匯聚式處理器工業(yè)應用指南

對于工業(yè)應用系統產品設計來說，所有這些都幾乎與核心處理器分不開：核心處理器的低功耗特性決定了系統的運行功耗水平；高精度要求處理器具有高處理能力；智能化和網絡化對處理器的處理能力及資源配置提出了新的要求；核心處理器更決定了系統方案的集成度、成本……選擇恰當的核心處理器是工業(yè)應用系統設計工程師完成設計目標的關鍵首要步驟。

多種選擇各具優(yōu)勢，匯聚式處理器受青睞

當前嵌入式系統設計中，基于MCU、DSP、FPGA及ASIC的解決方案占據了超過90%的市場份額，這些方案各自在成本、功耗、集成度以及開發(fā)環(huán)境支持上分別具有不同的特點。毋庸置疑，在嵌入系統應用中，微控制器占據大部分的市場份額。MCU憑借其強大的控制功能、通用性、豐富的外設集成、成本優(yōu)勢和應用便利性，廣泛地用于消費類電子、通信、汽車、工業(yè)等領域；FPGA以其設計靈活性著稱，利用FPGA可以實現任何數字器件的功能；DSP則以其卓越的數據處理能力以及優(yōu)秀的算法，成為數字信號處理應用的首先核心引擎。

然而，MCU在系統需要進行多功能擴展時通常面臨處理能力不足的尷尬，特別是在當前工業(yè)系統中越來越多的需要強大的數據處理能力、通信能力的條件下尤其如此。FPGA始終在功耗和芯片成本上難以實現更大的突破，即便是該陣營的廠商也不得不承認難以在規(guī)模應用中推廣的現實。DSP的卓越數據處理能力同時意味著在系統控制功能上的短板，與MCU在工業(yè)應用中的尷尬類似，MCU+DSP通常成為滿足系統控制功能與數據處理能力需求的不得已的選擇?，F實的需求促進了DSP和MCU融合產品的出現——兼具DSP和MCU在數據處理及系統控制中各自優(yōu)點，其中由ADI推出的Blackfin處理器是目前市場唯一的匯聚式架構DSP產品。

Blackfin處理器基于ADI和Intel聯合開發(fā)的微信號架構，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。Blackfin處理器包含一個10級RISC MCU/DSP流水線和一個專為實現最佳代碼密度而設計的混合16/32位指令集架構。這種處理特征的組合使Blackfin處理器能在工業(yè)應用中的信號處理和控制處理應用中均能發(fā)揮出色作用。Blackfin處理器提供單內核高達750MHz/1,512MMACS的性能(在雙內核BF561中更高達3,000MMACS)，在許多任務業(yè)應用中無需增設單獨的MCU，從而簡化了硬件和軟件設計和實現難度。具有豐富特性的Blackfin處理器非常適合各種工業(yè)應用，包括從低端電力計量、馬達控制到高端聯網的電力控制系統等應用，各種型號涵蓋了低成本以及高性能，設計工程師可以針對其特定的工業(yè)應用選擇更具優(yōu)化特性的Blackfin處理器。

選擇符合您目標設計的處理器

處理器作為系統的核心器件，其自身的功能特性將對系統的軟硬件設計產生重要影響：越豐富的片上資源將給系統設計帶來更大的便利性，縮短開發(fā)時間并降低開發(fā)成本；在相近的成本條件下，更高的處理能力將給系統帶來更強的擴展性，方便產品的升級；包括開發(fā)平臺、第三方設計資源在內的開發(fā)環(huán)境將能有效降低技術門檻……沒有最好，只有最適宜，任何一款微處理器都不可能盡善盡美，仔細評估您的產品特性需求、目標處理器的功能特性，選擇一款最適合的處理器。

對于工業(yè)應用而言，環(huán)境條件是首要的考慮因素，包括環(huán)境溫度、電磁干擾、可靠性，等等。選擇具有擴展的工業(yè)溫度范圍的處理器是基本要求，Blackfin處理器各個系列均提供了從-40℃到80℃的擴展工業(yè)溫度范圍以及0℃到70℃的兩種選擇。更高的集成度通常是提高抗電磁干擾特性、可靠性的有效手段，近年來ADI針對各種主要的工業(yè)應用推出了多個系列優(yōu)化的Blackfin處理器，有效地集成了目標應用的主要外設特性，例如針對電機控制應用集成了PWM單元、ADC的BF50x，集成PWM單元、內置116kB RAM、4Mb可選擇串行閃存的BF51x等。

近年來，對于幾乎所有的行業(yè)來說，所用的產品技術、功能及行業(yè)標準的更新換代都在不斷加快，工業(yè)應用也不例外。在進行方案選擇時，考慮產品可能的升級換代及功能擴展需求有助于保護企業(yè)的研發(fā)投入和提升競爭力。ADI公司已經形成了完善的Blackfin產品系列以及清晰的產品發(fā)展路線圖，企業(yè)完全可以在將來的新產品及換代產品中繼續(xù)選擇更加符合目標開發(fā)需求的其它Blackfin處理器，不同Blackfin處理器之間代碼的兼容特性能保證研發(fā)成果的持續(xù)可用性。此外，基于Blackfin處理器的產品設計通過軟件升級非常方便產品的更新換代，甚至在線產品升級。更重要的是，Blackfin處理器強大的處理能力通常能滿足未來產品功能擴展之需，或者針對不同的功能需求、標準定義擴展出多個產品系列。

在對多個可用方案進行選擇時，可用的片上資源通常是評估的關鍵因素。通常我們會涉及主頻、有無內置的以太網MAC、I/O端口數量、支持哪些OS等……以上都涉及芯片資源的問題，微處理器自帶什么樣的資源是選型的一個重要考慮因素。在相近的成本和功耗約束條件下，通常處理器自帶資源越接近產品的需求，產品開發(fā)相對就越簡單，整體系統成本也越低，資源越豐富的處理器其可擴展性及設計靈活性越高。Blackfin處理器支持包括VisualDSP自帶的操作系統內核(VDK)、ThreadX、uCLinux和Nucleas等獲得業(yè)界廣泛應用的操作系統，避免了工程師在從其它處理器平臺移植到Blackfin平臺時因更改操作系統而延長終端產品開發(fā)周期。Blackfin處理器架構具備功能強大且靈活的分層存儲器架構、良好的代碼密度以及各種的微控制器型外設(包括10/100以太網MAC、UARTS、SPI、CAN控制器、支持PWM的定時器、看門狗定時器、實時時鐘和一個無縫同步和異步存儲器控制器)。這些特性為設計人員提供了設計靈活性，并最大限度地降低了系統成本。特別是近年來ADI公司針對電力線監(jiān)測以及馬達控制等工業(yè)應用，在新推出的Blackfin處理器系列中集成了更多獨特的外設，進一步提高了工業(yè)應用方案的集成度，降低設計難度。

今天，提高能效已成為一項全球化運動，工業(yè)系統作為傳統的能源大戶也面臨越來越嚴格的低功耗設計要求，選擇具有更低能耗的核心處理器也成為考慮的主要因素之一。Blackfin處理器采用了各種高級設計技術，包括：可編程電壓與頻率調節(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、可實現總線激活能量最小化的高代碼密度、用于實現最佳性能與電源效率的混合閾值電壓晶體管、實現最大電源效率的完全定制的處理器內核、使用靈活的硬件加速器，以及支持mSDRAM以實現最小板級功耗……以BF51x為例，其待機模式功耗低于1mW，可提供8.5MMACs/mW(100 MHz)的單位功耗性能。

低成本是幾乎所有產品開發(fā)不可回避的問題。近年來，ADI在提供低成本Blackfin處理器及配套產品上不遺余力，最新的BF50x和BF51x系列處理器均提供了多款低于5美元的產品。ADI還針對BF50x系列新推出了低成本的(199美元)EZ-KIT Lite評估套件，為處理器評估提供了最經濟實惠的選擇。同期在中國全面上市最新款超低價、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE-100B首次將價格降到150美元的新低，為設計師提供了低成本、高性能的設計工具。如圖1所示，獨立評估機構BDTI對定點處理器的每美元速度比評估中，Blackfin處理器具有優(yōu)異的表現。

圖1：獨立評估機構BDTI對定點處理器的每美元速度比評估。

Blackfin處理器工業(yè)應用指南

具有豐富特性的Blackfin處理器非常適合各種工業(yè)應用，而且可選擇的產品系列眾多，多種功耗特性、處理能力和集成不同外設特性的處理器可以更具針對性地滿足您的工業(yè)應用目標，而ADI清晰的產品發(fā)展路線圖確保了持續(xù)滿足發(fā)展的應用需求，以保證用戶的設計資源的持續(xù)有效利用。本文將介紹幾款適合工業(yè)應用的典型Blackfin處理器的主要特性供您參考。

圖2：Blackfin系列處理器主要特性對比。

1. 針對工業(yè)應用優(yōu)化的BF50x

BF50x秉承了Blackfin處理器獨有的先進信號處理功能與通用微控制器的易用性，以業(yè)界時鐘為150-200MHz的處理器價格提供了400MHz的處理性能，實現了突破性的性能和功效。利用BF50x處理器的高處理能力，工程師可以開發(fā)出更精確、更高能效的工業(yè)控制和自動化應用系統，包括逆變器控制、不間斷電源(UPS)和馬達控制，以及計量和高級感應應用(電能計量、流量計量等)。BF50x的性能裕量使得工程師可以在先進的系統建模中實現先進的理論和算法，從而實現任何實時系統的最優(yōu)化的功效和控制效率。

Blackfin BF50x內置的可選雙SAR ADI ADC利用了ADI公司全球領先的ADC技術，提供了真正12位精度，是集成ADC的DSP中性能最高的處理器，可以實現更高精度的數據轉換，使其成為包括電源逆變器、UPS、伺服控制和電機控制等應用的理想之選。BF50x內置兩個真正16位分辨率的三相PWM單元，每個PWM模塊都集成了一個靈活可編程的三相PWM波形發(fā)生器，通過編程設置以產生針對感應馬達(ACIM)或者永磁同步馬達(PMSM)控制所需要的開關模式來驅動三相電壓源逆變器。4MB片上可執(zhí)行閃存存儲器、針對CAN的外設支持以及脈沖波形調制和移動存儲選項等特性使片外的器件最少，從而降低整體系統成本。

2. 數字信號處理器性價比新標桿——BF51x

BF51x系列為匯聚式處理器家族帶來四個具有顯著特色的成員，最低不足5美元/片的價格為更多任務業(yè)系統設備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，增加了諸多特性為工業(yè)與儀表應用、便攜式產品帶來更大設計便利性。

BF51x的低價格并沒有以犧牲性能為代價，相反增加了很多在其它Blackfin處理器中沒有的新特性，包括：在高達400MHz的Blackfin內核中集成116KB存儲器、512KB閃存，以太網MAC(IEEE-1588)，帶3相PWM輸出的PWM單元，x1 SDIO / CE-ATA，LockBox/OTP 8kB。其中，BF518是首款支持IEEE-1588-2008標準的低成本處理器(IEEE-1588-2008是IEEE-1588的最新標準，提供網絡測量與控制系統用精密時鐘同步的協議)，這為包括繼電保護產品在內的電力線監(jiān)測系統提供了滿足未來通信標準的硬件支持。

BF51x集成特性還包括：支持16個立體聲I2S數字音頻通道、12個外設DMA通道，還提供了內置的高級存儲控制器，用于實現與多組外部SDRAM、SRAM、閃存或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兼容的串行外設接口端口。廣泛的接口支持使系統具有更大的擴展靈活性。ADI聯合第三方方案提供商已經向中國企業(yè)提供了基于BF518處理器的電力線監(jiān)測參考設計，并已經獲得多家中國企業(yè)的批量應用。

3. 高性能Blackfin處理器——BF540x系列

ADSP-BF54x系列Blackfin處理器的工作頻率高達600MHz，其內部總線帶寬倍增到532每秒兆字節(jié)以滿足工業(yè)系統集成的外設要求。內部帶寬用高達260KB的內置存儲器匹配。ADSP-BF54x系列Blackfin處理器的特點是在增加的I/O端口和存儲器帶寬、內置存儲器以及控制器局域網(CAN)和面向媒體系統傳輸(MOST)系統的外圍設備集成度之間進行了權衡，以便為工業(yè)應用提供高性能和低成本優(yōu)勢。

BF54X系列還內置Lockbox安全技術，允許工業(yè)系統開發(fā)商通過驗證確保代碼和數據的完整性，并且通過對系統部分或全部加密保證其機密性。BF54x處理器系列產品適合那些要求現場可升級、本地存儲和顯示能力至關重要的多種工業(yè)應用，包括工業(yè)自動化、無線基礎設施、無線電信設備和交換機，以及能使BF54x系列的處理性能和高級外設區(qū)分終端應用的安全系統。

豐富的工業(yè)應用第三方設計資源

為加強對客戶基于Blackfin系列處理器的應用開發(fā)支持，縮短產品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本和應用門檻，ADI不僅在全球營造了由近百家具有各種領先技術能力的第三方機構組成具有強大技術支持能力的生態(tài)系統外，還在中國努力組建一個優(yōu)良的本地化“生態(tài)系統”，即由ADI及其合作伙伴構成網絡，為客戶提供相關的軟件、工具、參考設計、教育培訓等支持。

對于工業(yè)應用，ADI第三方合作伙伴團隊包括很多本地優(yōu)秀技術提供商，如北京億旗創(chuàng)新、東方迪碼、深圳市英蓓特、華恒科技、長沙新竹等，他們不斷推出低價位、更方便使用、支持更便利的本地開發(fā)工具和系統方案。

供稿：ADI公司