Freescale

Procesory ARM: moderní trendy
vývoje systémů a aplikací
aneb jak být neviditelný, ale všudypřítomný
Ing. Jiří Kotzian Ph.D | Systémový a aplikační inženýr
2 6 . 11 . 2 0 1 5
TM
External Use
Agenda
•
Představení
•
Procesory ARM
•
Procesor / Kontrolér / SoC
•
Využití procesorů ARM ve Freescale
•
Co je důležité
•
Q & A & demo
TM
External Use |
1
Představení
TM
External Use |
2
Ing. Jiří Kotzian Ph.D
•
•
•
•
•
Ve Freescale 5 let
S Freescale produkty pracuji 15+ let
− HC12, HCS08, HCS12, i.MX3, PX, VF, i.MX6,7, (8)
Kupson: vývojové oddělení
VŠB-TUO: CPTI, K450
Ve Freescale Systémový a aplikační inženýr
− MCU aplikační tým 2 roky
Power Architecture (PX family)
 Tower system
•
•
•
Vybrid (core team member)
 i.MX series (6DQ, DL/S, SL, SX, UL, 7D)
 EMEA DRAM expert
TM
External Use |
3
M.S.E.E. Measurement and control (Medical electronic),

Ph.D. Technical cybernetic
Czech, English, German, Russian, Polish
Publication:

•
•
aplikační tým 3-tí rok


Languages:
−

− MPU
Education:
•
57 professional publications and books (outside Freescale)
Computer skills:

Asm/C/C++, UML and Rapid prototyping,

RTOS, Linux, QNX, MQX,

QT, eGUI,

Industrial busses, PCB design
Organization skills:

Leading groups and research & development teams

More than 30 diploma works leader
Other:

Multicultural and Multilanguage team cooperation

41 years, Married, 4 children.

Hobby: table tennis, skiing, bicycle, Cars, Gardening
Úvodní otázka
Znáte Freescale z běžného života?
Ne ?
Skvělé !
Znamená to, že děláme svou práci velmi dobře.
TM
External Use |
4
Freescale worldwide
Hong Kong, New Territories
HEADQUARTERS: Oak Hill, Austin, Texas
•
•
•
•
•
•
•
•
Parmer, Austin, Texas
1952 -2003 Motorola
Ed Bluestein, Austin, Texas
(polovodičové
Chandler, Arizona
oddělení)
Tempe, Arizona
Hoffman Estates, Illinois
2004 Freescale
Novi, Michigan
Ridgeland, Mississippi
(Motorola MCU/MPU)
San Jose, California
Centrála v Austin,
Texas, USA
18500+ pracovníků
ve 20 zemích světa
16 pozice v Top 20
polovodičových firem
Číslo 1 v Embedded Jalisco, Mexico
MCU/MPU
6400 patentových sad
www.freescale.com
External Use |
5
East Kilbride, Glasgow,
Scotland, UK
Bucharest, Romania
Muenchen, Germany
Moscow, Russia
Toulouse, France
Gif-Sur-Yvette, France
Roznov pod Radhostem, Czech Republic
Brno, Czech Republic
Ottawa, Ontario
Tokyo, Japan
Taipei, Taiwan
Herzelia, Israel
Hyderabad, India
Noida, India
Bangalore, India
Petaling Jaya, Malaysia
Campinas, Brazil
TM
Beijing, China
Pudong New Area, China
Chengdu, China
Suzhou, China
Shenzhen, China
Tianjin, China
Techpoint, Singapore
Zákazníci
•
Dodavatelé technologií
•
Distributoři
•
Koncoví zákazníci
TM
External Use |
6
Zamyšlení
S osobními počítači přicházíme do styku denně, vědomě, při práci i
při zábavě. Je však mnoho dalších řídicích systémů, které nejsou
vidět – jsou vestavěné (embedded).
Jaký je podíl procesorů v oblasti osobních počítačů oproti celkovému počtu
vyrobených procesorů/kontrolérů
nápověda: To co je skryto je často mnohem důležitější.
Jsou požadavky na spolehlivost osobních počítačů stejné
jako požadavky na spolehlivost ve vestavěných systémech?
nápověda: co se stane když selže řídicí jednotka v autě?
Jaké jsou požadavky na rychlost a přesnost časování v
osobních počítačích oproti vestavěným systémům?
nápověda: co se stane když ABS zareaguje až za 1s popř. v jiných okamžicích?
TM
External Use |
7
Odpovědi
Kolem nás je mnoho zařízení které obsahují vestavěný řídicí systém s
mikroprocesorem či mikrokontrolérem.
> 90% všech vyrobených procesorů je nasazeno ve vestavěných
řídicích systémech v různých formách.
Požadavky jsou definovány velmi přísnými normami SIL,
ASIL,... Např.Pravděpodobnost selhání během hodiny 0.000000001
Odezva (latence) musí být dopředu známa a nesmí se
měnit, časování musí mít definovánu nejistotu (jitter)
TM
External Use |
8
Freescale: Internet věcí (Internet Of Things)
•
•
Návrh a výroba
polovodičů
Základní zaměření:
Traffic Monitoring
Metro Cells
Small Cells
Base Stations
Advanced
Safety
Security
− Automotive
Networked
Printers
Infotainment
− Průmysl
Radar +
Vision
− Komunikace
Cloud
Computing
− Spotřební
•
Produktové skupiny
Home Health
Monitors + Fitness
− Mikrokontroléry
− Komunikační
multimediální
procesory
− RF, analog a
snímače
Enterprise Gateways,
Switchers, Routers
Data
Center
Energy Management,
Wind + Solar
a
Telehealth
Connected
Appliances
Smart Energy
Grid
Connected
Farms
Industrial
Networking
Digital Power
Conversion
Energy
Meters
Home Hubs
Security
TM
External Use |
9
Mission: Making the world smarter place
Machine – Machine
Human – Machine
Interface
Freescale je leader
TM
External Use |
10
Freescale: Nasazení produktů
•
Kobo eReader (i.MX50)
TM
External Use |
11
Kindle E-reader (i.MX6SL)
Freescale: Nasazení produktů
•
I.m Watch (i.MX233) – smartphone terminal
•
GoPro HERO3+ Cameras, K20
TM
External Use |
12
Freescale: Nasazení produktů
•
Garmin Forerunner 10, Kinetis K10
vzdálenost, rychlost, tep, kalorie
•
Garmin Forerunner® 220|620, Kinetis K20
+ osobní asistent, vibrace při nedodržení plánu
TM
External Use |
13
Freescale: Nasazení produktů
•
Nest Protect
•
Kouř, oxid
uhelnatý
•
Hlasové varování
•
Kinetis K60, KL16
TM
External Use |
14
Freescale: Nasazení produktů
•
Bílá technika
TM
External Use |
15
Freescale: Nasazení produktů
•
Body, powertrain, entertainment....
TM
External Use |
16
Freescale Rožnov pod Radhoštěm
Celkem zaměstnanců 175
• Inženýrů 125
• Ph.D. poměr 26%
• Výborné renomé ve FSL
•
•
1950 – Tesla factory založena v
Rožnově, narostla až na >10.000
zaměstnanců
•
1995 – Založena Motorola Laboratoř
•
Center of Excellence for Motor Control, Power Conversion, Metering
Application IP Generation and Maintenance
NPI Definition
45 engineers
Auto
Actuator
(10 inženýrů)
RT SW Auto
•
2000 – Technická podpora
•
2004 – Motorola SPS se stala
Freescalem
•
2005 – Zákaznická podpora
•
2009 – přidal se tým v Brně
•
2013 – téměř 200 zaměstnanců
(Rožnov + Brno)
Auto
Connect
Quality
Tests
Industrial
MC
10 engineers
SPICE and ISO Focus
Automated Conformance and Functional Tests
70 engineers
TM
External Use |
17
From Demo Code to Professional S/W
Industrial
Connect
RT SW Ind
Freescale podstata práce v Aplikační Laboratoři
Freescale
− netvoří
Zákazník
koncové zařízení
− dodává
MCU/MPU/DSC
senzory,... (HW)
− dodává
vývojové sady
(HW+SW)
Software
− dodává
potřebné SW
nástroje (TCP/IP, USB
stack,...)
Data
Profil
es
Data
Control
Bluetooth
API
TCP
OBEX
Audio
IrMC
Data
Control
Data
Applications
Data
Control
IP
OS Specific
Interfaces
RFCOMM
SDP
BNEP
OS
TCS
Data
L2CAP
Hardware
MPU/MCU/DSC
System Expertise
System Engineering
TM
External Use |
18
BMM
HCI Layer
Data
•
Transport Layer
Architecture
Feedback & Experience
Customer Support & Customer Intimacy
Od procesoru k SoC
TM
External Use |
19
Názvosloví
•
Procesor (Processor)
•
Jádro (Core)
•
Kontrolér (Controller)
•
Mikrokontrolér (Microcontroller)
•
SoC
TM
External Use |
20
Jádra ARM
TM
External Use |
21
ARM
•
ARM founded in November 1990. ARM Advanced
RISC Machines.
−
http://reds.heig-vd.ch/share/cours/reco/documents/thehistoryofthearmarchitecture.pdf
•
ARM1 (1985) … ARMv8 in 2015 (první představení
architektury 2011)
•
Neprodává silicon
•
pouze licence (1100 licencí pro 300 společností)
•
Nabízí nástroje (Tools)
− DSTREAM
− DS-5
TM
External Use |
22
Procesory ARM - profily
•
ARMvx je architektura (instrukce)
− Load
•
store
ARM Cortex-Ax je produkt (procesor)
− Rozdílné
•
pipeline – jak se instrukce zpracovávají
Od ARMv7
− Cortex-A

MMU, NEON, Trustzone, virtualizace
− Cortex-R

Application
Real Time
MPU, nízká latence TCM, nemá virtuální paměť
− Cortex-M
Microcontroller
Nízký počet gate, low power
 Deterministické

TM
External Use |
23
Pipeline Cortex-M0+ to Cortex A72
•
CM0+ 2 stage pipeline
•
CA5 8-10 stages pipeline
TM
External Use |
24
Současné portfolio Cortex-A
TM
External Use |
25
Současné portfolio Cortex-R & Cortex-M
TM
External Use |
26
Procesory ARM výkony
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_ARM_microarchitectur
es
Cortex-M0+ (ARMv6)
0.93 DMIPS/MHz 72MHz
Cortex-M4 (ARMv7)
1.25 DMIPS/MHz 200MHz
Cortex-A5 (ARMv7)
1.57 DMIPS/MHz 500MHz
Cortex-A7 (ARMv7)
1.9 DMIPS/MHz 1GHz
Cortex-A9 (ARMv7)
2.9 DMIPS/MHz 1.2GHz
Cortex-A53 (ARMv8)
2.3 DMIPS/MHz 2.5GHz
Cortex-A72 (ARMv8)
>6.3 DMIPS/MHz 2.5GHz
http://zenit.senecac.on.ca/wiki/index.php/Dhrystone_howto
Dhrystone (Dhrystone VAX MIPS, 1757/s)
−
Example

Microseconds for one run through Dhrystone: 0.8

Dhrystones per Second: 1333333.4

Using the formula: 1333333.4 / 1757 = 758.87 DMIPS
It runs on 400MHz -> 1.897 DMIPS/MHz

TM
External Use |
27
Architektury ARM srovnání
http://www.arm.com/White_Background_PNG_Cortex-A7.png
• http://www.arm.com/Performance_Graph_A53_to_A7.jpg
•
Výkon
• Spotřeba
• Cena
• Nástroje
•
TM
External Use |
28
Instrukční sady
•
•
•
•
•
•
ARM 32- bit
Thumb 16-bit (35% code density save,
decrease some real performance)
Thumb 2 16/32 – ARM výkon / Thumb
hustota
− ARM pro přímý zápis
− Thumb 2 pro kompilátory
VFP (Vectop floating point)
− Vyžaduje koprocesor
NEON
− SIMD
− Media aplikace (kodeky)
Jazelle
TM
External Use |
29
ARMv8
•
http://www.arm.com/products/processors/instruction-set-architectures/index.php
•
https://www.youtube.com/watch?v=7LqPJGnBPMM
http://www.arm.com/university
•
TM
External Use |
30
ARMv8
•
Přidává krypto
•
Scalar FP
TM
External Use |
31
ARMv8-A
•
Dva stavy vykonávaní (execution states)
−
AArch32
A32/T32
 Nové instrukce
 Tradiční model výjimek (exception model)
 Virtuální adresy 32-bit registry

−
AArch64
64 bitové registry X0-X30
 Nové instrukce A64, fixní délka 32-bitů

•


•
Včetně SIMD, floating point a crypto
Nový model výjimek
•
EL0 least privileged, EL3 most privileged
•
Secure state / non-secure state (Thrust zone)
Virtuální adresy 64-bit registry
BTW: Cortex-M
−
Thread mode (unprivileged) – app code
−
Handler mode (privileged) – exception handler
TM
External Use |
32
Využití jader ARM v SoC Freescale
TM
External Use |
33
Freescale & ARM
od
•
Kinetis
− CM0+
QFN16 (0.39$)
k
•
CoreIQ
− ažo
8xCA57 + CM4 (200$)
TM
External Use |
34
Kinetis
•
Od KL03 CM0+ 48MHz
•
KM 2x24b Sigma-delta
•
Po KV5 CM7 220MHz
− 1MB
Flash, 256kB RAM
TM
External Use |
35
Kinetis KL03
•
CM0+ 48MHz
•
32kB Flash
•
8k RAM
•
12 bit ADC/DAC
•
PWM
•
I2C, SPI, UART
•
GPIO
TM
External Use |
36
i.MX
od
•
i.MX6UL
− A7
& 528MHz
po
•
i.MX6Q
− 4x
A9 & 1.2GHz
TM
External Use |
37
i.MX6Q
•
•
•
•
•
•
•
•
•
4xARM® Cortex®-A9 -1.2GHz
1 MB L2 cache / 32 KB I &D
NEON SIMD media accelerator
GPU 2D /3D
1080p 60fps encode/decode
1x64b DDR3 or 2x32 LPDDR2
2 x 4XGA (2048x1536)
or 2 x [1080p + WXGA
(1280x720)]
USB, PCIe, 1Gb Eth
…
• …
•
TM
External Use |
38
i.MX6SX
•
•
1x ARM® Cortex™-A9 up to 1 GHz
−
512 KB L2 cache / 32 KB instruction and data caches
−
NEON SIMD media accelerator
1x ARM® Cortex™-M4 up to 200 MHz
−
16 KB instruction and data caches 64 KB TCM
−
MPU and FPU
•
GPU 2D/3D
•
Camera Interface
•
−
20-bit parallel CMOS sensor interface
−
NTSC/PAL analog video input interface
PiXel Processing Pipeline (PXP)
−
Image re-sizing, rotation, overlay and CSC
•
DDR 16/32-bit DDR3(L) 16/32-bit LPDDR2 800
•
2x Gb Ethernet , PCIe 2.0 (1 lane), 3x USB 2.0, SDMMC
•
Multicore unit includes for multi-core isolation and
sharing
•
Resource Domain Controller (RDC)
•
Secure Messaging Unit (MU)
•
Hardware Semaphores
•
High Assurance Boot, cryptographic cipher engines,
random number generator, and tamper detection
TM
External Use |
39
S32V200 Advanced driver systems
•
ASIL B
•
Quad A53/1GHz
•
Dual APEX-2
obrazový procesor
•
3D GPU Vivante
•
4MB on chip RAM
•
-40C to 125C Tj
TM
External Use |
41
Využití jader ARM v SoC Freescale – co je důležité
TM
External Use |
42
Srovnání PA a ARM pro motor control library
TM
External Use |
43
Využití 64-bit matematického koprocesoru CM0+ + MMAU x CM4+FPU
24-bit SD
ADC
current
measurement
Q0.24
HPF
Q0.24
Q0.48
X
LPF2
Q0.48
Q0.24
24-bit SD
ADC
voltage
measurement
Q0.24
Q0.24
24-bit SD
ADC
current
measurement

Q15.48
kWh
calculated active
energy
HPF
Relative Factor, Bigger is Better
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
HPF
0.00
Q0.24
LPF1 Q0.48
Q0.48
LPF1 Q0.24
Q0.24
X2
RMS
calculated
RMS current
TM
External Use |
44
1/(Rel Gates)
Rel Performance
1/(Rel Code Density)
1/(Rel Energy)
CM0+ w/o
MMAU
1.00
1.00
1.00
1.00
CM0+ w/
MMAU
0.74
2.69
1.40
1.99
CM4
0.56
1.76
0.98
0.98
Použití více jádrových řešení
•
2 procesory na jedné
frekvenci jsou lepší než 1 na
dvojnásobné frekvenci
•
Asymetrické architektury
•
Rozložení čipu VFxxx
•
•
Jádra ARM jsou jen malá
část čipu
Důležité je jejich zapojení do
systému
A5
2.2
DDR
0.96
R
A
M
USB+ENET
2.2
CCM
PMC
IRC
PD0
VIU+ALABAOCRE
ANACATUM
AFE DIGITAL
0.94
AFE
45
SRAM
Place USB pins
On this side in this
notch area
DAC
ADC
ADC
External Use |
M
4
POST
DAC
TM
DCU
3.95
SRAM
DRY
ICE
EFU
SE
SNVS
ANADIG
ANATOP
ANALOG
S
R
A
M
GPU
1.45
EXTAL/
XTAL
Struktura čipu
•
VF: CA5+CM4
•
NIC
TM
External Use |
46
Limity vnitřních pamětí a použití cache
•
•
VFxxx Cortex-M4
Vnitřní paměti
− TCM
− RAM
•
Více v AN4947
TM
External Use |
47
Limity externích pamětí a použití cache
•
RAM
•
DRAM
•
QuadSPI
•
Více v AN4947
TM
External Use |
48
Zlepšení grafického výkonu i.MX6Q+
•
•
•
•
Updated 3D, 2D
and OpenVG
GPU’s
40
MX6DQ
35
30
25
New pre-fetch and
resolve modules to
improve efficiency
Fabric
modifications to
improve memory
bandwidth
Pin compatible with
i.MX6Dual/6Quad
20
15
10
5
0
Aquarium
Egypt
70
60
50
40
30
20
10
MX6DQ
MX6DQPlus
0
Model
TM
External Use |
49
Test case description
 IPU fetches 2x 1080p 32bit @60Hz
images for display.
 IPU PRE pre-fetch is enabled in i.MX
6DP/6QP
 GPU3D off screen loop “3D
read_write_render”
 GPU2D off screen loop 1080p 2D bitblit
 CPU doing memory copy
Actual Silicon
Higher DRAM Bus Utilization
indicates better performance
TrustZone
TM
External Use |
50
i.MX6 přehled zabezpečení
GPIO
alarm
External Memory
i.MX
Erase
Tamper
Detect
SW alarm
Debug
alarm
Secure
Debug
JTAG
TM
External Use |
51
Secure
RAM
Secure
Clock
Peripheral
Slave
HW Firewall
HW Firewall
HW Firewall
HW Firewall
HW Firewall
ARM
CPU
Accelerator
(Cipher, Hash,
RNG)
Electrical Fuses
(keys, security levels)
DMA
Master
ROM
(High Assurance
Boot)
CSU
CSU Firewall
Master’s Privilege
(User/Sprv; TZ/non-TZ)
“What slaves can be accessed”
Slave’s Access Permissions
(TZ/non-TZ; Read/Write etc.)
“What Masters can access”
TM
External Use |
52
High Assurance Boot – Signed Boot Image
Code signing using private key
Authentication using public key
Secured Environment
Run OS
SW Image
Reload Image
Compare
X
Hash
Sign
(RSA)
SW Image +
Signature
TM
External Use |
53
Private
Key
OTP
SRK
Public
Key
Verify
(RSA)
Hash
SW Image +
Signature
High Assurance Boot – Encrypted Boot Image
Encryption using secret key
Decryption using secret key
Build Environment
Device Boot
Decrypted
SW Image
SW Image
Secret
Key
External Use |
54
Key Blob
TM
OTP
Key
CAAM
(AES)
Manufacturing
Encrypted
SW Image
OTP
Key
Decrypt
(AES)
Key Blob
Encrypt
(AES)
Secret
Key
Decrypt
(AES)
Encrypted
SW Image
HAB
TM
External Use |
55
Freescale Cup
TM
External Use |
56
The Freescale Cup 2016
•
•
•
•
•
Veškeré informace o Freescale cup jsou na komunitě
− https://community.freescale.com/groups/tfc-emea
Registrace je do 30.11.2015
− The Freescale Cup EMEA Challenge Edition
2015/2016Registration page for both High School and
University Challenges
Pravidla
− https://community.freescale.com/docs/DOC-93225
Poster
− https://community.freescale.com/docs/DOC-106162
obrázky z celosvětového finále. Kvalifikace se ponese ve
skromnějším duchu a dráha bude menší.
− https://www.youtube.com/watch?v=TkpPYjtbaeQ
− https://www.youtube.com/watch?v=HiC5wzOs2AM
TM
External Use |
57
Freescale Cup 2013 - Univerzitní finále
•
hudební salónek, 11 studentů – vítězové postupovali do EMEA Paris
1.
Adam Helekal (Blue Dragon),
2.
2.Tomáš Dočekal, Matěj Golembiovský a Jan Kotyza (BT)
TM
External Use |
58
Freescale Cup 2013 – EMEA finále Paris
27 univerzitních týmů z České republiky, Francie, Itálie, Německa, Polska, Rumunska,
Ruska, Slovenska, Ukrajiny a Velké Británie
• Blue Dragon 8. místo,
•
TM
External Use |
59
Freescale Cup 2013 – EMEA finále Paris
•
Doplňující závody
•
Blue Dragon - elektronický kompas 2. místo !
•
https://community.freescale.com/groups/tfc-emea
TM
External Use |
60
Q &A
TM
External Use |
61
Diskuse a demo
•
Demo
− UDOO
NEO,Humming board, 6UL SDK, 6Q SDB, …
•
Děkuji za pozornost
•
V případě zájmu o spolupráci: Bd. Mgr. Práce, brigáda nebo zaměstnání:
− [email protected]
•
Nashledanou v NXP – po sloučení 3(4) největší výrobce polovodičů na světě
− [email protected]
TM
External Use |
62
TM
www.Freescale.com
© 2014 Freescale Semiconductor, Inc. | External Use