Accessori analogici a supporto di ARM SoC

In una applicazione embedded che necessita di molteplici funzionalità analoghe, è bene considerare quanto può essere funzionalmente collocato esternamente al chip.

Tutti i System on Chip (SoC) basati su ARM necessitano, in qualche parte del sistema, di funzioni analogiche e, poiché la migrazione verso sistemi embedded a basso costo continua a spingersi verso livelli sempre più bassi, la preoccupazione sulla quantità di integrazione sul chip, in comparazione con la funzionalità di sistema, inizia a sollevare alcuni quesiti. Sia l’ARM7 che l’ARM9 sono esempi primari di core embedded a 32-bit che si sono guadagnati una grande notorietà per il supporto di linguaggi ad alto livello, di compilatori con una eccellente capacità di ottimizzazione del codice ed elevate prestazioni di elaborazione. Ora è tempo di volgere l’attenzione su quello che si trova all’esterno del core stesso poichè i progettisti devono considerare, in base alle esigenze di integrazione del loro SoC, quanto può essere funzionalmente collocato esternamente al chip, sopratutto quando si ha necessità di un ricco insieme di funzionalità analogiche.

PERCHÉ SCEGLIERE UN  CORE ARM PER  APPLICAZIONI EMBEDDED?

SoC basati su ARM embedded sono oggi considerati la pietra di paragone di una tecnologia presente ovunque con una serie impressionate di core unici, che numericamente superano la ventina, supportati da una ricca scelta di blocchi IP (Intellectual Property), tipologie di bus, piattaforme multiple ed una serie di sistemi di sviluppo tutti facilmente disponibili attraverso la “ARM Connected Community”. I core ARM sono riconosciuti alla grande come standard industriale in quanto si tratta di tecnologie collaudate dall’utilizzo di miliardi di SoC impiegati in molte applicazioni a livello mondiale. Alcuni dei punti di forza chiave del processore ARM comprendono:

  • Superiore rapporto MIPS per Watt anche in presenza di funzioni di elaborazione intensive consente l’esecuzione di algoritmi complessi pur mantenendo la generazione di calore al minimo e massimizzando quindi la vita della batteria.
  • Economico in MIPS per $ per una vasta maggioranza di SoC.
  • Densità di codice tra i migliori della categoria facendo leva sulla loro architettura Thumb a 16-bit  per avere un secondo set di istruzioni “molto ridotto”.

Le strutture a loop e/o i codici altamente ricorsivi che usano il set di istruzioni ARM a 32-bit aumentano il consumo di energia, quindi tecniche software che decidano se utilizzare il set di istruzioni ARM o Thumb sono strategici. Sebbene lo stato Thumb offra i consumi minori, parti di codice critici nei tempi, come routine di gestione degli interrupt, devono essere ancora scritti con istruzioni ARM.

  • Eccellente matematica a virgola fissa (DSP) prestazioni raggiunte, in parte, dalla combinazione di operazioni matematiche ad   alta   velocità, capacità di moltiplicazione migliorate e barrel shifter.
  • La capacità  di  controllare  in modo accurato ed efficiente i consumi  di  energia  di  ogni SoC ARM per mezzo della tecnologia  PowerWise(R) di National Semiconductors.

PowerWise(R) è Analogica ad Alte Prestazioni

Fondamentalmente  l’obiettivo di livello superiore della tecnologia  PowerWise è   quello   di estendere la vita delle batterie di ogni  apparecchiatura  portatile basta su SoC ARM. Per ottenerlo viene  utilizzato,  in  forma  di macrocella   sintetizzabile,  un Advanced   Power   Controller (APC) conforme al bus AMBA(R) che compensa automaticamente e minimizza la tensione dinamica  e  scala  la  frequenza  in tempo  reale  sulla  base  delle condizioni  del sistema. L’APC, insieme ad  un  SoC ARM con tensione dinamica e scalabilità della frequenza più  il software ARM IEM™ (Intelligent Energy Manager), può ridurre ulteriormente la domanda di consumo di potenza ed energia verso la batteria fino al 25-30%. L’APC comunica con una unità esterna di gestione dell’energia (Power Management Unit PMU) (Figura 1) per mezzo di una interfaccia a standard aperto PWI.

Figura 1. Il Sistema “Adaptive Voltage Scaling” per Controllori Embedded

Figura 1. Il Sistema “Adaptive Voltage Scaling” per Controllori Embedded

La PMU fornisce il livello minimo di tensione necessaria all’SoC ARM, minimizzando la potenza statica e dinamica del sistema ed i consumi di energia.

ACCESSORI ANALOGICI AD ALTE PRESTAZIONI PER  SOC ARM

Negli ultimi anni è stato scritto molto delle svariate PMU (Power Management Unit) ad alte prestazioni  per supportare i core ARM sebbene questo  sia di  gran lunga solo una piccola parte del puzzle di “accessori analogici” che aiutano a migliorare i livelli prestazionali dei  sistemi.

  1. L’LPC2148 è un SoC di NXP Semiconductors basato su ARM7 che si può trovare in una varietà di applicazioni finali che comprendono terminali POS (Point  Of   Sale),   controllo accessi, unità di controllo industriali ed una serie estesa di apparati per comunicazione. In ognuna di queste applicazioni il sistema di gestione della potenza, che alimenta il core e le periferiche sul chip, è critica per l’LPC2148. In Figura 1 viene mostrato l’LM3670, convertitore  DC-DC  step-down, la  simulazione dal web (WEBENCH ) e gli schemi per supportare le esigenze di alimentazione dell’ LPC2148. L’elevata frequenza di commutazione dell’LM3670 (2MHz) fa sì che l’induttanza esterna sia più piccola e che l’ingombro globale del sistema sia ridotto. Questo  rende  la  soluzione completa più compatta che in molti dispositivi portatili. Con una corrente di 350mA ed una efficienza fino al 95% su tutto l’intervallo di carico, l’LM3670 è molto efficiente sia in standby che in operazione con transitori di under/overshoots (Figura 2) trascurabili. Questo è ideale per i SoC ARM che spendono gran parte del tempo operativo in modalità stand-by.L’LM3670 offre anche un passaggio intelligente tra le modalità “PWM a basso-rumore” e “PWM a bassa-corrente”  e, come tale, è ottimizzato per alimentare circuiti a tensione ultra-bassa da batterie a cella singola Li-Ion o 3 celle NiMH/NiCd.

    Figura 2. Simulazione WEBENCH ® e schema per l’ LM3670 che Alimenta l’LPC2148 di NXP

    Figura 2. Simulazione WEBENCH ® e schema per l’ LM3670 che Alimenta l’LPC2148 di NXP

  2. L’AT91SAM9260  è  un  SoC basato du ARM7 di Atmel ed è un altro esempio importante di come le prestazioni analogiche di National soddisfino le esigenze di periferiche esterne, riducendo il time to market per i progettisti di sistemi. Con un MAC Ethernet 10/100 integrato sull’ AT91 esiste la fondamentale necessità di una interfaccia fisica esterna o PHY. È qui  che  il  DP8384810/100 Ethernet PHY (Figura 3) aggiunge valore al sistema essendo ottimizzato  per  prestazioni  su lunghezze di cavo che superano di gran lunga le specifiche IEEE e la presenza di un clock di riferimento di uscita a 25MHz che elimina la necessità di un clock  separato per il MAC Ethernet 10/100 integrato. Diverse modalità intelligenti di “power down” aiutano a ridurre i consumi globali. Una di queste modalità rileva quando non c’è energia sul cavo Ethernet e pone il dispositivo in una modalità sleep. Una ulteriore modalità è accessibile attraverso i registri o i pin così che l’applicazione può alimentare o meno il dispositivo. Grazie alla diminuita dissipazione di potenza si aumenta l’affidabilità globale del prodotto, ed un sistema di interrupt flessibile nell’interfacciamento con l’AT91 consente al layer fisico PHY di essere posto in modalità “low power” quando il controllore entra in modalità “sleep”.

    Figura 3. DP83848 Interfaccia Ethernet 10/100 PHY per l’ AT91SAM926 di Atmel

    Figura 3. DP83848 Interfaccia Ethernet 10/100 PHY per l’ AT91SAM926 di Atmel

  3. Il processore applicativo i.MX1 è un SoC basato su ARM9 di Freescale Semiconductor (ora NXP) tagliato per un’ampia gamma di applicazioni finali comprese le apparecchiature medicali. Il supporto di interfacce utente con schermi tattili, connettività wireless a corto raggio, display a colori, toni udibili ed allarmi e portabilità, che vuol dire vita più lunga per le batterie, sono tutte parte dell’esperienza di interazione degli apparati medicali. La Figura 4 mostra una applicazione medicale generica che utilizza l’i.MX1 che supporta  un controllore LCD e per schermi tattili sul chip ed interfacce seriali quali l’I2C e l’SPI per facilitare il collegamento alle funzioni analogiche interne all’intero sistema: nella fattispecie il convertitore A/D a 12bit ad alta risoluzione di National (ADC124S101), il convertitore  D/A a 12-bit  ad alta risoluzione (DAC124S085), il supporto  dell’amplificatore audio LM4820 e la soluzione di gestione della potenza che meglio si adatta. Questo pacchetto di funzioni analogiche ad alte prestazioni consente a Freescale di differenziare competitivamente la loro soluzione di sistema i.MX1 e fornisce una varietà di caratteristiche  di interfacce uomo ai loro clienti di prodotti medicali.
    Figura 4. Sistema Medicale Generico con i.MX1 di Freescale che usa l’Analogica ad Alte Prestazioni di National

    Figura 4. Sistema Medicale Generico con i.MX1 di Freescale che usa l’Analogica ad Alte Prestazioni di National

     

  4. I sensori di temperatura possono sempre migliorare l’affidabilità di sistema di ogni SoC basato su ARM e con le geometrie correnti dei chip nell’area del submicron il costo dell’aggiunta dei ventilatori esterni di raffreddamento per l’adeguata protezione del SoC da sovratemperature sale continuamente. Per contrastare questo aumento dei costi di sistema è stato introdotto la tecnologia TruTherm™ per la gestione termica per avere una misura della temperatura puntuale ed accurata sui chip che integrano i diodi termici. Questo non solo consente ai progettisti di raggiungere prestazioni superiori di sistema ma anche di allungare la vita del sistema e ridurre il rumore acustico. Un esempio significativo di un sensore di temperatura digitale TruTherm è l’LM95235 a 11-bit con interfaccia a 2-fili SMBus (System Management Bus). L’LM95235 può essere utilizzato per monitorare in modo accurato la temperatura di SoC ARM, come i processori grafici, per mezzo del diodo termico che si trova tipicamente nelle geometri da 90nm ed inferiori. L’LM95235 misura la temperatura in due formati diversi per gli intervalli +127,875°C/-128°C e 0°C/255°C.

 

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