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[其他] 集MCU、DSP、FPGA于一身的多核MCU,你造吗?

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    [LV.7]常住居民III

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    发表于 2016-8-10 09:57:40 |显示全部楼层
    xCORE兼具MCU的逻辑操作、DSP的运算能力和FPGA的灵活引脚等能力,以往一些需要采用MCU、DSP和低端FPGA三颗芯片的方案,现在只用一颗xCORE就能搞定。

    前不久,华为、博世、赛林思投资一家英国半导体公司XMOS的消息传出,引起不小关注,让业内颇为好奇的是,这家在半导体业界并不显眼的公司,为什么获得了华为和博世等的青睐?

    XMOS是一家来自英国布里斯托尔市的无晶圆厂半导体公司,推出了一种称为xCORE体系架构的32位多核实时微控制器,该系列处理器具有多个时序可确定的、可并行执行任务的32位处理内核(有4、6、8、10、12、16、24、32核),单核主频最高可达200MIPS,支持诸如C和C++等高级编程语言,可使用软件准确的配置设计所需的外设接口。当然多核微控制器对于现在来说并不是让人耳目一新的产品,而让《智慧产品圈》(微信号:pieeco)笔者惊讶的是:xCORE内核兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身!何以做到如此?我们可以从其内核架构和I/O特性得到答案。

    xCORE内核深度解析

    内核架构:

    据木瓜电子技术支持工程师邱松晓介绍,简单来说,xCORE实质是多核的RTOS MCU架构,其中一个核的性能可相当于一个ARM Cortex M3,一个8核的XMOS MCU性能可以相当于8个Cortex M3,非常强大。xCORE目前应用最多的是8核和16核的产品,以型号为XU216的主控为例,其架构和特点如图1、图2所示:

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    图1:XMOS的多核架构▲

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    图2:XMOS内核特性▲

    xCORE中多个核就像一个团队并行运行,单个核的最高运行速度可达200 MIPS,16核累加最高可达2000MIPS,而且各个核执行任务互不干扰,使用通道实现线程间的通讯,可以执行庞大的任务量。其同时具有成熟的、开源的IP核外设,如UART、SPI、IIS、ETH、CAN等,也具有DSP运算库IP,工程师可以调用此库来完成复杂运算。xCORE中每个Tile可以管理8个核,并且通过其特有的xConnect功能,可将多个XMOS芯片进行级联,对开发者而言,可看做成一个具有更多核的单芯片。

    I/O特性:

    XMOS的I/O具有其独特的特性,兼备FPGA和MCU的I/O特点。其具备的1bit port可用于串行的输入和输出,并且用来实现一些特别的时序操作。同时也具有多位的并行口,如4bit 、8 bit、16bit这些I/O口,这些并行I/O口用来输入输出并行数据,如外接SDRAM,TFT屏等。如上述16核的XU216就有32个1bit、12个4bit、8个8bit、4个16bit、2个32bit口。xCORE突破了常用MCU的外设限制,可像FPGA一样软件定义接口、灵活增加外设。

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    图3:xCORE接口定义示例▲

    实时性:

    xCORE还有一个不得不说的优势就是实时性非常高,传统的MCU执行中断,需要停止当前的程序运行,进行相应的入栈操作,然后执行中断程序,中断程序执行完毕后,再执行出栈工作,继续执行被打断的程序。而XMOS事件中断可以被定时器、IO口和任务来触发中断,事件一旦被触发,立即执行。并且执行触发操作的线程可继续向下执行,不被打断。在触发事件中断的处理上,显得更为实时性和低延时,在响应速度上,比传统MCU快100多倍。

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    图4:XMOS事件中断机制▲

    总的来说,“虽然XMOS实质性是多核的MCU,但是与传统的MCU相比,又大不同。XMOS独特的xCORE体系架构,硬件的RTOS运行机制,使它具备很高的执行速度,可以使用多个核来做多个算法,所以体现出有DSP的运算能力;它可以像FPGA那样灵活的配置引脚,通过软件灵活定义硬件外设,而不像MCU那样外设已经固定。因此我们说它兼具了MCU的逻辑操作、DSP的运算能力和FPGA的灵活引脚等能力。”邱松晓说道。

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    图5:XMOS具MCU、DSP、FPGA功能于一身▲

    而此特性带来的改变是,以往一些需要采用MCU、DSP和低端FPGA三颗芯片的方案,现在只用一个XMOS就能搞定。如图6所示,该系统中主要器件有一颗ARM Cortex M3 MCU,一颗DSP芯片和一颗CPLD可编程逻辑器件、一颗采样率转化芯片和一颗音频解码芯片。除了AD1895采样率转换芯片和CS8406音频解码芯片不能取代外,系统中的三个主控芯片可以用一颗XMOS芯片取代。这样的好处是,不仅整体方案成本可以大幅降低,而且也降低了设计复杂度,缩短了开发周期。而且,木瓜电子更是进一步做到:“现在我们的方案已经可以取代了AD1895,可以用软件实现SRC功能,这四个芯片撘起来的系统,用一个XMOS芯片就可以实现了,成本很有优势。”邱松晓说道。

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    图6:XMOS方案减低BOM成本和开发难度▲

    说说功耗:

    与高性能相随的往往是高功耗,那么xCORE的功耗会不会也很大?邱松晓表示:“概括来说,常用的8核XMOS芯片功耗在180mW~330mW,不算特别适合于智能穿戴等对功耗敏感的应用,并不算是低功耗的32位MCU。但是在传统的一些需要使用MCU、FPGA、DSP的场合,使用XMOS会显得功耗更低。”

    应用方案盘点

    XMOS内核性能强大、实时性非常高,外设扩展灵活,适合包括音频传输、电机控制、实时网络、麦克风阵列、USB多声道音频等对性能和实时性比较高的应用场合。目前XMOS推出有两代产品,最新的产品系列是xCORE200,在性能和价格上都比第一代xCORE有优势。

    xCORE200产品可以分为L系列、U系列和Ethernet系列,其中L系列为通用系列,适合做接口扩展以及伺服电机控制方面的应用;U系列为USB系列,即在L系列的基础上集成了USB 2.0 PHY芯片,外部USB差分信号可以直接接到XMOS芯片;而Ethernet系列带有千兆以太网控制器,在U系列的基础上添加了千兆以太网控制器,但内部没有集成Ethernet PHY芯片,需要外接。Ethernet系列产品适合做需要千兆以太网的产品,如1000M带宽的AVB方案。

    接下来看看采用XMOS芯片开发的典型应用方案。

    USB Audio

    XMOS芯片最为知名的应用莫过于USB Audio方案,包括HiFi级别的耳放、USB耳机、HiFi级音响、专业录音设备、电脑/手机外置声卡等。XMOS USB Audio在数字音频上可实现高达384khz的采样率,且可灵活实现多种音频接口,如IIS、DSD、S/PDIF和MIDI等。该方案在音频行业内得到了非常高的认可,得到包括哈曼、IFI、OPPO、索尼等国际品牌采用。

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    图7:XMOS USB Audio方案应用▲

    XMOS USB Audio方案最新应用是USB耳机。可以看到最近不断有手机厂商新发布的手机支持Type-C接口,而且音频传输直接使用Type-C接口,以取代原有的3.5mm耳机口。实际上在Type-C之前就有耳机厂商使用USB2.0/1.0的接口设计USB耳机,主要针对的市场是USB游戏耳机和发烧级耳机,由于手机3.5mm的耳机口取消,USB耳机将会成为大众的选择,高清无损数字音频传输将会让更多消费者获得Hi-Fi级音乐享受。

    XMOS为此应用最新发布了小封装、低功耗的XU208芯片,据悉已经得到不少耳机厂商的青睐。使用此方案的USB耳机可以实现高达384KHz采样率,而普通耳机一般只有44.1KHz采样频率(采样率越高,音质越好)。结合XMOS的DSP运算能力,还可以实现3D增强效果、主动降噪、多声道环绕等算法来使得USB耳机呈现更优越的音频效果。


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    图8:USB 耳机架构▲

    XMOS USB耳机方案的硬件架构清晰简单,使用XU208作为主控来完成USB解码、数字音频传输和算法,外置的DAC实现数字模拟转化,使用2路PDM麦克风实现录音功能,按键实现相应的控制,可兼容Window、MAC和android平台。

    麦克风阵列

    XMOS的麦克风阵列方案以其芯片的灵活性突破了传统MCU的I/O限制,单芯片可以实现16个I2S或PDM来实现扩展高达32个麦克风的阵列,配合beam forming、噪声消除、回音消除等DSP算法来实现诸如声源定位、远场拾音等功能,为高性能的语音识别做好前端的优质处理,可适用于视频会议摄像头的定位、安防监控摄像头定位、机器人定位、家庭管家等。

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    图9:传统MCU麦克风方案与XMOS 麦克风方案对比图▲

    与传统MCU麦克风方案相比,一个32位MCU连接麦克风通常为4个,同时需要增加DSP,加长开发流程和增加成本。而XMOS是单芯片方案,不仅具有出色的性能,同时可以缩短软硬件设计周期和降低硬件成本。

    伺服电机控制

    XMOS高实时性的特点,非常适合应用于多路伺服电机控制,可具备Ehercat、CAN等通信接口,并实现FOC等电机控制算法。适用于机器人、机械手、无人机等产品。例如在无人机中,四个手臂分别需要四个MCU来实现电机驱动,但是XMOS单芯片可定义24个I/O作为电机的PWM信号输出,实现4路电机驱动。

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    图10:XMOS伺服电机方案架构示例▲

    还有很多……

    当然XMOS的应用还有很多,如以太网会议系统、调音台、车载娱乐系统、直播音频传输系统等AVB方案;短信猫、车载CAN扩展、动环监测以及医疗设备、工业机器手臂等等实时性要求高、系统复杂的工业应用。“XMOS能实现的应用还有很多很多,没有做不到,只有想不到。”邱松晓说道。

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