Система на кристалле и процессорный модуль с Cortex A5

Микропроцессорные системы не обходятся без применения высокоскоростного интерфейса обмена данными между процессором и оперативной памятью. Разработка интерфейса связи с DDR памятью сопряжена решением вопроса обеспечения целостности сигналов (обеспечение временных параметров, снижением джиттера, согласование импедансов и пр.). У некоторых компаний-производителей в составе продукции есть SiP (System in Package) – процессоры со встроенной памятью SDRAM/DDRAM. Примерами такого решения являются PIC32MZ DA и SAMA5D2 от компании Microchip.

Рис. 1. SIP-процессор SAMA5D2 со встроенной памятью DDR2 от компании Microchip

Семейство SiP-процессоров SAMA5D2 на основе ядра Arm® Cortex®-A5 может включать в себя DDR2 или LPDDR2, в зависимости от конкретной модели. Использование встроенной скоростной памяти позволяет избежать необходимости разводки интерфейса высокоскоростного обмена данных с внешней памятью. Это дает целый ряд преимуществ: ускорение разработки, гарантированное соблюдение ЭМС (при правильной разводке питания), уменьшение места, занимаемого на печатной плате, повышение экономической эффективности и т. д. Согласование импедансов производится проектировщиком системы на кристалле, что обеспечивает стабильную работу системы в любых режимах. Благодаря более высокому уровню системной интеграции данное решение имеет меньшие корпуса с меньшим числом выводов и является более оптимальным для приложений с ограниченными пространствами.

Рис. 2. SiP-процессор SAMA5D2.

Компания Microchip предлагает SiP-процессоры с различными типами памяти, как LPDDR2, так и DDR2 различных объёмов, что позволяет выбрать подходящий продукт под решаемую задачу. Память DDR2 имеет более простое управление питанием, чем LPDDR2 или DDR3. DDR3, в отличие от DDR2 и LPDDR2, требует дополнительного внешнего источника питания 1,5 или 1,35В. В SiP микросхемах некоторых производителей включен DC-DC преобразователь для возможности использовать DDR3, но при таком решении увеличиваются габаритные размеры и потребляемая мощность системы. Исходя из указанных соображений Microchip использует в своих микроконтроллерах DDR2 и LPDDR2.

Использование LPDDR2, в свою очередь, подразумевает более низкое потребление и более высокую производительность за счёт 32-битной шины обмена данными между микропроцессором SAMA5D2 и оперативной памятью. Таким образом, при небольшом увеличении ценовой составляющей значительно возрастает производительность и снижается энергопотребление.

Четыре возможных объёма памяти доступны для SAMA5D2 (128 Мб, 512Мб, 1 Гб и 2 Гб) и оптимизированы для использования в определённых целях: низкоуровневые системы (bare metal), операционные системы реального времени (RTOS) и Linux-приложения. Для использования SAMA5D2 на базе Linux достаточно 512 Мб памяти, и 1 Гб при добавлении графического интерфейса. Варианты с использованием 1 и 2 Гб памяти обеспечивают запас для будущих обновлений и оптимизации кода. Для низкоуровневых систем и систем реального времени 128 Мб обычно более чем достаточно.

Таблица 1. Процессоры серии SAMA5D2x.

Для сокращения времени выхода на рынок за счёт упрощения схемотехнического проектирования и разработки программного обеспечения Microchip предоставляет односторонние SOM-модули (System-on-Module) (см. рис. 3).

Рис. 3. SAMA5D27-SOM1

SOM-модули реализованы полностью на микросхемах компании Microchip. Поэтому, если разработчик захочет организовать собственное производство модулей, обеспечивается доступность необходимых компонентов от одного производителя.  Использование таких модулей упрощает разработку основной печатной платы, снижая сложность, риски и затраты. К основным компонентам модуля относятся микросхема управления питанием, Ethetnet PHY, QSPI Flash, EEPROM с MAC адресом и необходимая обвязка. Такой модуль можно использовать:

• Как готовое изделие, размещаемое на материнской плате:

- для обоснования концепции нового продукта;

- для прототипирования;

- в конечном продукте (экономически эффективно для мелкосерийного производства).

• В качестве эталонного проекта, поддерживаемого бесплатными схемами, проектами и файлами Gerber, а также полным перечнем материалов, доступным онлайн (экономически эффективно для крупносерийного производства).

Для быстрого ознакомления с SIP-микропроцессорами семейства SAMA5D2 и SOM-модулем ATSAMA5D27-SOM1 компания Microchip предоставляет отладочную платформу ATSAMA5D27-SOM1-EK1 (см. рис. 4). На отладочной плате установлен SOM-модуль и широкий набор различных микросхем и функциональных блоков:

• SOM-модуль ATSAMA5D27-SOM1, включающий в себя:
• Микропроцессор ATSAMA5D27C-D1G-CU;
• Микросхема управления питанием MIC2800-G4JYML для формирования напряжений питания для всех узлов схемы (CPU, VDD I/O и SDRAM);
• QSPI –FLASH SST26VF064B-104I/MF объемом 64 Мб для хранения загрузчика (Linux или RTOS);
• Микросхема Ethernet PHY KSZ8081RNAIA 10Base-T/100Base-TX для проводных Ethernet-соединений;
• EEPROM память с MAC адресом 24AA02E48T-I/OT объёмом 2 кб;
• Устройство аутентификации (крипточип) ATECC508;
• USB: 1x USB хост, 1x USB устройство, 1x USB HSIC;
• CAN-трансивер ATA6561;
• Разъемы: RJ45 для Ethernet; 50-выводной разъем для подключения ЖК TFT-дисплея, разъем для подключения камеры, сокет для SD card и microSD;
• Отладчик JLINK-OB и JLINK-CDC, интерфейс JTAG;
• Четыре кнопки;
• Полноцветный RGB-светодиод;
• Питание от USB или от суперконденсатора.

Рис. 4. Отладочная плата SAMA5D27-SOM1-EK1

Модуль SAMA5D27-SOM1 включает в себя важные элементы инициализации и конфигурации для работы с Linux, которые обеспечивают более простой и безопасный процесс настройки. В качестве поддержки предоставляется дистрибутив Linux, файлы конфигурации и описание действий step-by-step, которые необходимо выполнить для корректной работы платформы на базе Linux: http://www.linux4sam.com. Благодаря данным ресурсам у разработчика не возникнет проблем с запуском устройства, даже если он впервые сталкивается с разработкой на базе платформы SAM.

Таким образом, SiP-процессоры и SOM-модули компании Microchip позволяют решить целый ряд проблем при разработке продукта, удешевляя, упрощая и снижая риски. При этом разработчику предоставляются обширные материалы как для работы с готовыми продуктом, так и для разработки своего.