Blackfin匯聚式處理器(ADI)

傳統(tǒng)基于微控制器的嵌入式應(yīng)用常常面臨新的挑戰(zhàn)，一方面控制器的信息處理能力有限，難以滿足大量數(shù)據(jù)運(yùn)算任務(wù)的需求，增加DSP協(xié)處理器成為很多方案的不得已選擇。而另一方面，盡管當(dāng)前DSP處理器通常都具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，然而系統(tǒng)必要的控制功能是DSP所不擅長的。越來越多的系統(tǒng)面臨需要應(yīng)對多媒體數(shù)據(jù)處理、大量數(shù)據(jù)運(yùn)算、通信協(xié)議處理以及系統(tǒng)控制任務(wù)，正是這樣的現(xiàn)實(shí)促進(jìn)了融合DSP和微控制器特性于一身的匯聚式處理器的應(yīng)用持續(xù)走俏。

ADI公司推出的Blackfin匯聚式處理器是一類新型16～32位嵌入式處理器，專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和功耗約束條件而設(shè)計(jì)。Blackfin處理器基于由 ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)，它將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種處理特征的組合使得Blackfin處理器能夠在信號處理和控制處理應(yīng)用中均發(fā)揮優(yōu)勢――在許多場合中免除了增設(shè)單獨(dú)的異類處理器的必要，極大地簡化了硬件和軟件設(shè)計(jì)任務(wù)。目前，Blackfin處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達(dá)756MHz的性能，還提供了低至0.8V的業(yè)界領(lǐng)先功耗性能。對于滿足當(dāng)今及未來的信號處理應(yīng)用而言，這種高性能與低功耗的組合是必不可少的。此外，就像傳統(tǒng)的MCU一樣，這些匯聚處理器都采用界面友好的操作系統(tǒng)和編譯器。
最新推出的BF51x系列為匯聚式處理器家族帶來四個具有顯著特色的新成員，其更低的價格為更多終端產(chǎn)品利用到匯聚式處理器的優(yōu)越性大大降低了成本門檻，在繼承匯聚式處理器的高性能、低功耗的優(yōu)秀“基因”的同時，新增加的諸多特性為VoIP、工業(yè)與儀表應(yīng)用、便攜式產(chǎn)品帶來更大設(shè)計(jì)便利性。

更低的價格+融合多項(xiàng)新特性
盡管高性價比一直是匯聚式處理器的賣點(diǎn)之一，但在一些成本敏感的產(chǎn)品應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師在選擇匯聚式處理器時仍不可避免有成本的壓力，而BF51x的推出大大降低了匯聚式處理器的應(yīng)用入門門檻，與之前的最低價格的Blackfin處理器相比價格下降近30%，最低為4.95美元（2萬5千片訂量報價），作為一款高性能匯聚式處理器，這個價格對于很多終端產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)來說已經(jīng)具有極大的吸引力。

*具體的價格取決于處理器速度、可選堆疊閃存以及封裝，所有價格均是25000訂量的報價。
表一：BF51x系列處理器的價格及主要的外設(shè)。

Blackfin處理器一直堅(jiān)持產(chǎn)品的高性價比，而BF51x再一次建立了新的高性價比標(biāo)桿。BF51x的低價格并沒有以犧牲性能為代價，相反增加了很多的新特性，包括：在400MHz Blackfin內(nèi)核集成116KB的SRAM存儲器、512KB的SPI FLASH存儲器，以太網(wǎng)MAC（IEEE-1588），帶3相PWM輸出的PWM單元，SDIO / CE-ATA和8KB的OTP存儲器。其中，BF518是首款支持IEEE-1588-2008標(biāo)準(zhǔn)的低成本處理器（IEEE-1588-2008是IEEE-1588的最新標(biāo)準(zhǔn)，提供網(wǎng)絡(luò)測量與控制系統(tǒng)用精密時鐘同步的協(xié)議）。

除了上面的新增特性外，BF51x集成特性還包括：支持16個立體聲I2S數(shù)字音頻通道、12個外設(shè)DMA通道，還提供了內(nèi)置的高級存儲控制器，用于實(shí)現(xiàn)與多組外部SDRAM、SRAM、FLASH或ROM的無縫連接，每個處理器包括兩個雙通道同步串行通信端口（SPORT）、一個高速并行外設(shè)接口（PPI）、 一個I2C兼容雙線接口（TWI）、兩個PC兼容的UART，以及兩個SPI兼容的串行外設(shè)接口端口。

圖1：BF51x應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動的原理框圖。

BF51x同樣集成了在Blackfin家族中廣泛采用的Lockbox安全技術(shù)?；贠TP存儲器的Lockbox技術(shù)能幫助解決方案提供商和制造商保護(hù)他們自己的知識產(chǎn)權(quán)，如驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)和用戶接口等，并為個人數(shù)據(jù)保護(hù)和設(shè)備認(rèn)證提供了支持。通過在開始時就進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)，可以得到更強(qiáng)大的保護(hù)，同時使用硬件和軟件來保證包括密鑰、代碼和數(shù)據(jù)等安全資源的保密性和完整性。通過Blackfin的Lockbox安全技術(shù)，解決方案開發(fā)商可選擇采用標(biāo)準(zhǔn)算法來認(rèn)證數(shù)字簽名和使用一個安全的運(yùn)行代碼和保護(hù)資源的處理環(huán)境，對安全區(qū)域的進(jìn)入由硬件監(jiān)控。而且，借助Lockbox安全技術(shù)，開發(fā)商可以在每個Blackfin處理器上使用獨(dú)有的芯片ID來獨(dú)一無二地鑒別每一個設(shè)備。

樹立新的低功耗標(biāo)桿
匯聚式架構(gòu)是Blackfin處理器的低功耗“基因”，與分立處理器與器件的組合方案相比，集成適當(dāng)外設(shè)的單一匯聚處理器能夠?qū)崿F(xiàn)更低的功耗。此外，ADI公司在八年前發(fā)布首款Blackfin處理器時就實(shí)現(xiàn)了動態(tài)電源管理（DPM）應(yīng)用，自問世以來，Blackfin器件始終具備最大的電源效率。BF51x待機(jī)模式功耗低于1mW，這四款全新的Blackfin處理器可提供8.5MMACs/mW（100 MHz）的單位功耗性能，器件具有動態(tài)電源管理功能，使開發(fā)人員能實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行期間處理器功耗與處理需求的匹配。而更具優(yōu)化特性的外設(shè)集成為特定應(yīng)用選用匯聚式處理器提供了更具針對性的選擇，而不用為非必要功能特性而增加系統(tǒng)功耗。

Blackfin處理器的強(qiáng)大處理能力是低功耗的重要保障。對于很多應(yīng)用來說，BF51x處理器400MHz的性能完全能滿足基本功能的開發(fā)，并有足夠的裕量進(jìn)行功能擴(kuò)展，而無需采用額外的協(xié)處理器或增加其它硬件，從而確保實(shí)現(xiàn)整體方案的更低功耗。以VoIP為例，在實(shí)現(xiàn)基本的VoIP電話功能之外，開發(fā)商可以增加更多的通道、實(shí)現(xiàn)IP傳真功能，等等。

為了達(dá)到最大的電源效率，同時以低功耗實(shí)現(xiàn)最高性能，Blackfin處理器采用了各種高級設(shè)計(jì)技術(shù)，包括：可編程電壓與頻率調(diào)節(jié)、時鐘周期分辨率動態(tài)時鐘門控、支持深度睡眠與休眠模式的多電源域、可實(shí)現(xiàn)總線激活能量最小化的高代碼密度、用于實(shí)現(xiàn)最佳性能與電源效率的混合閾值電壓晶體管、實(shí)現(xiàn)最大電源效率的完全定制的處理器內(nèi)核，以及支持mSDRAM以實(shí)現(xiàn)最小板級功耗。這些高級設(shè)計(jì)技術(shù)為BF51x處理器提供了低功耗技術(shù)基礎(chǔ)。

圖2：兩種內(nèi)核的工作電壓、工作頻率及功耗比較。

多種應(yīng)用的理想之選
BF51x是Blackfin處理器系列產(chǎn)品中新的低成本切入點(diǎn)。該系列的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了性能、外設(shè)集成度與價格的均衡，非常適合對成本敏感的應(yīng)用，包括便攜式測試設(shè)備、VoIP、工業(yè)及儀表設(shè)備。

功能豐富的BF51x為VoIP提供了優(yōu)化的低成本產(chǎn)品平臺，加快客戶開發(fā)VoIP產(chǎn)品，并能滿足不同的市場需求：10/100 eMAC特性有助于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)低的BOM成本；高達(dá)400MHz的強(qiáng)大處理器性能可以滿足產(chǎn)品功能擴(kuò)展需求，在不改變硬件條件增加多個通道和擴(kuò)展特性（如IP傳真）；可以直接利用Global IP Solutions公司面向Blackfin處理器提供的VoIP軟件包VoiceEngine來加速產(chǎn)品設(shè)計(jì), GIPS VoiceEngine媒體處理功能可滿足VoIP設(shè)備制造商最嚴(yán)格的需求；單一架構(gòu)的BF51x處理器能夠在統(tǒng)一的軟件開發(fā)環(huán)境中更快速的進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與部屬，節(jié)省系統(tǒng)整體成本；可提供在uClinux操作系統(tǒng)上運(yùn)行的VoIP參考平臺。

BF514、BF516與 BF518均內(nèi)置片上可移動存儲接口，將匯聚處理器系列產(chǎn)品進(jìn)一步擴(kuò)展至便攜式應(yīng)用領(lǐng)域。這三款器件都具有：安全數(shù)字輸入輸出（SDIO）接口，用于與標(biāo)準(zhǔn)閃存以及Wi-Fi卡進(jìn)行連接；功率優(yōu)化的CE-ATA存儲接口，用于小型手持式與消費(fèi)類電子應(yīng)用；嵌入式多媒體卡（eMMC）接口，用于在各種消費(fèi)類電子、無線、導(dǎo)航設(shè)備集成大容量閃存。

對于工業(yè)控制和測試測量應(yīng)用來說，以太網(wǎng) (IEEE1588和802.3) /無線連接實(shí)現(xiàn)易用性、針對高品質(zhì)測量的簡單連接、系統(tǒng)的可編程靈活性、從8/16向32位解決方案轉(zhuǎn)移已經(jīng)成為一種必然的趨勢。BF51x集成的多種特性正是響應(yīng)這種發(fā)展趨勢，為工程師的設(shè)計(jì)帶來更多便利性和可用資源：BF516 中增加的具有媒體獨(dú)立接口（MII）與簡化媒體獨(dú)立接口（RMII）的以太網(wǎng)10/100 MAC；IEEE1588 eMAC用于以太網(wǎng)精密時鐘同步和網(wǎng)絡(luò)連接；用于交流感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電動機(jī)控制的三相PWM波形發(fā)生器，以及用于旋轉(zhuǎn)編碼器的正交接口。

此外，在電力設(shè)備、嵌入式調(diào)制解調(diào)器、生物測量和電機(jī)控制等應(yīng)用中，BF51x同樣具有優(yōu)勢。以電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)為例，尤其是中低壓設(shè)備中，由于BF51x有著豐富的接口和優(yōu)秀的處理控制能力，可以實(shí)現(xiàn)單片解決方案，從而節(jié)省設(shè)備成本，縮短開發(fā)周期。

在選擇核心硬件平臺的處理器時，可用的設(shè)計(jì)資源(包括開發(fā)工具和軟件庫資源)同樣是重要考慮因素，因?yàn)檫@將決定產(chǎn)品的開發(fā)難度和上市速度。BF51x可以使用Blackfin處理器系列產(chǎn)品提供的業(yè)界領(lǐng)先的工具、入門套件的支持，包括ADI CROSSCORE®軟件與硬件工具與VisualDSP++®集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境（IDDE）、仿真器，以及EZ-KIT Lite®評估硬件。此外，大量像VoiceEngine這樣的由ADI公司第三方合作伙伴提供的軟件模塊，以及ADI公司自身開發(fā)的軟件庫資源，都可以有效地幫助客戶利用BF51x處理器低成本、高效率地推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)。