утяжелять» схему прибора, поскольку необходимо организовать графический интерфейс управления дисплеем — будь то специализированная микросхема-контроллер (например, S1D13506, S1D13808 от Epson или SSD19xx от Solomon) или же контроллер, созданный на базе ПЛИС.

Использование же интегрированного видеоконтроллера позволяет, помимо экономии пространства на печатной плате и снижения энергопотребления прибора, также использовать обширные библиотеки подпрограмм обслуживания графического интерфейса (среды разработки IAR, KEIL и пр.).

В данном случае определенные сложности могут быть вызваны непростыми для монтажа BGA-корпусами, в которых выпускаются современные высокопроизводительные системы на кристалле. Однако такие модели, как LPC2478/LH75401/LH79520 (NXP) или MPC5606S (Freescale), доступны и в «дружелюбных» корпусах LQFP, что избавляет от необходимости разводки многослойных печатных плат и процесса пайки BGA.

Упростить задачу применения микроконтроллеров в корпусах BGA позволяют модульные конструкции изделия. Модуль процессора с необходимой периферией, типа оперативной (DDR, SDRAM, SRAM) и флэш-памяти (NOR, NAND), контроллеры USB, Ethernet и др., в данном случае представляет собой высокотехнологичное изделие с использованием многослойных плат (6-8 слоев), спроектированных с учетом требований, предъявляемых к разводке скоростных сигнальных шин. Такой подход позволяет существенно снизить стоимость изделия. Еще большую экономию можно получить, используя готовые решения. Значительное количество фирм работают в этом сегменте рынка. Например, Ronetix (www.ronetix.at), Embest (www.armkits.com), Toradex (www.toradex.com), Embedian (http:// www.embedian.com) и др.

Рис. 3. Встраиваемый процессорный модуль на Marvell PXA320 (806 МГц) фирмы Embedian — MXM-8110

Далее более подробно (с точки зрения встроенных средств визуализации информации) рассмотрим некоторые модели микроконтроллеров, на базе которых можно создавать приборы и электронное оборудование, соответствующие сегодняшним требованиям.

Мультимедийные процессоры Freescale

Семейство i.MX

Процессоры семейства i.MX, построенные с использованием ARM-технологии, ориентированы на использование в мультимедиаустройствах, так как сочетают низкое энергопотребление с действительно высокой производительностью и высоким уровнем интеграции, позволяющим существенно сократить время разработки. В первую очередь — на рынок портативных ручных устройств, где критичны время работы от батарейки и размер устройства. Низкое энергопотребление обеспечивает длительное время работы от батарейки, а высокая интеграция позволяет сократить общий размер устройства. Кроме того, отказ от дополнительных внешних микросхем ведет к снижению стоимости устройства в целом.

В основу семейства i.MX положены высокопроизводительные ядра ARM9 и ARM11, что обеспечивает исключительно хорошее выполнение мультимедиазадач при малом энергопотреблении. Процессоры ориентированы на использование в широком диапазоне потребительских, промышленных и других применений, особенно в тех, для которых желательны крупноформатные дисплеи с ярким и четким представлением видео и 3D-графики.

Процессоры семейства i.MX (таблица) поддерживают платформы, построенные на основе Microsoft Mobile, Microsoft Windows CE, Linux OS и других операционных систем реального времени (RTOS).

Процессор i.MX233

Процессор i.MX233 с ядром ARM9 (работает на частотах до 454 МГц) ориентирован на применение в портативных устройствах,

Таблица. Процессоры семейства i.MX

Процессор Ядро Мультимедиа Контроллер Корпус

i.MX27 ARM926EJ-S, 400 МГц MPEG4 H.263/H.264; пред- и постобработка; высокоскоростной интерфейс КМОП-датчика 404 MAPBGA, 17x17 мм, шаг 0,65 мм

i.MX31 ARM1136JF-S, 532 МГц VGA MPEG4 аппаратное кодирование; графический ускоритель; обработка изображения (IPU); интерфейс CMOS/CCD-сенсора ЖКИ — WVGA, 24 бит, 800x480 точек 19x19 MAPBGA, шаг 0,8 мм; 14x14 MAPBGA, шаг 0,5 мм

i.MX355 ARM1136JF-S, 532 МГц - 404 MAPBGA, 17x17 мм, шаг 0,8 мм

i.MX515 ARM Cortex AS, 1000 МГц Аппаратные графические ускорители OpenGL ES 2.0 и OpenVG 1.1; аппаратный модуль мультиформатного декодера видео высокой четкости (HD 720p) и видеоэнкодер формата D1; 24-битный интерфейс первичного дисплея с разрешением WXGA; 18-битный интерфейс вторичного дисплея; аналоговый компонентный ТВ-выход (HD 720p); аппаратный видеодеинтерлейсинг (устранение чересстрочности); аппаратное масштабирование, инверсия и вращение изображений; альфа-наложение (Alpha Blending) и преобразование цветового пространства (Color Space Conversion); комбинация видеографики: четыре слоя плюс аппаратный курсор; повышение качества изображения: цветокоррекция, гамма-коррекция, преобразование цветовой гаммы - MAPBGA размером 13x13 мм , шаг выводов 0,5 мм; MAPBGA размером 19x19 мм, шаг выводов 0,8 мм

Стандартные

интерфейсы

12С

12-bit ADC

HS USB Phy

Аудио

I2Sx2

S/PDIF Tx

1.5W Mono Speaker Amp

Stereo ADC/DAC with Amp

Мультимедиа

10-bit Video DAC

PAL/NTSC Analog TV Encoder

Управление питанием

DC/DC 4.2V

LD0x4

Battery Charger

І.МХ233 ARM926EJ-S” 254 МГц

16 KB l-cache

16 KB D-cache

Защита программного кода

Стандартная периферия

Watch Dog

Not available in QFT package

Интерфейс внешней шины

DRM Unique ID OTP AES Key

128-bit AES SHA-1 Hashing

Внутренняя память

64 KB ROM

Интерфейс SD

MMC+/SDx 2

Интерфейсы внутрисхемной отладки

ETM SJTAG

Интерфейс

пользователя

LCD Controller

Touch Screen

Scaling

Alpha Blending

Color Space Conversion

Рис. 4. Блок-схема i.MX233

где необходима длительная работа от батарейных источников питания. Имеет достаточно развитую периферию (рис. 4). Технические характеристики:

• Интегрированный контроллер дисплея, оптимизированный для работы с панелями разрешением 640x480 точек и глубиной цвета 24 бит/пиксель.

• PAL/NTSC аналоговый TV-энкодер.

• 10-битный видео ЦАП-выход.

• Интегрированный контроллер управления сенсорной панелью.

• Контроллер USB HS Device/Host 2.0 с PHY.

• Интерфейс внешней памяти, поддерживающий NAND флэш.

• Встроенный модуль обработки аудио.

• Модуль питания, состоящий из четырех LDO и одного DC/DC-преобразователя.

• Корпус 169MAPBGA, шаг 0,8 мм и 128LQFP.

• Диапазон рабочих температур: -40.. .+85 °С.

Семейство PowerPC

Не так давно линейка 32-разрядных процессоров с архитектурой PowerPC пополнилась перспективными семействами МРС5хх/МРС5ххх.

Особо привлекателен для решения поставленных выше задач процессор MPC5606S, разработанный специально для применения в автомобильной электронике, в част-

ности, для приборных панелей управления (dashboard controller, рис. 5).

Технические характеристики:

• Интегрированный контроллер дисплея, оптимизированный для работы с панелями TFT с разрешением 480x272 точек (WQVGA) и глубиной цвета 24 бит/пиксель (16,7 млн цветов).

• Контроллер управления шаговыми двигателями (6 каналов).

• Драйвер ЖКИ 40x4 сегментов.

• 1 Мбайт внутренней флэш-памяти программ.

• 64 кбайт внутренней флэш-памяти данных (Data Flash for EEPROM Emulation).

• 48 кбайт ОЗУ на кристалле (SRAM with ECC).

• 160 кбайт видео ОЗУ на кристалле (graphics SRAM).

• Интерфейс для ввода цифрового видеосигнала (PDI).

• Встроенный генератор звука.

• Корпус: 144 LQFP/176 LQFP.

Этот процессор производит и фирма STMicroelectronics. Он входит в состав семейства микроконтроллеров для автомобильной электроники SPC560S и обозначается как SPC560S60.

Системы на кристалле (SoC) фирмы NXP Semiconductors

NXP [2] обладает самым большим в отрасли портфолио ARM-микроконтроллеров, построенных на основе процессорных ядер от ARM7TDMI, ARM968, ARM926 до Cortex-M3. В том числе несколько превосходных микроконтроллеров со встроенным видеоконтроллером.

Процессорное ядро ARM7—LPC23xx/24xx Микроконтроллеры серии LPC23xx/LPC24xx построены на основе ядра ARM7TDMI-S, работающего с частотой тактирования до 72 МГц, и оснащены встроенной Flash-памятью с нулевым временем ожидания, емкостью до 512 кбайт.

Единственные в отрасли ARM7-микро-контроллеры с архитектурой сдвоенной AHB-шины способны одновременно выполнять программу применения и работать с USB FS, CAN и Ethernet.

На кристалле микроконтроллера интегрированы различные периферийные модули, включая Ethernet, полноскоростной USB2.0 OTG/Device/OHCI, два канала CAN, четыре канала UART, три шины I2C, два интерфейса I2S, устройства SSP (SPI), RTC, ADC/DAC, PWM, интерфейс карт SD/MMC. Внешняя шина поддерживает работу с микросхемами SDRAM, SRAM и NOR Flash.

LPC2478 получил дополнительный LCD-контроллер, поддерживающий STN- и TFT-панели с разрядностью цвета до 24 разрядов. Контроллер поддерживает QVGASTN и TFT 24-битные цветные графические дис-

■о 0*

(©) * (©) <? о

^звук

GPI/O

48 кбайт RAM

QuadSPI

6 драйверов шаговых двигателей с патентованным способом определения конечных положений

MPC5606S

EEPROM

1 Мбайт

40x4 LCD Segment Driver

160 кбайт RAM

DCU

Serial Flash 123456.7 TRIP

LCD дисплей

Рис. 5. Блок-схема MPC5606S

Рис. 6. Встраиваемый процессорный модуль Mini3250 на основе LPC3250 (фирма Embest)

С приобретением у Sharp линейки Blue-Streak модельный ряд NXP пополнили восемь новых ARM-микроконтроллеров:

• С ядром ARM7TDMI-S — LH75400, LH75401, LH75410, LH75411.

• С ядром ARM720T — LH79525, LH79524.

• С ядром ARM922T — LH7A400, LH7A404. Все микроконтроллеры линейки BlueStreak

оснащены контроллером LCD, поддерживающим STN- и различные модификации TFT-дисплеев. Большинство моделей имеют специализированный АЦП, позволяющий работать напрямую с сенсорными панелями (Touch Screen).

плейные панели с разрешением до 1024x768. Встроенный контроллер LCD поддерживает форматы данных Windows CE. Кроме того, LPC2478 характеризуется наличием на кристалле 512 кбайт флэш-памяти программ, 98 кбайт ОЗУ (SRAM), контроллеров 10/100 Ethernet, USB2.0, CAN (2), интерфейса SD. Корпус — LQFP208/TFBGA208.

Для множества высокотехнологичных приложений (мультимедийная аппаратура, контроль периферийных устройств, медицинская и промышленная аппаратура, сетевые приложения и пр.), бурно развивающихся в последнее время, в качестве процессорного ядра как нельзя лучше подойдет ARM9. Ярким примером такого процессора являются высокопроизводительные микроконтроллеры семейства LPC3xxx компании NXP на основе ядра ARM9, выполненные по технологии 90 нм, позволяющей обеспечить низкое энергопотребление в сочетании с высокой производительностью.

Процессорное ядро LPC3180/01-LPC313x-LPC32x0

Характеристики процессорных ядер LPC3180/01-LPC313x-LPC32x0 (рис. 6):

• Высокопроизводительное ядро ARM926EJ-S с частотой тактирования до 208 МГц.

• SRAM емкостью 256 кбайт и кэш команд и данных емкостью по 32 кбайт.

• Векторный сопроцессор вычислений с плавающей точкой, уменьшающий типовое время обработки и энергопотребление (при сложных вычислениях) в 4-5 раз. Встроенная память ROM поддерживает

загрузку из SPI Flash, NAND Flash, карт SDHC/MMC, UART и USB.

• Встроенные USB On-The-Go (OTG), Ethernet и LCD-контроллеры (LPC3180/02 и LPC32x0).

• Новые производные микропроцессоры, оснащенные HS USB 2.0 OTG со встроенным PHY и специализированной схемой PLL (LPC313x).

• 10-разрядный A/D-преобразователь с интерфейсом сенсорного экрана.

• Полный набор последовательных интерфейсов (I2C, I2S, SD/MMC, UART и др.).

• Гибкое управление питанием обеспечивает получение высокой пиковой производительности. Динамическое управление распределением сигналов тактирования и их масштабирование.

• Работа в режиме сверхмалого энергопотребления (снижение напряжения до 0,9 В).

• Блок управления памятью (MMU) поддерживает основные операционные системы, включая Linux — основную операционную систему для встраиваемых применений.

• Встроенный сопроцессор Java байт-кодов поддерживает основные применения обеспечения защиты и идентификации.

• Сходные с NXP ARM7 блоки IP-периферии реализованы в ARM9.

• Минимум времени, необходимого на изучение, сокращает время вывода конечного применения на рынок.

• Возможность многократного использования средств разработки и кодов программ, разработанных для LPC2000.

Процессорное ядро ARM7—LH7xxxx Характеристики процессорного ядра ARM7:

• 32-разрядное ядро ARM7TDMI-S (LH754xx), частота тактирования — 84 МГц.

• 32-разрядное ядро ARM720T (LH7952x), частота тактирования — 77 МГц.

• MMU (блок управления памятью).

• Встроенный контроллер LCD:

- поддержка STN, CSTN, TFT и AD-TFT;

- разрешение до 1024x768;

- 16 уровней серого или до 64 000 цветов.

• Широкий выбор последовательных интерфейсов, включая SSI/SSP, несколько UART, IrDA, шина I2C, I2S, CAN 2.0B, устройство USB 2.0, 10/100 Base-T Ethernet MAC.

• Устойчивые к напряжению 5 В I/O.

• Встроенный контроллер сенсорного экрана.

• 16- или 32-разрядная внешняя шина с дополнительным контроллером SDRAM и возможностью NAND Flash загрузки.

Процессорное ядро ARM9 — LH7A40x Характеристики процессорного ядра ARM9:

• Серия приборов LH7A40x — микроконтроллеры с 266-Гц ядром ARM922-T.

• MMU (блок управления памятью).

• LCD-контроллер:

- поддержка STN, CSTN, TFT и AD-TFT;

- разрешение до 1024x768;

- 16 уровней серого или до 64 000 цветов.

• 32-разрядная внешняя шина с контроллером SDRAM и возможностью загрузки NAND Flash.

• Интерфейсы CompactFlash, SD/MMC/SDIO, ПС/2, аудиокодека (AC97) и PCMCIA.

TST -РСК0-РСК1 < FIQ -IRQ * DRXD -DTXD -

XIN_ XOUT -

XIN32-XOUT32 M-1 SHDN , WKUP-

VDDBU------1

NRST

Системный

контроллер

DBGU

ГрБсі

Г^~І

lose 32K|

I SHDC I

I PIOA I

4

BPBR

:

4s ^ VBG

/ і

і ш і імл îî ж ш mtmt

JTAG/ Boundary Scan

HS П us I Transceiver I [Transceiver!L

In-Circuit Emulator

ARM926EJ-S

ІТСМІРТСМІ Bus Interface I

SRAM

64KB

HS EHCI USB HOST

HS

USB

LCD ISI EMAC

DMA DMA DMA

8-CH

DMA

Многослойная матрица шин обмена данными внутри кристалла

ROM

64КВ

І і

мсю/мси

SD/SDIO СЕ АТА

TWI0

TWI1

PDC

USART0

USART1

USART2

USART3

Wi

Peripheral

Bridge

DDR2

LPDDR

Peripheral

DMA

Controller

4-CH

PWM

TC0 тез

TC1 TC4

TC2 TC5

SPIO

SPI1

SSCO

SSC1

▲A AAAi L TT ▼▼▼▼

T

a-си

10Bit ADC TouchScreen

mí um î

DDR2/

LPDDR/

SDRAM

Controller

NAND

Flash

Controller

ECC

Static

Memory

Controller

-► DDR АО-DDR A13 DDR D0-DDRTD15 _ DDR“VREF

► DDR_DQM[0..1]

► DDR_DQS[0..1]

-► DDR_CS

-L DDR_CLK,#DDR_CLK

->• ddrIcke

-► DDRRAS.DDRCAS -► DDR_WE

DDR_BA0, DDR_BA1

-fc. D0-D15 -► AO/NBSO

A1/NBS2/NWR2 -L A2-A15,A18 ->• A16/BA0 -► A17/BA1 -► NCS1/SDCS -► SDCK, #SDCK, SDCKE RAC, CAS -► SDWE, SDA10 -*• DQM[0..1]

->• DQS[0..1]

-b- NRD -► NWRO/NWE ->• NWR1/NBS1 -► NWR3/NBS3 NCSO

“► NANDOE, NANDWE !-► D16-D31 !-► NWAIT h>- DQM[2..3]

!_► A19-A24

NCS4/CFCS0 NCS5/CFCS1 A25/CFRNW CFCE1XFCE2 NCS2

NCS3/NANDCS

tt

Рис. 7. Блок-схема AT91SAM9G45

Семейство процессоров SAM9 Atmel

В номенклатуру фирмы Atmel [3] входит большое количество разнообразных чипов, построенных на основе ядер ARM920 и ARM926-EJ. Семейство SAM9 разработано с учетом максимально возможного использования периферии и технологий, разработанных для микроконтроллеров на базе ARM7. Кроме того, используется одна и та же инфраструктура поддержки как для серии SAM7, так и для серии SAM9, что обеспечивает беспроблемную миграцию между семействами микроконтроллеров.

AT91SAM9263

Технические характеристики:

• Содержит процессор ARM926EJ-S ARM Thumb расширения инструкций для цифровой обработки сигналов, осуществляется поддержка технологии Jazelle для ускорения Java.

• Кэш-память данных 16 кбайт, кэш-память инструкций 16 кбайт, буфер записи.

• Производительность 220 млн операций

в секунду на частоте 200 МГц.

• Встроенная память:

- Одно встроенное ПЗУ размером 128 кбайт с возможностью однотактного доступа на максимальной скорости шинной матрицы.

- Одно встроенное статическое ОЗУ размером 80 кбайт с возможностью однотактно-го доступа при максимальном быстродействии процессора или шинной матрицы.

- Одно встроенное статическое ОЗУ размером 16 кбайт с возможностью однотактного доступа при максимальном быстродействии шинной матрицы.

- Два интерфейса внешней шины (EBI0 и EBI1). EBI0 поддерживает SDRAM, статическую память, NAND-флэш-память с ECC и CompactFlash. EBI1 поддерживает SDRAM, статическую память и NAND-флэш-память с ECC.

- Контроллер ПДП (DMAC).

• Контроллер ЖК-дисплея:

- Поддерживает пассивные или активные дисплеи.

- До 24 бит/пиксель в режиме TFT, до 16 бит/пиксель в цветном STN-режиме.

- До 16 млн цветов в режиме TFT, разрешающая способность до 2048x2048, поддержка виртуальных экранных буферов.

- Ускоритель двухмерной графики.

- Рисование линий, передача блоков, заполнение полигона, Clipping, Commands Queuing.

• Интерфейс приемника изображения (Image Sensor Interface) — внешний интерфейс ITU-R BT 601/656, программируемая частота захвата кадра, 12-разрядный интерфейс данных, поддерживающий высокочувствительные приемники изображений:

- Два полноскоростных хост-порта USB 2.0 (12 Мбит/с).

- Порт полноскоростного устройства USB 2.0 (12 Мбит/с).

- Встроенный трансивер, 2432-байтное конфигурируемое встроенное двухпортовое ОЗУ.

- Ethernet MAC 10/100 Base-T.

- Контроллер сброса, контроллер отключения.

J?

£/ - X,

TST -PCK0-PCK1 ч HQ-i IRQ* DRXD-î DTXD M

XIN _ XOUT4

XIN32__

XOUT32 <4 SHDN^. WKUP — VDDBU — NRST-< VDDOORE—

Системный

контроллер

DBGU

ГрБсі

Г™~\\

|OSC32K|

4

GPBR

I BTT I

I SHDC I I RTC I

I PIOA I

I PIOB I

I PIOC I

í eme t t

і ш i i tí і tt m m тш

JTAG/ Boundary Scan

HS І I HS I Transceiver I [Transceiver!*

In-Circuit Emulator

ARM926EJ-S

ITCM IdTCMI Bus Interface |

HSEHCI USB HOST

SRAM

64KB

HS

USB

I

I

I

8-CH

DMA

Многослойная матрица шин обмена данными внутри кристалла

ROM

64КВ

Peripheral

Bridge

МСЮ/МСИ SD/SDIO CE ATA

TW 10 TWI1

PDC

USARTO

USART1

USART2

USART3

Li і____і

DDR2

LPDDR

Peripheral

DMA

Controller

Video

Decoder

Post

Processing

4-CH

PWM

тсо тез

ТС1 ТС4

ТС2 ТС5

SPIO

SPI1

О

ssco

SSCI

mi іітетгтшшішшшт

8-CH 10Bit ADC TouchScreen

mi nm і tmmtmmmtmt

DDR2/

LPDDR/

SDRAM

Controller

NAND

Flash

Controller

ECC

Static

Memory

Controller

-► DDR АО-DDR A13 _► DDR D0-DDR_D15 — DDR"VREF ”

► DDR_DQM[0..1]

► DDR_DQS[0..1]

->• DDR_CS

E DDR_CLK,#DDR_CLK

• DDR_CKE

• DDR_RAS,DDR_CAS -► DDR WE

DDR_BA0, DDR_BA1

-►•D0-D15 -► AO/NBSO

A1/NBS2/NWR2 XA2-A15,A18 -► A16/BA0 -► A17/BA1 ->• NCS1/SDCS ->• SDCK, #SDCK, SDCKE RAC, CAS ->• SDWE, SDA10 DQM[0..1]

->• DQS[0..1]

NRD -> NWRO/NWE

► NWR1/NBS1

► NWR3/NBS3

► NCSO

► NANDOE, NANDWE

► D16-D31

► NWAIT

► DQM[2..3]

A19-A24

NCS4/CFCS0

NCS5/CFCS1

A25/CFRNW

CFCE1-CFCE2

NCS2

NCS3/NANDCS

Рис. 8. Блок-схема AT91SAM9I410

• Напряжение питания:

- 1,08-1,32 В для VDDCORE и VDDBU.

- 3-3,6 В для VDDOSC и VDDPLL (ввод/вывод периферийных устройств).

- 2,7-3,6 В для VDDЮP0 (ввод/вывод периферийных устройств).

- 1,65-3,6 В для VDDЮP1 (ввод/вывод периферийных устройств).

- Программируемое напряжение 1,65-1,95 В или 3,0-3,6 В для VDDЮM0/ VDDЮM1 (ввод/вывод памяти).

• Корпус — 324-выводной корпус BGA.

AT91SAM9G45

Микроконтроллер AT91SAM9G45 выполнен на основе ядра ARM926EJ-S и сочетает в себе наиболее востребованный набор модулей для организации пользовательского интерфейса и высокоскоростной передачи данных, в том числе контроллер ЖК-дисплея, контроллер резистивного сенсорного экрана, интерфейс камеры, аудиоинтерфейс, контроллер ЕЛете! 10/100 и высокоскоростные интерфейсы ШВ и SDЮ (рис. 7). Имея в своем арсенале ядро , работающее на частоте 400 МГц, и несколько коммуни-

кационных интерфейсов с быстродействием свыше 100 Мбит/с, AT91SAM9G45 обладает всеми возможностями, которые необходимы для реализации сетевых функций и функций локального хранения данных.

Основные параметры и периферийные блоки и узлы AT91SAM9G45:

• Процессор с ядром ARM926EJ-S ARM Thumb до 400 МГц.

• 32 кбайт кэш-данных, 32 кбайт кэш-инструкций, блок управления памятью.

• Сдвоенный интерфейс внешней шины, поддерживающий DDR2/LPDDR, SDRAM/ LPSDR, SRAM, CompactFlash, NAND Flash.

• 64 кбайт внутренней SRAM, однотактовый доступ на системной частоте или частоте ядра посредством интерфейса TCM.

• 64 кбайт внутренней ROM для программы начальной загрузки.

• Мультимедиа:

- Контроллер графических STN или TFT ЖКИ разрешением до 2048x2048 пикселей.

- Интерфейс датчика изображения ITU-R BT 601/656.

- 324-выводной корпус LFBGA с шагом выводов 0,8 мм.

- Рабочий диапазон температур -40...+85 °С.

AT91SAM9M10

Процессор для мультимедийных приложений с тактовой частотой до 400 МГц с хорошо развитыми средствами обработки видеоинформации: аппаратный мультиформатный видеодекодер, контроллер ЖК-дисплея, контроллер резистивной сенсорной поверхности, интерфейс камеры (рис. 8). Обеспечивается аппаратная поддержка масштабирования, преобразование цветовых пространств и вращение. Видеодекодер поддерживает форматы Н.264, MPEG-4, MPEG-2, ГС-1 и Н.263. Контроллер ЖК-дисплея:

• Поддерживает пассивные или активные дисплеи.

• До 24 бит/пиксель в режиме TFT,

до 16 бит/пиксель в цветном STN-режиме.

• До 16 млн цветов в режиме TFT, разрешающая способность до 2048x2048, поддержка виртуальных экранных буферов.

мшшшшшшипш

mi 1И 111 1Щ; И1 tl 1 i I !_■ IK

üb £f «

s II ■

/7^71,

11‘1Щ1 ‘; 4Jj ' m

Il 09} HB3 К 4 OK 50« EL7 ¿«fi Üi-J DQ1П ”" ' L

¡BC-92é3 uuu.mentorel.com

Рис. 9. SBC-9263v2 — SO-DIMM встраиваемый процессорный модуль на AT91SAM9263 (фирма «Ментор Электроникс»)

Рис. 10. PM9263 — SO-DIMM встраиваемый процессорный модуль на AT91SAM9263 (фирма Ronetix)

• Аппаратное декодирование видео с разрешением до D1 (720x576) либо WVGA (800x480) с частотой 30 кадров/с форматов H264, H263, MPEG4, MPEG2, VC1 и JPEG.

• Аппаратный 2D-ускоритель обеспечивает масштабирование, преобразование схем цветоделения, вращения изображения и реализации функции «картинка в картинке».

• Контроллер резистивной сенсорной панели (touchscreen).

• Корпус — 324-выводной корпус TFBGA (шаг выводов 0,8 мм).

• Рабочий диапазон температур -40.. .+85 °C.

• Энергопотребление AT91SAM9M10 на максимальной частоте (400 МГц) не превышает 300 мкВт/МГц, а в режиме “backup” потребляемый ток не превышает 8 мкА. Корпуса микроконтроллеров данного семейства требуют от разработчика использования многослойной платы (6 слоев) и корректной разводки скоростной внешней шины. Если не планируется производство серийной продукции, то вполне можно обойтись и готовыми модулями (рис. 9, 10).

Мультимедийные процессоры семейства OMAP35x от Texas Instrument

Процессоры OMAP35x стали первыми процессорами, представленными на рынке, построенными на основе высокопроизводительного ядра ARM Cortex-A8, работающего с частотой тактирования 600 МГц, что в четыре раза выше, чем у других приборов с ядром ARM9.

Фирма Texas Instruments [4] представляет четыре новых процессора применений OMAP35x, ориентированных на использование в широком диапазоне всевозможных применений, включая портативную информационно-развлекательную аппаратуру и устройства промышленного назначения, торговое оборудование, средства цифрового указания, интерфейсы «человек - машина»,

энергетически экономичную медицинскую аппаратуру, средства автоматизации производственных процессов и др.

Возможности процессоров OMAP35x расширены использованием технологии SmartReflex, динамически управляющей напряжением, частотой и энергопотреблением на основе анализа активности прибора, режимов его работы, используемых технологий и изменения температуры. Технология SmartReflex снижает общее энергопотребление, способствует расширению срока службы батареи и, обеспечивая более легкое встраивание процессоров в схемы применений, позволяет реализовать более тонкие и более легкие применения с меньшим энергопотреблением.

Процессоры OMAP35x масштабируемы, обеспечивают высококачественную графику, мультимедиа и высокопроизводительную обработку для использования в любом сочетании автомобильных, информационноразвлекательных, потребительских, промышленных и медицинских применений. Все процессоры OMAP35x совместимы по выводам.

Технические характеристики:

• В основу процессоров применений OMAP35x положено суперскалярное ядро ARM Cortex-A8, обеспечивающее в четыре раза большую производительность, чем другие ARM9-приборы.

• Масштабируемая платформа процессоров, оснащенных богатым набором мультимедиапериферии, совместимым с OpenGLES 2.0 графическим механизмом и технологией DaVinci, которая обеспечивает возможность цифрового видео.

• Оптимизированная производительность однокристального прибора, сходная с производительностью лэп-топ компьютера, при энергопотреблении карманного устройства.

• Разработанная фирмой Texas Instruments технология SmartReflex обеспечивает еще большее снижение энергопотребления.

Оценочный модуль, Linux и Windows CE пакеты поддержки и OMAP Developer Network позволяют быстро и эффективно провести разработку применения от концепции до выхода готового продукта. Мультимедиа:

- Обработка мультиформатного видео до HD-качества 720p MPEG4, декодируемого с частотой 30 кадров в секунду.

- Первый процессор применений, интегрирующий openGL ES 2.0 графический ускоритель, обрабатывающий свыше 10 млн полигонов в секунду.

- Встроенная система отображения с LCD и телевизионным интерфейсом и разрешением вплоть до высокой четкости (HD).

- Подсистема интерфейса камеры поддерживает CCD- и CMOS-интерфейсы и располагает специальными аппаратными средствами для предварительной обработки захваченного видео.

Состав семейства:

0MAP3503. Процессор располагает 600-Гц ядром Cortex-A8 и богатым набором периферии и памяти. Отличаясь исключительно высокими рабочими характеристиками при самом низком энергопотреблении, процессор позволяет разрабатывать высоко интегрированные с широкими возможностями и малым энергопотреблением применения. OMAP3515. Располагает тем же самым Cortex-A8 ядром и набором периферии, что и OMAP3503, и, кроме того, OpenGL ES графическим механизмом с графическим ускорителем Imagination Technologies PowerVR SGX, позволяющим получить графику с качеством игрового персонального компьютера.

OMAP3525. Располагает теми же самыми функциями, что и OMAP3503, но интегрирует еще модуль C64x + DSP и ускоритель видео, наряду с технологией DaVinci, что обеспечивает возможность ускорения мультимедиа, формирования изображений и воспроизведение видео и аудио.

Рис. 11. EBVBeagle — одноплатный компьютер

• OMAP3530. Прибор с максимальным для семейства набором возможностей. Однокристальный процессор интегрирует ядро Cortex-A8, ядро DSP, графический механизм, технологию DaVinci и набор периферии, позволяющие реализовать высокопроизводительные, энергетически экономичные мультимедиаприменения.

Для исключения ненужных потерь времени разработчики электронного оборудования находят поддержку своих проектов в средствах разработки и отладочных платах, разработанных производителями чипов или третьими фирмами.

Для семейства OMAP35x [5] на сегодня имеется достаточное количество инструментария, дающего возможность быстро ознакомиться с возможностями процессоров.

Приступить к разработке программных средств и оценке можно с помощью оценочного модуля OMAP35x Evaluation Module (EVM), внешний вид которого представлен на рис. 11. Оснащенный открытой средой разработки OMAP35x EVM позволяет ис-

пользовать такие ведущие операционные системы, как Linux, Windows CE и т. д. В оценочный модуль входит пакет поддержки Linux Board Support Package (BSP).

Плата оценочного модуля построена с использованием процессора OMAP3530 и включает VGA LCD сенсорный экран и 128 Мбайт LPDDR-памяти и 128 Мбайт памяти OneNAND. Модуль оснащен некоммерческой OS Linux и драйверами с исходными кодами, а также схемотехникой и Gerber-файлами. Данный оценочный модуль может быть использован для оценки процессоров OMAP3503, OMAP3515, OMAP3525 и OMAP3530.

Базовые операционные системы и драйверы для Windows и Linux предоставляются в исходных кодах на безлицензионной и безгонорарной основе (для использования Windows необходима лицензия Microsoft).

Обширная поддержка через OMAP Developer Network позволяет быстро выполнить проект, снижая стоимость разработки, и ускорить вывод конечного устройства на рынок.

При модульной конструкции прибора в качестве вычислителя можно использовать готовые процессорные модули, например производства фирмы Embest (рис. 12).

Заключение

Как правило, в основу собственных изделий разработчики закладывают схемные решения, позаимствованные из тех же отладочных плат. В этом нет ничего зазорного, поскольку, как правило, производитель чипа дает наиболее оптимальный вариант схемотехники. Особенно это актуально в случаях, когда планируется создание электронного прибора с установкой какой-либо операционной системы.

Обычно одноплатные процессорные модули или отладочные платы производитель укомплектовывает необходимым для начальной работы пакетом поддержки платформы (BSP).

Рис. 12. Mini8100 — встраиваемые процессорные модули на OMAP35030

Board Support Package позволяет собирать образ времени исполнения операционной системы для конкретной аппаратной платформы. Каждая аппаратная платформа, для которой необходимо собирать образ операционной системы, должна иметь соответствующий BSP.

Разработка BSP — самая трудоемкая часть процесса разработки устройства. Она требует от разработчика знания архитектуры аппаратной части, так же как и архитектуры операционной системы. Все взаимодействие операционной системы с устройством реализовано в BSP, поэтому качество BSP определяет результирующее качество устройства. Пакет BSP содержит весь аппаратно-зависимый исходный код, необходимый для абстракции операционной системы от конкретной аппаратной реализации платформы. ■

Литература

1. www.freescale.com

2. www.nxp.com

3. www.atmel.com

4. www.ti.com

5. www.ti.com/omap35x

6. www.mentorel.ru

7. www.armkits.com