Мультиядерные процессоры компании Texas Instruments семейства 66АК2Х

Опубликовано в номере:
PDF версия

Компания Texas Instruments (TI), являясь одним из лидеров западной электронной промышленности, предлагает широкий спектр различных процессоров и проектных решений, оптимизированных для разработки и построения практически любых встроенных систем. В обзоре представлены выпускаемые в настоящее время компанией TI процессоры и уделено особое внимание новому мультиядерному семейству 66АК2х.

perechen-protsessorov-ti

Рис. 1. Перечень процессоров, выпускаемых компанией TI

На рис. 1 показан обобщенный перечень выпускаемых процессоров, а также место в этом перечне семейства 66АК2х.

Процессоры для специальных применений включают два подсемейства: для автомобильных приложений и для коммуникационного оборудования.

Основной упор в процессорах автомобильного применения делается на реализацию полного информационно-развлекательного функционала. В этом плане компания TI предлагает очень большой портфель решений для построения аналоговых и цифровых систем обработки звука, систем навигации, мониторинга и диагностики состояния автомобиля, информационно-развлекательных комплексов, АМ/ФМ радио, USB и Bluetooth интерфейсов. При этом, предлагаемые решения сочетают весь функционал в едином модуле.

В области построения коммуникационного оборудования TI предлагает решения для беспроводных систем, цифрового радио, общественной безопасности, военного применения. Предлагаемые решения обладают относительно низкой стоимостью, высокой производительностью, масштабируемостью, низким энергопотреблением и охватывают широкую область инфраструктуры связи.

Процессоры Sitara предназначены для построение масштабируемых серверных решений на базе платформы ARM Cortex Ax, при этом реализуется широкий набор периферийных модулей и вариантов подключения, а также обеспечивается поддержка Linux и систем реального времени.

Компания TI предлагает четыре поколения данного процессора, обеспечивая оптимальный баланс, стоимости, производительности и функциональности. Основные характеристики каждого поколения приведены в таблице 1.

harakteristiki-protsessorov-sitara

Таблица 1. Основные характеристики процессоров Sitara

Цифровые сигнальные процессоры (DSP), выпускаемые компанией TI, обладают высокой производительностью, обеспечивают обработку сигналов в реальном времени, реализуют возможность эффективного управления энергопотреблением и позволяют выполнять масштабируемые решения. Процессоры предназначены для систем обработки аудио- и видеоданных, систем биометрии, валютных детекторов, мобильных радиостанций, оборудования индустриальной автоматики, систем машинного зрения, портативных медицинских приборов, тестирующего и измерительного оборудования, авионики, высокопроизводительных вычислительных кластеров для обработки сигналов различной природы.

Кроме самих процессоров, компания TI предлагает дополнительное программное обеспечение, а также развитую систему технической поддержки, что облегчает программирование новых устройств, повышает их производительность и сокращает срок разработки изделий в целом.

Выпускаются пять подсемейств DSP:

  1. Процессоры со сверхнизким энергопотреблением.
  2. Одноядерные процессоры.
  3. Многоядерные процессоры.
  4. Мультимедийные процессоры.
  5. Мультиядерные процессоры.

Основные характеристики каждого подсемейства приведены в таблице 2.

harakteristiki-protsessorov-semejstva-dsp

Таблица 2. Основные характеристики процессоров семейства DSP

Цифровые сигнальные процессоры со сверхнизким энергопотреблением предназначены в первую очередь для реализации всевозможных носимых устройств — от различных гаджетов, вроде аудиоплееров, «умных» часов и прочего до биометрических датчиков и различных медицинских устройств.

К особенностям семейства относится сверхнизкое энергопотребление (следует заметить, сверхнизкое относительно других DSP), выполнение вычислений с фиксированной точкой, наличие аппаратного ускорителя БПФ, аудио- и речевых кодеков, большой библиотеки математических функций, интегрированного регулятора LDO, а также малые размеры.

Одноядерные DSP обладают большей производительностью, но в то же время и большим энергопотреблением, чем предыдущее семейство. Основные области применения для них — биометрия, медицинские приборы, мобильное радио, детекторы валют.

Данные процессоры отличаются сравнительно низким (с учетом обеспечиваемой производительности) энергопотреблением, возможностью повторного использования программного кода процессоров предыдущего поколения C64x/C67x, наличием сопроцессора PRU, пиновой совместимостью с процессорами OMAP-Lx (не путать с OMAP из мультимедийного семейства), возможностью защиты программного кода.

Многоядерные процессоры реализуют новую многоядерную и многослойную архитектуру систем на чипе (SoC). Они являются основой семейства процессоров, ориентированных на построение сложных приложений коммуникационной инфраструктуры, например, на их основе может быть реализован функционал базовых станций для мобильной связи.

Интеграция модулей, выполняющих операции с фиксированной и плавающей запятой в одном ядре, позволяет фундаментально изменить построение алгоритмов. Стало возможным переносить алгоритмы, разработанные с плавающей точкой в таких программах, как Matlab, без кропотливой работы по их приведению к фиксированной точке.

Мультимедийные процессоры включают два класса: DaVinci и OMAP.

Процессоры DaVinci предназначены для проектирования и построения таких приложений, как кодирование/декодирование/перекодирование видео, систем видеонаблюдения, устройств для видеоконференций, оборудования для медиасерверов.

Ключевая особенность процессоров DaVinci заключается в наличии нескольких сопроцессоров обработки видео и изображения формата HD (HDVICP2). Каждый сопроцессор может кодировать/декодировать один видеопоток кодеком H.264 в формате 1080p60 или несколько видеопотоков в более низком разрешении либо с более низкой частотой кадров.

Кроме того, процессоры DaVinci включают ядро ARM с расширением NEON. Наличие ядра ARM позволяет разработчикам реализовать алгоритм управления функционалом обработки видео- и аудиосигналов на ядре DSP.

Процессоры OMAP характеризуются низким энергопотреблением, обеспечивают поддержку нескольких операционных систем. Их архитектура основана на использовании ядер Cortex-A8/9/A15 и содержит сопроцессоры для ускоренной обработки графики, ядра ARM Cortex-M3/4, контроллер дисплея, блок управления памятью (MMU) и модуль виртуальных прерываний, позволяющий реализовать функционал гипервизора.

Основная область применения — промышленность, автомобильные информационно-развлекательные системы, создание сенсорных экранов и систем обработки видео.

И наконец, мультиядерные. Эти процессоры построены на двух типах ядер — DSP и ARM. Семейство состоит из двух классов: OMAP-Lx и 66AK2x.

Особенностями процессоров OMAP-Lx является использование ядер ARM9 и C674x, что позволяет реализовать раздельное проектирование системы управления и обработки на одном чипе. Кроме того, процессоры обладают сравнительно низким энергопотреблением, совместимы по выводам с процессорами TMS320C674x и обеспечивают подключения по интерфейсам USB2.0, Ethernet 10/100, SATA, имеют видеопорт и поддерживают защиту кода.

Основные области применения процессоров OMAP-Lx — построение аудиосистем, создание малогабаритных радиостанций, оборудование индустриальной автоматизации, детекторы валют, биометрия, тестирующие и измерительные приборы, системы защиты электропитания, портативное медицинское оборудование, системы сбора и первичной обработки данных различного типа.

Основные характеристики процессоров OMAP-Lx представлены в таблице 3.

harakteristiki-multiyadernyh-protsessorov-omap-lx

Таблица 3. Основные характеристики мультиядерных процессоров OMAP-Lx

 

Программная и пиновая совместимость процессоров

Процессоры 66AK2x являются одним из самых мощных и универсальных решений, предлагаемых компанией TI. В их архитектуре используются ядра DSP C66x и ARM CortexA15, чье количество варьируется в зависимости от модификации. Процессоры могут включать до четырех ядер ARM с сопроцессором NEON и до восьми ядер DSP C66x, выполняющих вычисления с фиксированной и плавающей точкой, имеют большой объем встроенной памяти, сетевой сопроцессор (NetCP), модуль криптозащиты, встроенный модуль быстрого преобразования Фурье, поддерживают широкую номенклатуру быстрых внешних интерфейсов (Gigabit Ethernet, PCIe, Serial RapidIO, USB3.0 и т. д.).

Данное семейство предназначено для использования в авионике, оборонной промышленности, устройствах связи и телекоммуникации, высокоточных измерительных и тестирующих приборах, медицине, облачных вычислениях — словом, во всех областях, где требуется высоко-производительные вычисления с возможностью распараллеливания алгоритмов и их разделения на управляющую и обрабатывающую части.

Перечень всех выпускаемых на момент написания статьи процессоров 66AK2x и их краткие характеристики приведены в таблице 4.

harakteristiki-multiyadernyh-protsessorov-66ak2x

Таблица 4. Основные характеристики мультиядерных процессоров 66AK2x


Комментарий специалиста

sergey_gavrilenkoСергей Гавриленко, руководитель департамента активных компонентов холдинга PT Electronics, sergey.gavrilenko@ptelectronics.ru

В статье представлен обзор основных линеек цифровых сигнальных процессоров производителя Texas Instruments. Особое внимание советую обратить на новинку мультиядерных процессоров семейства keystone2, это одно из самых мощных и универсальных решений на российском рынке. Данные микросхемы могут найти свое применение в различных сегментах: Авионике, телекоммуникации, измерительной технике и т. п. Семейство мультиядерных процессоров привлекательно не только своими характеристиками и возможностями, но и демократичной ценой. Keystone 2 – как и большая часть продукции Texas Instruments – доступны для ввоза в РФ.


 

multiyadernaya-arhitektura-keystone

Рис. 2. Мультиядерная архитектура KeyStone

Процессоры 66AK2Hx представляют собой систему-на-кристале (SoC), основанную на мультиядерной архитектуре компании TI второго поколения (KeyStone II). Блочная схема этой архитектуры показана на рис. 2

Базовыми элементами архитектуры KeyStone являются пакеты ядер ARM и DSP (ARM CorePac/DSP CorePac), пакет аппаратных ускорителей (AccelerationPac), система управления общей памятью (Multicore Shared Memory Controller — MSMC), система управления пакетами ядер и акселераторов (Multicore Navigator), шина обмена данными (TeraNet), коммутатор периферии и входов/выходов (Switching and I/O).

Архитектура Keystone предоставляет уникальные возможности для реализации неоднородных высокопроизводительных приложений на основе многоядерной инфраструктуры. Контроллер общей памяти (MSMC) обеспечивает минимальное время доступа при выполнении операций чтения/записи. Шина TeraNet имеет высокую пропускную способность и поддерживает неблокирующую передачу данных между отдельными модулями процессора. Система управления пакетами ядер (Multicore Navigator) предоставляет прямой доступ к памяти (DMA) и позволяет эффективно управлять ресурсами ядер ARM и DSP, планировать задания и выполнять диспетчеризацию при создании программного кода. Коммутатор периферии гибко конфигурирует интерфейсные модули и вводы/выводы процессора под решение конкретной задачи.

Кроме самой физической платформы, архитектура Keystone для получения максимального эффекта дополнена пакетом программного обеспечения Multicore Software Development Kit (MCSDK). Этот пакет помогает разработчику значительно сократить время выхода его продукции на рынок за счет предоставления набора базовых программных компонентов, необходимых при создании кода изделия, простого API и демонстрационных примеров. Предоставляемый программный код уже оптимизирован с точки зрения его применения на многоядерной элементной базе.

MCSDK поддерживает операционные системы SYS/BIOS RTOS от TI для ядер C66x DSP и Linux для ядер ARM. Кроме того, предоставляются низкоуровневые драйверы, оптимизированные библиотеки для различных математических функций, библиотеки для анализа, отладки и мониторинга в реальном времени. На рис. 3 показаны основные компоненты MCSDK.

osnovnye-komponenty-mcsdk

Рис. 3. Основные компоненты MCSDK

modifikatsii-arhitektury-keystone-ii-protsessorov

Рис. 4. Модификации архитектуры KeyStone II процессоров 66AK2x: а) 66AK2Hx; б) 66AK2Lx; в) 66AK2Ex

Подробно все составляющие программного пакета MCSDK рассматривать не будем. Это тема для отдельной статьи, и даже не для одной. Но хотелось бы отметить главное. Пакет поддерживает межъядерные связи (intercore communication — IPC) и запуск программ в режиме реального времени (Open Even Machine — OpenEM).

Наличие программной и аппаратной поддержки межъядерных связей, которая базируется на управлении общей памятью и процессорными ядрами, является основой мультиядерного программирования, а в сочетании с OpenEM позволя-ет легко реализовать стандарт про-граммирования OpenMP (Open MultiProcessing) и платформы OpenCL (Open Computing Language).

Как уже отмечалось, семейство 66AK2Hx использует многоядерную архитектуру второго поколения (KeyStone II) в отличие от предыдущих, данные процессоры действуют на тактовых частотах до 5,6 ГГц для ARM-ядер и до 9,6 ГГц для DSP-ядер. Такая производительность сочетается с возможностью безопасной обработки и коммутации пакетов Ethernet, меньшей потребляемой мощностью по сравнению с многокристальными решениями. Кроме того, процессоры сочетают обработку с плавающей и фиксированной точкой, обеспечивая производительность свыше 63 GFLOPS с двойной точностью и более 198 GFLOPS с одинарной точностью — это лучший показатель отношения производительность на ватт в отрасли!

Помимо высокой производительности для потребительских приложений критична и доставка данных пользователю. Процессоры 66AK2Hx включают в свой состав не только высокоскоростные сетевые интерфейсы, но и сетевые коммутаторы: имеется пятипортовый коммутатор для сети 1 Гб и трехпортовый для сети 10 Гбит, причем на аппаратном уровне, не задействуется ресурс ядер ARM и DSP, реализовано шифрование и дешифрование пакетов данных. Обеспечиваются и другие высокоскоростные интерфейсы, такие как RapidIO и PCIe.

Для того чтобы реализовать весь потенциал мультиядерной архитектуры, спроектирована шина TeraNet, поддерживающая скорость обмена свыше 2 Тбит/с. Дополняет шину контроллер общей памяти (MSMC), который выполняет неблокируемую передачу данных с коррекцией ошибок и поддерживает работу памяти на скорости процессорных ядер.

Обмен данными между несколькими чипами, построенными на архитектуре Keystone, обеспечивает интерфейс HyperLink. Он позволяет передавать данные на скоростях до 50 Гбод.

В заключение этого краткого обзора приведем три модификации архитектуры процессоров семейства 66AK2x, выпускаемых в настоящее время: 66AK2Hx, 66AK2Lx и 66AK2Ex. Эти модификации показаны на рис. 4

Отличие заключается в различном наборе ядер ARM, DSP, модулей периферии, размере памяти и количестве акселераторов. Модификация 66AK2Hx предлагает максимальную производительность, 66AK2Lx делает акцент на реализацию классических задач цифровой обработки сигналов, а 66AK2Ex — это процессор, предназначенный в первую очередь для решения задач промышленной автоматизации.

 

Литература

  1. SPRY231. Accelerate multicore application development with KeyStone software.
  2. SPRY651a. 66AK2Hx KeyStone™ Multicore DSP+ARM®System-on-Chips.
  3. SPRY133. Realizing full multicore entitlement.
  4. SPRY580a. TMS320C66x DSP generation of devices.
  5. www.ti.com/lsds/ti/processors/overview.page
  6. www.ti.com/lsds/ti/processors/dsp/overview.page
  7. www.ti.com/lsds /ti/processors/dsp/c6000_ dsp -arm/66ak2x/overview.page
  8. www.ti.com/ww/ru/prod_dsp_keystone_arm_ovw.html
  9. ru.wikipedia.org/wiki/OpenCL
  10. ru.wikipedia.org/wiki/OpenMP

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *