如今的智能產(chǎn)品越來越多地需要將傳統(tǒng)的實時嵌入式設(shè)計需求與要求更高的應(yīng)用級軟件結(jié)合在一起。除了更大的計算負載外，這些產(chǎn)品還需要支持通過先進的媒體服務(wù)（如觸摸屏、高分辨率 3D 圖形和圖像傳感器）與用戶交互。

隨著需求的擴大，開發(fā)人員在減小功耗、成本和系統(tǒng)尺寸方面所面臨的壓力也更大，因此不得不尋找更有效的方法來替代傳統(tǒng)的多子系統(tǒng)設(shè)計。

本文將討論這些設(shè)計需求的演變，以及到目前為止，處理器是如何滿足這些需求的。然后將介紹并展示如何使用 NXP Semiconductors 的新型處理器。這些處理器為開發(fā)人員提供了一種更簡單的滿足這一不斷增長的需求的解決方案，讓設(shè)計能夠同時處理實時計算和應(yīng)用計算要求。

升級處理器并保持代碼投資

開發(fā)人員通常使用與特定應(yīng)用處理要求匹配的多核微處理器來升級其設(shè)計的計算能力。使用這種方法，開發(fā)人員既可實現(xiàn)性能提升，又可保持與現(xiàn)有代碼庫的兼容性，以及相應(yīng)器件系列的使用體驗。

例如，使用 NXP i.MX 6 應(yīng)用處理器系列，設(shè)計人員不僅可以保持代碼兼容性，而且能夠使用配備單個 Arm? Cortex?-A9 應(yīng)用處理器內(nèi)核的 i.MX 6Solo、配備兩個內(nèi)核的 i.MX 6Dual 或集成四個內(nèi)核的 i.MX 6Quad，來提升性能。

這種升級應(yīng)用處理能力的需求，也在曾被視為傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中快速發(fā)展。對于這些設(shè)計，產(chǎn)品制造商希望為家用電器、工業(yè)控制器、醫(yī)療儀器等設(shè)備增加智能性。為此，半導(dǎo)體供應(yīng)商提供了異構(gòu)多核處理 (HMP) 器件，這些器件可同時集成應(yīng)用處理器內(nèi)核和嵌入式處理器內(nèi)核。例如，NXP i.MX 8M 系列結(jié)合了多至四個 Arm Cortex-A53 應(yīng)用處理器內(nèi)核，以及一個 Arm Cortex-M4 嵌入式處理器內(nèi)核。

只需使用這一單個器件，開發(fā)人員就可以打造出智能音頻產(chǎn)品。這些產(chǎn)品可充分利用應(yīng)用處理器來增強、過濾或以其他方式處理音頻數(shù)據(jù)。然后，音頻系統(tǒng)依靠嵌入式處理器內(nèi)核來執(zhí)行播放所需的實時功能（圖 1）。在嵌入式處理器執(zhí)行實時操作期間，應(yīng)用處理器可以置于低功耗模式，從而降低整體功耗。當實時操作完成時，嵌入式處理器只需向應(yīng)用處理器發(fā)送喚醒信號。

圖 1：異構(gòu)多核處理器尤其適用于智能產(chǎn)品設(shè)計，既可提供高性能計算與實時功能，同時又不影響緊張的功率預(yù)算。（圖片來源：NXP Semiconductors）

除了異構(gòu)內(nèi)核外，NXP i.MX 8M 系列還集成了各種多媒體資源，包括 4K 視頻處理單元 (VPU) 和高性能 3D 圖形處理單元 (GPU)。因此，該系列可以為越來越多的視頻及 3D 圖形智能產(chǎn)品提供有效解決方案。

盡管如此，開發(fā)人員在構(gòu)建高性能系統(tǒng)時，仍然面臨著電池及線路供電系統(tǒng)對低功耗需求日益增長的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，NXP i.MX 8M Mini 處理器系列采用先進的半導(dǎo)體工藝技術(shù)制造，可解決高性能混合負載處理與功耗降低之間的需求矛盾。

高性能、低功耗計算

NXP i.MX 8M Mini 處理器屬于首款采用 14 納米 (nm) FinFET 工藝技術(shù)制造的 NXP HMP 系列，專為新興的工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 系統(tǒng)而設(shè)計，這些系統(tǒng)對高性能、高安全性和低功耗都提出了要求。與 NXP i.MX 8M 系列一樣，NXP i.MX 8M Mini 也集成了一個 Arm Cortex-M4 嵌入式處理內(nèi)核，以及最多四個 Arm Cortex-A53 應(yīng)用處理內(nèi)核，還有一個全面的安全子系統(tǒng)以及多個連接和 I/O 選項（圖 2）。

圖 2：NXP i.MX 8M Mini 處理器結(jié)合了最多四個 Arm Cortex-A53 應(yīng)用處理器內(nèi)核和一個 Arm Cortex-M4 嵌入式內(nèi)核，還有新興智能產(chǎn)品所需的全套安全、多媒體、系統(tǒng)功能以及 I/O 接口。（圖片來源：NXP Semiconductors）

為了支持嵌入式設(shè)計，與之前的 NXP i.MX 8M 相比，i.MX 8M Mini 減少了某些 I/O 通道的數(shù)量及其多媒體子系統(tǒng)的高分辨率能力。例如，i.MX 8M Mini 器件包括商業(yè)版 (MIMX8MM6DVTLZAA) 和工業(yè)版 (MIMX8MM6CVTKZAAA)，提供一個單一著色器 GPU 和一個 1080p 60 赫茲 (Hz) VPU，而 NXP i.MX 8M 則提供四著色器 GPU 和 4K VPU。i.MX 8M Mini 系列的其他成員包括商業(yè)版 (MIMX8MM5DVTLZAA) 和工業(yè)版 (MIMX8MM5CVTKZAA) 器件，則完全去除了 VPU。與早期的 NXP i.MX 8M 一樣，i.MX 8M Mini 能夠讓開發(fā)人員利用處理器對多種存儲器類型的支持（包括雙倍數(shù)據(jù)速率 3 低電壓 (DDR3L)、DDR4 和低功耗 DDR4 (LPDDR4)），實現(xiàn)性能與成本之間的進一步平衡。

降低功耗

為了進一步優(yōu)化性能和功耗，開發(fā)人員可利用 NXP i.MX 8M Mini 功能，以自動或編程方式切換到低功耗工作模式。在一定條件下，應(yīng)用內(nèi)核可以自動切換到空閑模式，并且關(guān)閉 GPU、VPU 和應(yīng)用內(nèi)核，同時對大多數(shù)內(nèi)部邏輯進行時鐘選通，但保留對 L2 數(shù)據(jù)緩存的供電。在此模式下，Arm Cortex-M4 內(nèi)核仍可繼續(xù)運行，以執(zhí)行更多傳統(tǒng)嵌入式處理任務(wù)，如傳感器數(shù)據(jù)采集等。

掛起模式是最省電的模式，通過同時禁用用于管理存儲器接口的雙倍數(shù)據(jù)速率控制器 (DDRC)，延長空閑狀態(tài)下功耗降低的時間。最后，安全非易失性存儲 (SNVS) 模式只保留對 SNVS 邏輯和實時時鐘的供電。

i.MX 8M 中采用的 14 nm FinFET 工藝技術(shù)具有功耗降低特性，在掛起和 SNVS 模式下表現(xiàn)尤為明顯。在采用 FinFET 的 i.MX 8M Mini 中，掛起模式的功耗大約為 7.81 毫瓦 (mW)。而在早期的 i.MX 8M 中，功能類似的模式（稱為深度休眠模式）消耗 197 mW。類似的功耗降低也發(fā)生在 SNVS 模式，在該模式下，i.MX 8M Mini 的功耗約為 0.11 mW，而早期的 i.MX 8M 功耗約為 17 mW。

像 i.MX 8M Mini 這樣的復(fù)雜器件具有大量的功能塊和微調(diào)工作模式，使工程師面臨諸多嚴格的實現(xiàn)要求。與其他同類器件一樣，i.MX 8M Mini 也依賴多個功率域來優(yōu)化電源管理和效率。要啟動和關(guān)閉這些器件，必須嚴格遵照指定的上電和斷電順序。

對 i.MX 8M Mini 上電時，首先為 SNVS 存儲體中的 GPIO 前級驅(qū)動器加電，通常為 1.8 伏。在 2 毫秒 (ms)（最多 2.4 ms）內(nèi)，必須為 SNVS 內(nèi)核邏輯加電，通常為 0.8 伏。隨后，再通過 12 個步驟，按順序?qū)⑻囟ㄐ盘柣螂娏┙o i.MX 8M Mini 的各個引腳，每一步按 0.015 ms 到 20 ms 間隔定時進行。

為器件斷電的順序正好相反，但是連續(xù)步驟之間的延遲均為 10 ms。無論是哪一種情況，若不遵守這些準則，都可能使器件無法啟動，導(dǎo)致上電期間電流過大，或者在最壞的情況下，會造成器件發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

處理器的 PC 板物理設(shè)計也有自身的嚴格要求。對于處理器 486 焊球 14 x 14 毫米 (mm) 封裝的布局，NXP 建議使用至少 8 層的 PC 板層疊結(jié)構(gòu)，并分配足夠的層專門用于電源軌，以滿足電流電阻 (IR) 下降規(guī)范的要求。與此同時，布局工程師必須確保高速線路上的串擾最小，包括受支持、以 1.5 千兆赫 (GHz) 和 3,000 百萬次/秒 (MT/s) 速度運行的存儲器器件線路。

快速開發(fā)

為幫助工程師快速開始應(yīng)用開發(fā)或加快定制硬件設(shè)計的開發(fā)，NXP 推出了 NXP i.MX 8M Mini EVK（評估套件）和相關(guān)的參考設(shè)計（圖 3）。該評估套件以基板和系統(tǒng)級模塊 (SOM) 板形式交付，提供了一個完整的系統(tǒng)，包括外部 LPDDR4 存儲器和閃存，以及 USB 和其他接口。

圖 3：NXP i.MX 8M Mini EVK 板組提供了一個完整的系統(tǒng)平臺，用于立即評估 i.MX 8M Mini 處理器，以及快速開發(fā)異構(gòu)多核處理器應(yīng)用。（圖片來源：NXP Semiconductors）

除千兆位以太網(wǎng)外，該套件還包含 Wi-Fi 和藍牙連接選項。提供的擴展板包括 MINISASTOCSI 相機模塊和 MX8-DSI-OLED1 有機發(fā)光二極管 (OLED) 觸摸屏，用于幫助進行視頻和顯示應(yīng)用設(shè)計。

借助用于嵌入式 Linux? 和嵌入式 Android? 操作環(huán)境的可用預(yù)建鏡像，開發(fā)人員可以立即使用該套件評估 i.MX 8M Mini 處理器，并運行樣例應(yīng)用程序。對于構(gòu)建自己的軟件應(yīng)用的開發(fā)人員，NXP 免費提供 MCUXpresso 軟件開發(fā)工具包 (SDK)，該工具包提供了一整套軟件組件，用于構(gòu)建典型的高性能嵌入式應(yīng)用（圖 4）。

圖 4：MCUXpresso 軟件開發(fā)工具包 (SDK) 架構(gòu)由整套軟件層組成，包括驅(qū)動程序、板級支持包，以及開發(fā)大多數(shù)嵌入式應(yīng)用所需的可選組件。（圖片來源：NXP Semiconductors）

使用 NXP 的在線 MCUXpresso SDK Dashboard，開發(fā)人員可以針對 GCC Arm Embedded 工具鏈或用于 Arm 的 IAR Embedded Workbench 進行 SDK 配置，還可以添加可選的中間件組件，包括 Arm Cortex 微控制器軟件接口標準 (CMSIS) DSP 庫和 Amazon FreeRTOS。配置后的 SDK 分發(fā)包將包含 Arm 標準庫、外設(shè)驅(qū)動程序、用于 FreeRTOS 的外設(shè)驅(qū)動程序包裝器，以及一套齊全的軟件樣例。在 SDK 分發(fā)包的軟件樣例中，有一對應(yīng)用程序演示了一種關(guān)鍵的信息交換設(shè)計模式，該模式是實現(xiàn)異構(gòu)計算的基礎(chǔ)。

在任何多核計算環(huán)境中，單獨的處理器都需要有效的機制來傳遞請求和共享數(shù)據(jù)。對于 i.MX 8M Mini EVK 應(yīng)用，NXP 使用的是 RPMsg-Lite——遠程處理器消息傳遞 (RPMsg) 協(xié)議的精簡版。RPMsg 協(xié)議是開放式非對稱多處理 (OpenAMP) 框架項目的組成部分，旨在為異構(gòu)多核系統(tǒng)中多核之間的通信提供標準接口。NXP 的 RPMsg-Lite 解決了小型嵌入式系統(tǒng)中的資源限制，縮小了封裝尺寸，并取消了與這些系統(tǒng)不一致的功能。

在 SDK 分發(fā)包中，樣例應(yīng)用程序 rpmsg_lite_pingpong_rtos 演示了一次簡單的交換，即使用 RPMsg-Lite 實現(xiàn)不同處理器之間的簡單 ping-pong 交互（清單 1）。在為另一個“遠程”處理器創(chuàng)建 RPMsg 隊列 (my_queue) 和端點 (my_ept) 后，“主機”應(yīng)用處理器向遠程內(nèi)核發(fā)送信號。在收到來自遠程內(nèi)核的握手響應(yīng)后，主機處理器將開始執(zhí)行一個循環(huán)，該循環(huán)使用阻塞策略等待遠程內(nèi)核的“ping”消息，然后再發(fā)送自己的“pong”響應(yīng)。

void app_task（void *param） {

。..my_rpmsg = rpmsg_lite_remote_init（（void *）RPMSG_LITE_SHMEM_BASE， RPMSG_LITE_LINK_ID， RL_NO_FLAGS）; while （！rpmsg_lite_is_link_up（my_rpmsg））

;

PRINTF（“Link is up！\r\n”）;

my_queue = rpmsg_queue_create（my_rpmsg）;

my_ept = rpmsg_lite_create_ept（my_rpmsg， LOCAL_EPT_ADDR， rpmsg_queue_rx_cb， my_queue）;

ns_handle = rpmsg_ns_bind（my_rpmsg， app_nameservice_isr_cb， NULL）;

rpmsg_ns_announce（my_rpmsg， my_ept， RPMSG_LITE_NS_ANNOUNCE_STRING， RL_NS_CREATE）;

PRINTF（“Nameservice announce sent.\r\n”）;

/* Wait Hello handshake message from Remote Core.*/

rpmsg_queue_recv（my_rpmsg， my_queue， （unsigned long *）&remote_addr， helloMsg， sizeof（helloMsg）， NULL， RL_BLOCK）;

while （msg.DATA 《= 100）

{ PRINTF（“Waiting for ping.。.\r\n”）;

rpmsg_queue_recv（my_rpmsg， my_queue， （unsigned long *）&remote_addr， （char *）&msg， sizeof（THE_MESSAGE）， NULL，

RL_BLOCK）;

msg.DATA++; PRINTF（“Sending pong.。.\r\n”）;

rpmsg_lite_send（my_rpmsg， my_ept， remote_addr， （char *）&msg， sizeof（THE_MESSAGE）， RL_BLOCK）;

} PRINTF（“Ping pong done， deinitializing.。.\r\n”）;

rpmsg_lite_destroy_ept（my_rpmsg， my_ept）;

my_ept = NULL;

rpmsg_queue_destroy（my_rpmsg， my_queue）;

my_queue = NULL;

rpmsg_ns_unbind（my_rpmsg， ns_handle）;

rpmsg_lite_deinit（my_rpmsg）;

msg.DATA = 0; 。..}

列表 1：這個片段來自 MCUXpresso 軟件開發(fā)工具包提供的樣例代碼，演示了在異構(gòu)多核處理器中不同處理器間實現(xiàn)交互的基本設(shè)計模式。（代碼來源：NXP Semiconductors）

開發(fā)人員可以基于這一簡單的交換，輕松創(chuàng)建完整操作，以跨越多個處理器分配任務(wù)執(zhí)行。另一個樣例應(yīng)用程序 sai_low_power_audio 實質(zhì)上將 RPMsg-Lite 用作更高層簡化型實時消息傳遞 (SRTM) 應(yīng)用協(xié)議的低級數(shù)據(jù)鏈路層。在此應(yīng)用程序中，Arm Cortex-A53 處理器使用該 SRTM 協(xié)議請求 Arm Cortex-M4 處理器播放共享存儲器中的音頻文件。在控制了共享緩沖區(qū)之后，M4 將執(zhí)行多項操作，最終執(zhí)行智能直接存儲器訪問 (SDMA) 事務(wù)，以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭m當?shù)拇a，最后傳輸?shù)酱?a target="_blank">音頻接口 (SAI) 進行音頻輸出。在執(zhí)行這些操作期間，A53 內(nèi)核可以進入低功耗模式。盡管在設(shè)計上比 ping-pong 應(yīng)用程序更復(fù)雜，但 sai_low_power_audio 樣例應(yīng)用程序演示了開發(fā)人員如何能夠使用異構(gòu)多核處理器來實現(xiàn)性能最大化，同時充分降低智能產(chǎn)品的功耗。

總結(jié)

智能產(chǎn)品正在將傳統(tǒng)的實時嵌入式處理系統(tǒng)與強大的應(yīng)用處理能力結(jié)合在一起。然而，開發(fā)人員需要在滿足這些處理要求的同時，還要滿足人們對于電池和線路供電型系統(tǒng)中低功耗產(chǎn)品的持續(xù)預(yù)期。

NXP i.MX 8M Mini 應(yīng)用處理器采用先進的半導(dǎo)體工藝制造，既可提供高性能異構(gòu)多核處理能力，又能保持低功耗。使用 NXP i.MX 8M Mini 器件，開發(fā)人員可以更好地滿足日益復(fù)雜的智能產(chǎn)品中的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計對于高性能計算的新興需求。