智慧城市、遠程監(jiān)控、自動駕駛汽車和智能視覺等多種應用對智能邊緣計算的需求正在不斷增加。在本文中，我們重點介紹 Microchip Technology 全新 PIC64GX 系列 64 位微處理器的一些功能。
邊緣計算
與傳統(tǒng)的集中式處理相反，邊緣計算是在數(shù)據(jù)生成的地方附近進行處理的地方。這可以實現(xiàn)更高的速度和體積，從而獲得實時結果。醫(yī)院和工廠等場所的此類計算需要低延遲并且能夠在沒有網(wǎng)絡連接的情況下快速計算。
人工智能(AI) 和機器學習 (ML) 算法可用于快速調(diào)整計算，使其更高效、更快速。不受控制的環(huán)境，例如農(nóng)業(yè)中的環(huán)境，可以在地方一級得到更有效的控制。用戶體驗可以在許多方面得到改善，包括對大量數(shù)據(jù)的快速響應、更高的安全性(以便可以在本地控制敏感數(shù)據(jù))以及在網(wǎng)絡或云連接可能間歇性的偏遠地區(qū)進行自主操作。
邊緣網(wǎng)絡可以處理攝像頭等傳感器收集的輸入數(shù)據(jù)，并使用 AI/ML 在本地優(yōu)化對這些輸入的響應。一個例子是在醫(yī)療保健領域，可以配備 MRI 和 CT 掃描儀等成像設備在本地處理圖像，從而節(jié)省寶貴的時間。遠程手術援助和遠程醫(yī)療就是邊緣計算的低延遲可以挽救患者生命的例子。
PIC64 MPU 系列
Microchip Technology 是 8 位、16 位和 32 位嵌入式解決方案的領導者。他們的 8 位、16 位和 32 位微控制器 (MCU) 廣泛應用于從家用電器、車庫門開啟器到工業(yè)和汽車控制系統(tǒng)等各種應用。這些流行的 MCU 作為 PIC® 系列產(chǎn)品進行銷售，具有哈佛/改良哈佛 RISC、MIPS® 和 ARM® 等架構。
他們的基于 Arm® 內(nèi)核的 32 位微處理器 (MPU) 系列面向許多交通、工業(yè)和消費設計。此外，他們的 PolarFire® 等 FPGA 系列在智能國防、航空航天、機器人等領域提供了高計算性能。憑借這一經(jīng)驗，他們于 2024 年 7 月宣布進軍 64 位 MPU 領域。該系列名為 PIC64，包括針對智能邊緣計算的PIC64GX MPU，以及針對航空航天和國防應用的 PIC64 高性能太空飛行計算 (PIC64-HSPC) 耐輻射設備。 PIC64GX 繼承了 PolarFire® SoC 的一些關鍵特性，并且與這些器件直接引腳兼容。讓我們更詳細地了解 PIC64GX MPU 的一些特性。
PIC64GX MPU
PIC64GX MPU 架構的簡化框圖如圖 1 所示。
圖 1：PIC64GX MPU 架構的簡化框圖(來源：Microchip Technology)
CPU核心復合體
多核架構總共由五個與內(nèi)存子系統(tǒng)一致的RISC-V核心組成。 RISC-V 微架構支持 Linux 操作系統(tǒng) (OS)，并使用簡單的五階段問題有序管道。
U54 HART 由四路 625 MHz RV64GC RISC-V® 處理硬件線程 (HART) 組成。它們提供 3.1 CoreMarks®/MHz 和 1.7 DMIPS/MHz。這些 U54 內(nèi)核包括物理內(nèi)存保護 (PMP) 單元、內(nèi)存管理單元 (MMU) 和 L1 內(nèi)存系統(tǒng)。 PMP支持16個內(nèi)存區(qū)域，可用于設置這些區(qū)域的訪問權限。 MMU 提供虛擬內(nèi)存支持，包括映射到 38 位物理地址空間的 39 位地址空間。 L1 指令存儲器可配置為 32 KB 8 路指令高速緩存或 28 KB 指令緊密集成存儲器 (ITIM)。 L1 數(shù)據(jù)存儲器是一個 32 KB 的高速緩存。兩個 L1 存儲器均具有基于單錯誤糾正、雙錯誤檢測 (SECDED) 的糾錯碼 (ECC) 功能。
包含 625 MHz RISC641MAC E51 監(jiān)控處理器內(nèi)核，通常用于執(zhí)行操作系統(tǒng)到 U54 內(nèi)核的引導加載、裸機用戶應用程序以及監(jiān)控 U54 內(nèi)核。 E51 的 16 KB 指令高速緩存可以部分重新配置為 8 KB ITIM。包含一個 8KB 數(shù)據(jù)緊密集成存儲器 (DTIM)。這兩種存儲器還具有 SECDED ECC 實現(xiàn)。
核心復合體包括 2 MB 帶 SECDED 的 L2 高速緩存。這用于為核心復合體中的主設備提供快速的內(nèi)存復制。 L2 緩存控制器還充當基于目錄的一致性管理器。當緩存方式被禁用時，內(nèi)存空間可以作為 1.8 MB L2 松散集成內(nèi)存 (L2LIM) 進行尋址。這提供了確定性行為，不可能出現(xiàn)高速緩存未命中，并且優(yōu)先級高于高速緩存路訪問。
PIC64GX 包含一個 128 kB 的嵌入式非易失性存儲器 (eNVM)，該存儲器也受到 SEDED 保護，并且具有較長的數(shù)據(jù)保留時間。
非對稱多重處理 (AMP)
PIC64GX 旨在執(zhí)行確定性實時計算任務的多功能組合，以及更多非確定性應用豐富的環(huán)境(例如 Linux®)。傳統(tǒng)的對稱多處理 (SMP) 對所有任務使用相同的處理器。這可能會導致特定任務的資源分配過多，從而導致效率低下。使用 AMP，可以根據(jù)特定任務分離和優(yōu)化各種處理事件。這些可以針對計算強度和內(nèi)存要求進行優(yōu)化。
使用 Zephyr® 等實時操作系統(tǒng) (RTOS)，可以以低延遲的方式可預測地執(zhí)行控制循環(huán)等時間關鍵型任務。 PIC64GX 是首款支持 AMP 的 RISC-V 多核解決方案。圖 2 顯示了同時使用 AMP 和 SMP 的示例。此處，3 個或 3 個內(nèi)核專用于 Linux® 操作系統(tǒng)的 SMP，該操作系統(tǒng)資源為 1 MB 的 L2 高速緩存。其余處理器專用于 AMP，可直接訪問配置為 LIM 的 L2 內(nèi)存系統(tǒng)的一部分，以避免不確定的內(nèi)存緩存。因此，PIC64GX 配置為 2 個部分獨立的設備上下文，每個上下文都運行其工作負載。
外設可以分配給任一上下文。 PIC64GX 支持 OpenAMP 行業(yè)標準，例如遠程處理器消息傳遞 (RPMsg)，允許 Hart 間/上下文間之間進行通信。 Hart 軟件服務 (HSS) 固件充當系統(tǒng)監(jiān)視器，報告總線錯誤、致命異常等，由 E51 內(nèi)核執(zhí)行。
圖 2：PIC64GX 上的 AMP 和 SMP 示例(來源：Microchip Technology)
DDR 接口、外設和連接
DDR 內(nèi)存控制器支持 DDR4-1333 或 LPDDR4-1333，每個 DDR 接口高達 32 GB。當配置為 36 位總線寬度時，它具有 SECDED 功能。
包括一系列廣泛的外圍設備，例如：
· 2 個千兆位以太網(wǎng) MAC (GEM)
· 符合 MMC 5.1/SD/SDIO/eMMC 標準的外設和用于 SD 卡的 MAC，具有自己的 DMA 控制器
· 兼容 USB 2.0 OTG 的內(nèi)核
· 2 個 PCIe Gen2 控制器，用于連接一個或多個主機處理器
· 2 個 SPI 和 I2C 以及 5 個多模式 UART 接口
· 四路 SPI (QSPI) 閃存控制器
· 2個CAN核心
· 2 通道 MIPI CSI-2 輸入(速度為 1 Gbps)，用于連接攝像頭和傳感器、具有專用 I 2 C 的 HDMI 1.4 (720P) 輸出以及視頻管道
· 看門狗定時器、實時計數(shù)器、定時器
安全特性
PIC64GX 包含許多安全和安保功能，這些功能對于當今醫(yī)療、航空和國防等許多邊緣通信應用至關重要。
下面列出了其中一些：
· 安全非易失性存儲器(sNVM)：PIC64GX 具有 56 KB sNVM，可用于存儲敏感用戶數(shù)據(jù)。這可以通過使用 AES-256 的設備唯一的 PUF 密鑰進行保護。
· 提供 2 個安全啟動選項，其中之一包括使用 sNVM 供用戶安全啟動其代碼。默認方法使用來自安全存儲器的 Microchip 安全引導加載程序，并在運行用戶代碼之前在 eNVM 上執(zhí)行簽名和哈希檢查。
· PMP 設置內(nèi)存權限，包括使它們受到寫保護的區(qū)域鎖定。
· 內(nèi)存保護單元包括每個非 HART 主設備并防止隨機內(nèi)存訪問?？梢詾橥鈬O備設置訪問區(qū)域以及權限設置。
· 防篡改功能包括電壓、頻率和溫度監(jiān)控器。采用差分功率分析 (DPA) 對策來保護密鑰免受旁道攻擊。
· PIC64GX 器件中包含 Athena TeraFire EXP-F5200B 加密處理器，以確保數(shù)據(jù)安全。這支持許多加密算法，例如 AES 和 SHA 變體、RSA、DSA、EC 密鑰對 ECDSA 等。
· PIC64GX 上的所有 RAM 都具有 ECC。
產(chǎn)品選項和開發(fā)支持
PIC64GX 系列的首批產(chǎn)品包括：
· PIC64GX1000/FCS 具有 1 個 PCIe Gen2 通道和 16 位 DDR 總線寬度。它采用 FCSG325 11 x 11 x 0.5 mm 封裝，適用于 0-100°C 的擴展商業(yè)溫度范圍或 – 40 – 100°C 的工業(yè)溫度范圍。
· PIC64GX1000/FCV 具有 1、2 或 4 個 PCIe Gen 2 通道選項，并具有 32 位 DDR 總線寬度。它采用 FCVG484 19 x 19 x 0.8 mm 封裝。提供與上面列出的 FCS 封裝相同的溫度額定值。
可以使用多種開發(fā)工具，例如：
· 帶有 RV64 的 MPLAB® 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)
· Linux®操作系統(tǒng)
· RTOS，例如 Zephyr®
· GitHub，包含許多裸機驅(qū)動程序、RTOS 和其他參考示例
PIC64GX Curiosity 評估套件包括 MPU 以及 1GB DDR 存儲器、1GB 以太網(wǎng)連接器、一個 Raspberry MIPI 連接器、一個 MikroBUS? 擴展接頭、一個 HDMI 輸出、3 個通過 USB Type C 和 USB 轉(zhuǎn) JTAG 的 UART 連接調(diào)試接口。
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