האצת פרויקטים של מיקרו-בקרים ומיקרו-מעבדים באמצעות פלטפורמת פיתוח גמישה

מערכות משובצות ויישומיהן משתנים במהירות, וכך גם המעבדים המשרתים אותן. בתגובה, מעבדים משובצים הופכים מתוחכמים יותר ויותר, ומספקים למהנדסים רשימה הולכת וגדלה של אפשרויות שלעתים קרובות חופפות במאפייניהם. בעוד שאפשרויות נוספות תמיד יתקבלו בברכה, בחינת האפשרויות יכולה לגזול זמן רב מדי. כדי להצליח בסביבה דינמית, המפתחים זקוקים לאמצעי להערכה מהירה של מספר אפשרויות סיליקון, החל מיחידות מיקרו-בקר (MCUs‏) ועד יחידות מיקרו-מעבד (MPUs‏), תוך ייעול תהליך ייצור האב-טיפוס.

דרך אחת לעזור למתכננים היא לאמץ גישה של "אבני בניין" לחומרה. על ידי שילוב של לוחות פיתוח פשוטים עם ספרייה נרחבת של מודולי הרחבה ותוכנות תומכות, המתכננים יכולים לשלב ולהתאים לפי הצורך.

מאמר זה סוקר כיצד דרישות תכנון מערכות משובצות משתנות ומה המשמעות של שינויים אלה על בחירת המעבדים. לאחר מכן המאמר מראה כיצד פלטפורמה של NXP מאפשרת למתכננים לבחון מספר סוגי מעבדים, תוך הרחבה מ-MCUs בהספק נמוך ועד ל-MPUs ומעבדי יישומים משולבים ביותר בקטגוריית-Linux‏.

טשטוש הגבולות של תכן משובץ

עד לאחרונה, רוב היישומים המשובצים משתלבים בקטגוריות עם גבולות מוגדרים היטב. לוגיקת I/O‏ ובקרה פשוטה היו נחלתם של MCUs‏ bit‏-8‏; MCUs‏ bit‏-32‏ טיפלו במשימות זמן-אמת מורכבות. יישומים הדורשים מערכת הפעלה (OS) מלאה או ממשק משתמש גרפי (GUI) היו בהחלט בטריטוריה של MPU.

כיום, הגבולות הללו מטושטשים. יישומי bit‏-8‏ מסורתיים רבים נדחקו לתחום bit‏-32‏, שכן יישומים שבעבר היו עצמאיים מוסיפים חיבוריות מתוחכמת. חבילות תוכנה מורכבות מתפשטות ביישומי זמן-אמת, וממזגות את הדרישות של יישומי מיקרו-בקר ומיקרו-מעבד. במקביל, בינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML) משולבות במגוון הולך וגדל של יישומים.

גם ההבדלים בין קטגוריות המעבדים הפכו מטושטשים. MCUs‏ עם ביצועים עיליים כוללים כעת מאיצי גרפיקה ויכולות AI/ML שהיו שמורות בעבר עבור MPUs‏ מהרמה-העליונה. MPUs‏ מוסיפים יכולות זמן-אמת שהיו זמינות בעבר רק על MCUs‏. הוספת מורכבות, הדרישה לגרפיקה מתקדמת, AI‏ ומאפיינים מתוחכמים אחרים הובילו להשקת מעבדי יישומים, עם ארכיטקטורות שאולות מטלפונים ניידים.

כל זה קורה ככל שהחדשנות ממשיכה להאיץ. בין תחילת מחזור התכנון להשקת המוצר, דינמיקת השוק יכולה לשנות באופן משמעותי את דרישות הפרויקט. לדוגמה, תכן מבוסס MCU‏ ללא-צג עשוי להצמיח באופן בלתי-צפוי מסך מגע, מה שיחייב קפיצה ל-MPU. לעומת זאת, צוות שיווק מוצר עשוי להחליט ברגע האחרון שמוצר יוקרתי צריך להיות מלווה בגרסה בסיסית, מה שיוצר לחץ למצוא מעבד בעלות נמוכה יותר.

מגמות ושינויים אלה יצרו צורך באקוסיסטם להערכת מעבדים המאפשרת למתכננים לבחון בקלות אפשרויות שונות. לוחות הערכה מסורתיים התקשו לעמוד בדרישה זו. נועדו לעיתים להדגים כל מאפיין משמעותי של משפחת מעבדים, הם נטו להשתמש בתכנים מורכבים ממוטבים עבור מגוון צר של יישומים. כתוצאה מכך, המאמץ שהושקע בלוח אחד כמעט ולא היה ניתן להעברה לאחר.

פלטפורמה גמישה מאפשרת הערכת מעבד מהירה יותר

כדי לענות על הצרכים של מתכנני מערכות משובצות, NXP בחנה מחדש את הבעיה ופיתחה את פלטפורמת הפיתוח FRDM‏ (איור 1). במקום לכלול כל מאפיין אפשרי, לוחות FRDM כוללים רק את הדברים החיוניים: מעבד, זיכרון ו-I/O‏ בסיסי. ניתן להוסיף פונקציונליות ספציפית-ליישום על ידי ניצול האקוסיסטם הנרחב של פסי-פינים להרחבה של Arduino‏ (Arduino‏), Pmod‏ Digilent‏, ו-mikroBUS‏ (MikroElektronika‏). NXP תומכת בגישה מודולרית זו עם רכזת לוחות ההרחבה שלה, המציעה אפשרויות עבור צגים, חיישנים, ממשקי תקשורת ועוד.

איור 1: לוחות FRDM כוללים רק את הדברים החיוניים, ומשאירים פונקציונליות כמו צגים ו-I/O‏ ללוחות הרחבה מבוססי-סטנדרטים. (מקור התמונה: NXP)

גישת אבני-בניין זו מקלה על הרחבת הפונקציונליות ושימוש-חוזר בחומרה בפרויקטים שונים. מכיוון שמודולי ההרחבה חולקים את אותם ממשקים סטנדרטיים בתעשייה, ניתן להעריך את אותו לוח היקפי עם מעבדים שונים. מתכנן עשוי, לדוגמה, לתקף מודול חיישן בפלטפורמת MCU ברמת-התחלה, ולאחר מכן לעשות שימוש-חוזר באותה חומרה עם MPU עם ביצועים עיליים, והכל מבלי לתכנן מחדש את האב-טיפוס.

מה שהופך את הגמישות הזו לכל כך עוצמתית הוא מגוון המעבדים מבוססי Arm‏ הנתמכים על ידי פלטפורמת FRDM. קו המוצרים מתחיל ב-MCUs ברמת-התחלה בהספק אולטרה-נמוך ומשתרע דרך מגוון רחב של התקנים עתירי-מאפיינים, כולל אפשרויות המותאמות עבור בקרת מנוע, גרפיקה וחיבוריות אלחוטית. ברמה-העליונה הוא כולל מעבדי MPU ומעבדי יישומים עם ביצועים ברמת-גיגה-הרץ (GHz) ומאפיינים מתקדמים, כגון מאיצי AI‏.

צעדים ראשונים עם לוח פיתוח MCU ברמת-התחלה

ה-FRDM-MCXC444‏ (איור 2) ממחיש את היתרונות של פלטפורמת FRDM. לוח ברמת-התחלה זה מספק יסוד בהספק אולטרה-נמוך עבור יישומים משובצים רגישים-לעלות, הכולל את המיקרו-בקר MCXC444VLH‏. מיקרו-בקר זה הוא חלק מסדרת MCX C‏ של NXP, המתוכננת עבור יישומים בהם נצילות הספקת-הכוח ועלות נמוכה הן בעלות חשיבות עליונה.

איור 2: לוח רמת-התחלה FRDM-MCXC444 כולל מיקרו-בקר MCXC444VLH סדרת MCX C בהספק נמוך, צג LCD קטן ונקודות-חיבור USB. (מקור התמונה: NXP)

ה-MCXC444VLH בנוי סביב ליבת +Arm Cortex-M0 הפועלת בתדר של עד 48 מגה-הרץ (MHz). הוא צורך 54 מיקרו-אמפר לכל מגה-הרץ (µA/MHz) באופן פעולה בהספק נמוך ביותר ורק µA‏ 1.96‏ באופן שינה עמוקה. צריכת זרם נמוכה זו הופכת אותו למתאים היטב עבור יישומים מוזני-סוללות.

מאפיין בולט נוסף של ה-MCXC444VLH הוא בקר ה-LCD המשולב שלו, התומך בעד 24 × 8 או 28 × 4 סגמנטים ללא צורך בדוחפים חיצוניים. הוא כולל גם פונקציונליות USB 2.0 במהירות מלאה, ללא צורך בגביש חיצוני, ובכך מפחית את עלויות רשימת החומרים (BOM) ואת מורכבות הלוח.

לוח ה-FRDM-MCXC444 מציג תכונות אלו באמצעות צג LCD ו-USB מובנים. מאפיינים בולטים אחרים כוללים מד תאוצה וחיישן אור, המאפשרים יצירת אב-טיפוס של תכנים מונעי-חיישנים. הלוח הוא נקודת התחלה טובה עבור התקנים מוזני-סוללות הדורשים ממשקי משתמש פשוטים וחיבוריות מחזורית.

התניעו בקרת מנועים עם לוח פיתוח מיקרו-בקר נפוץ

בתחום-הביניים, ה-FRDM-MCXA346‏ (איור 3) מדגיש כיצד פלטפורמת FRDM תומכת במשימות בקרה משוכללות יותר. לוח זה מתוכנן עבור בקרת מנועים וכולל את המיקרו-בקר MCXA346VLQ‏, חלק מסדרת MCX A‏ של NXP, המיועדת עבור יישומים נפוצים הדורשים אינטגרציה מתוחכמת.

איור 3: לוח ההערכה FRDM-MCXA346 מבוסס על המיקרו-בקר MCXA346VLA‏ בסדרת MCX A‏ ומציע מערך עשיר של מאפיינים עבור בקרה תעשייתית, כולל CAN FD. (מקור התמונה: NXP)

ה-MCXA346VLQ בנוי סביב ליבת Arm Cortex-M33 הפועלת בתדר 180 מגה-הרץ. הוא כולל 1 מגה-בייט (Mbyte) של זיכרון Flash‏ ו-256 קילו-בייט (Kbyte) של זיכרון גישה אקראית סטטי (SRAM), המספקים אחסון נרחב עבור קוד ונתוני יישומים. יחידת הנקודה הצפה (FPU) והרחבות עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) של המעבד הופכות אותו למתאים היטב עבור אלגוריתמי בקרה מורכבים.

עבור יישומי בקרת מנועים, ה-MCXA346VLQ מספק תמיכה מקיפה בחומרה. שני מודולי FlexPWM, כל אחד עם ארבעה תת-מודולים, מספקים עד 16 יציאות משלימות של אפנון רוחב פולס (PWM) עבור דחיפת מנועי DC ללא-מברשות (BLDC) ומנועים סינכרוניים עם מגנט קבוע (PMSMs‏). ארבעה ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs‏) bit‏-16‏ דוגמים עד 3.2 מגה-דגימות לשנייה (Msamples/s‏), המאפשרות ניטור מדויק על פני מספר פאזות מנוע. שני מודולי אנקודר/דקודר קוואדראטורי (eQDC‏) מטפלים במשוב על מיקום הרוטור, בעוד ששני מודולים ו/או/מהפך (AOI) מספקים לוגיקת חומרה עבור סדרות בקרה מורכבות.

לוח FRDM-MCXA346 מציע גישה ישירה עבור I/O‏ עיקריים, כולל USB במהירות-מלאה ו-CAN FD עבור יישומי רשתות תעשייתיות. הלוח תומך בממשקי תצוגה ומצלמה מקבילים, ומאפשר פיתוח ממשק משתמש גרפי (GUI) ללא צורך בחומרה חיצונית. מאפיינים אלה הופכים את הלוח למתאים היטב עבור פיתוח ציוד תעשייתי הדורש ממשק אדם-מכונה (HMI).

התמודדו עם AI‏ קצה עם לוח פיתוח MPU עם ביצועים עיליים

בראש סדרת FRDM, ה-FRDM-IMX8MPLUS‏ (איור 4) מדגים כיצד הפלטפורמה מתרחבת מעבר למיקרו-בקרים (MCUs) וכוללת תכן מעבדי יישומים שלם. לוח זה מבוסס על ה-MIMX8ML8DVNLZAB‏ ממשפחת i.MX 8M Plus‏ של NXP הכוללת מעבדים רבי-ליבות במהירות של GHz‏+פלוס ומאיצי AI‏.

איור 4: לוח הפיתוח FRDM-IMX8MPLUS מבוסס על ה-MIMX8ML8DVNLZAB MPU ממשפחת i.MX 8M Plus; הוא כולל ממשקי מולטימדיה נרחבים והאצת AI‏. (מקור התמונה: NXP)

ספציפית, ה-FRDM-IMX8MPLUS משלב ארבע ליבות Arm Cortex-A53 הפועלות במהירות של עד 1.8 גיגה-הרץ עם ליבת זמן-אמת Cortex-M7 ייעודית הפועלת במהירות של 800 מגה-הרץ (MHz), ויחידת עיבוד נויראלית (NPU) המעניקה 2.3 טרה-פעולות בשנייה (TOPS‏). ארכיטקטורה הטרוגנית זו מספקת בסיס איתן עבור ראייה ממוחשבת, זיהוי קול ויישומי AI‏ אחרים, תוך תמיכה בבקרה בזמן-אמת.

עבור מולטימדיה וחיבוריות, הלוח מציע סט מקיף של ממשקים. יציאות HDMI 2.0, MIPI-DSI, ושת יציאות LVDS (אותות דיפרנציאליים במתח נמוך) התומכות בפיתוח צגים, בעוד ששתי כניסות MIPI-CSI מאפשרות שילוב מצלמה עבור יישומי ראייה. הרשתות וההרחבה הן מגוונות באותה מידה, עם חיבורי Gigabit Ethernet כפולים, USB 3.0 ומודול Tri-Radio‏ Wi-Fi 6/Bluetooth 5.4/802.15.4 מובנים.

האצת הפיתוח עם תמיכה מקיפה בתוכנה

גמישות החומרה של פלטפורמת FRDM משתווה למשאבי תוכנה מקיפים שנועדו לייעל את הפיתוח על פני כל מגוון המעבדים. NXP תומכת בכך על ידי מתן שני נתיבי פיתוח תוכנה, אחד עבור מיקרו-בקרים זמן-אמת ואחד עבור מיקרו-בקרים עם ביצועים עיליים.

עבור פיתוח מיקרו-בקרים, NXP מספקת את חבילת התוכנה והכלים MCUXpresso‏. זוהי חבילה מקיפה עבור מעבדי Cortex-M (כגון MCX C ו-MCX A) הכוללת את סביבת הפיתוח המשולבת (IDE‏) MCUXpresso, הרחבת VS Code, כלי הגדרת-תצורה וערכת פיתוח תוכנה (SDK) באיכות גבוהה. מסלול זה מיועד עבור יישומי זמן-אמת ותומך ב-IDEs משובצים מוכרים, כגון Embedded Workbench‏ ו-Keil MDK‏ של IAR Systems‏.

עבור פיתוח MPU על מעבדים כמו i.MX 8M Plus‏, NXP‏ מספקת תמיכה איתנה עבור Embedded Linux, כולל חבילות תמיכת לוחות (BSPs) עבור Yocto Project‏ ו-Debian. כדי להתחיל במהירות, NXP מציעה את GoPoint‏, מאגר של הדגמות בנויות-מראש מבוססות-Linux‏ ומדריכים צעד-אחר-צעד עבור יישומים מתקדמים, כגון ראייה ממוחשבת, AI‏ ומולטימדיה.

כדי להאיץ את ייצור האבות-טיפוס בצד המיקרו-בקר, NXP מציעה גם את Application Code Hub‏ שב-MCUXpresso‏‏. זהו מאגר מרכזי של דוגמאות תוכנה והדגמות יישומים שפותחו על ידי מומחים ושותפים של NXP. הרכזת מספקת מעל 180 דוגמאות קוד הכוללות בקרת מנועים, חישה ו-AI‏. דוגמאות אלו נועדו לעבוד ישירות עם לוחות FRDM, ולאפשר לאב-טיפוס של יישום שנבנה על לוח מיקרו-בקר FRDM אחד לפעול עם מיקרו-בקר תואם אחר עם שינויים מינימליים.

סיכום

ככל שדרישות מערכת משובצת מתפתחות וחופפות, המהנדסים זקוקים לדרכים יעילות להתנסות עם מספר מעבדים וליצור במהירות אבות-טיפוס של רעיונותיהם. החומרה המודולרית ומשאבי התוכנה המשותפים של פלטפורמת NXP FRDM הופכים בחינה זו לפרקטית ותומכת בכל דבר, החל מ-MCUs בהספק נמוך, דרך בקרה בתחום-הביניים ועד ל-MPUs מבוססי AI‏ בקטגוריית-Linux‏. על ידי סטנדרטיזציה של ההרחבה ושימוש-חוזר בקוד, המסלול משלב הרעיון ועד לאב-טיפוס פועל הוא קצר יותר, תוך שמירה על גמישות ככל שהתכנים גדלים.