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(duì)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(hào)架構(gòu)，它將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號(hào)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(hào)處理和控制處理應(yīng)用中均發(fā)揮優(yōu)勢(shì)——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(duì)于滿足當(dāng)今及未來的信號(hào)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(gè)具有顯著特色的新成員，其更低的價(jià)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(shí)，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(jià)格+融合多項(xiàng)新特性
盡管高性價(jià)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(shí)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(jià)格的Blackfin處理器相比價(jià)格下降近30%，最低為4.95美元（2萬5千片訂量報(bào)價(jià)），作為一款高性能匯聚式處理器，這個(gè)價(jià)格對(duì)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(jià)格取決于處理器速度、可選堆疊閃存以及封裝，所有價(jià)格均是25000訂量的報(bào)價(jià)。
表一：BF51x系列處理器的價(jià)格及主要的外設(shè)。

Blackfin處理器一直堅(jiān)持產(chǎn)品的高性價(jià)比，而BF51x再一次建立了新的高性價(jià)比標(biāo)桿。BF51x的低價(jià)格并沒有以犧牲性能為代價(jià)，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(chǔ)器、512KB的SPI FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(gè)立體聲I2S數(shù)字音頻通道、12個(gè)外設(shè)DMA通道，還提供了內(nèi)置的高級(jí)存儲(chǔ)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(gè)處理器包括兩個(gè)雙通道同步串行通信端口（SPORT）、一個(gè)高速并行外設(shè)接口（PPI）、 一個(gè)I2C兼容雙線接口（TWI）、兩個(gè)PC兼容的UART，以及兩個(gè)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(dòng)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(chǔ)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(shí)產(chǎn)權(quán)，如驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)和用戶接口等，并為個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)安全的運(yùn)行代碼和保護(hù)資源的處理環(huán)境，對(duì)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(gè)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(gè)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(shí)就實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)以低功耗實(shí)現(xiàn)最高性能，Blackfin處理器采用了各種高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)，包括：可編程電壓與頻率調(diào)節(jié)、時(shí)鐘周期分辨率動(dòng)態(tài)時(shí)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(jí)功耗。這些高級(jí)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(jià)格的均衡，非常適合對(duì)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(tái)，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(gè)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(tái)。

BF514、BF516與 BF518均內(nèi)置片上可移動(dòng)存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(duì)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(shì)。BF51x集成的多種特性正是響應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，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(shí)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(dòng)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(shì)。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(tái)的處理器時(shí)，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(píng)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)。