ATSAMA5D2 - микроконтроллеры с ядром ARM Cortex-A5 и встроенной DDR2 от Microchip

Создание современных быстродействующих устройств невозможно без использования высокоскоростных интерфейсов. При этом одним из наиболее сложных этапов разработки становится реализация интерфейса с внешней памятью. Для того чтобы упростить жизнь разработчикам, некоторые производители начали выпускать микроконтроллеры и процессоры с большим объемом встроенной памяти SDRAM. Примером такого решения стало семейство SIP-микроконтроллеров (System In Package) SAMA5D2 от компании Microchip.

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

Современная электроника оказывается весьма «прожорливой», когда речь заходит об используемой оперативной памяти. Это касается смартфонов, одноплатных компьютеров, графических приложений и многих других устройств. Например, для нормальной работы с операционной системой Linux потребуется 512 Мбит ОЗУ. В графических приложениях ОЗУ используется в качестве экранной памяти, чем выше разрешение и глубина цвета, тем больше памяти требуется. Если взять разрешение высокой четкости HD (1280 × 720) и глубину цвета 24 бита, то для одного единственного экранного слоя понадобится 2700 кбайт ОЗУ. Очевидно, что не всякий микроконтроллер имеет на борту столько памяти, поэтому разработчикам приходится использовать внешнее ОЗУ.

Создание процессорной системы с внешней памятью представляет собой сложную задачу (Рис. 2). Для ее решения потребуется опытный разработчик, который сможет грамотно развести высокоскоростные линии, согласовать импеданс проводников, обеспечить минимальную площадь печатной платы и т. д. Однако, к сожалению, даже наличие опыта не гарантирует хорошего результата, особенно если на плате кроме высокоскоростных шин присутствуют и чувствительные аналоговые цепи. Производители современных систем, понимая суть данной проблемы, начинают предлагать микросхемы, объединяющие микроконтроллер/процессор и внешнюю память.

Рис. 2.	При разводке высокоскоростных шин памяти могут возникать проблемы.

При проектировании микроконтроллера со встроенным ОЗУ производитель берет на себя все самые сложные проблемы (Рис. 3). Если процессор и память уже интегрированы в одну микросхему, то разработчику, остается развести только относительно медленные интерфейсы. 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.

Рис. 3.	При разработке микроконтроллера со встроенным ОЗУ производитель берет на себя все самые сложные проблемы.

В последнее время появляется все больше производителей, предлагающих такие интегральные решения. Например, ранее в статье «OSD335x - новая эпоха интеграции. ARM Cortex-A8, DDR3 и DC-DC-регулятор в одном корпусе» мы уже рассказывали о SIP-микропроцессорах со встроенной памятью от компании Octavo Systems. Еще одним представителем этого движения является семейство SIP-микроконтроллеров SAMA5D2 от компании Microchip.

SAMA5D2 – семейство SIP-микроконтроллеров со встроенной памятью DDR2 объемом до 1 Гбит, построенных на базе высокопроизводительного ядра Arm® Cortex®-A5 с рабочей частотой до 500 МГц.

У опытных разработчиков может возникнуть вопрос: почему в SAMA5D2 используется DDR2, а не DDR3, как, например, у тех же процессоров OSD335x от Octavo Systems? Microchip объясняет это двумя причинами. Во-первых, желанием упростить систему питания, а, во-вторых, стремлением уменьшить потребление.

Дело в том, что при использовании DDR3 требуется дополнительное питание 1.5 В или 1.35 В. Таким образом, возникает необходимость в дополнительном источнике напряжения. В случае с OSD335x от Octavo Systems DC/DC-преобразователь был интегрирован в саму SIP-микросхему. Однако в Microchip решили не идти этим путем, видимо опасаясь, что это негативно скажется на уровне потребления и приведет к увеличению габаритов. С другой стороны, чтобы не вынуждать пользователей использовать внешний источник, было принято решение остановиться на DDR2.

Еще одним аргументом в пользу выбора DDR2-памяти было ее относительно невысокое потребление. Как оказалось DDR2 потребляет меньшую мощность при сохранении той же производительности при работе микроконтроллеров SAMA5D2 на максимальной частоте.

SIP-микроконтроллеры SAMA5D2 отличаются мощным процессорным ядром, значительным объемом памяти, развитой системной и общей периферией, богатым набором коммуникационных интерфейсов, наличием аналоговых блоков, широким выбором мультимедийных функций и блоков криптографии (Рис. 4). Рассмотрим особенности SIP-микроконтроллеров SAMA5D2 подробнее.

Рис. 4.	Блок - схема SIP-микроконтроллеров SAMA5D2.

Основными особенностями SIP- микроконтроллеров SAMA5D2 являются:

• Процессорное ядро ARM Cortex-A5 Core с рабочей частотой до 500 МГц, ARM TrustZone, медийный процессор NEON™;
• Кэш L1: 32 кбайт данных и 32 кбайт команд;
• 128 кбайт кэш L2;
• 128/512/1024 Мбит DDR2-SDRAM;
• 128 Кбайт внутреннего ОЗУ SRAM;
• 160 Кбайт ПЗУ, 64 кбайт загрузчика;
• 16-битный DDR-контроллер внешней памяти;
• 8-битный контроллер внешней памяти SLC/MLC NAND;
• Контроллер внешней памяти QSPI;
• Широкий выбор режимов пониженного потребления;
• LCD TFT-контроллер с разрешением до 1024×768, выходным 24-битным RGB-интерфейсом, с поддержкой четырех слоев (с возможностью альфа смешивания, вращения и т.д.)
• Контроллер светочувствительных матриц с разрешением 5 Мп;
• Последовательные интерфейсы: SSC, I²S, CAN, UART, SPI, LIN;
• Контроллер сенсорных емкостных панелей (4 × 8-каналов);
• USB (UDPHS/UHPHS/HSIC);
• 10/100 Ethernet MAC (GMAC);
• Поддержка протоколов: IEEE 802.3az, IEEE802.1AS, IEEE802.1Qav, IEEE1588 (PTP);
• Слоты быстродействующих карт памяти: 2 × SDMMC0;
• До 90/128 портов вывода/вывода;
• 12-битный многоканальный 1 MSPS АЦП;
• 32/16-битные таймеры;
• Функции криптографии: SHA256, SHA512, AES256, TDES, генератор случайных чисел TRNG и др.

В настоящий момент Microchip предлагает четыре модели SIP-микроконтроллеров семейства SAMA5D2 с различным объемом DDR2-памяти 128/512/1024 Мбит и различными корпусными исполнениями (таблица 1). Такое разделение по объему памяти сделано не случайно:

ATSAMA5D225C-D1M – микроконтроллер с объемом DDR2-памяти 128 Мбит, предназначенный для приложений без использования операционных систем и для приложений, работающих с ОС реального времени (RTOS). Для них объема DDR2-памяти 128 Мбит будет вполне достаточно.

ATSAMA5D27C-D5M – микроконтроллер с объемом DDR2 512 Мбит, предназначенный для Linux-приложений.

ATSAMA5D27C-D1G – микроконтроллер с объемом DDR2 1024 Мбит, предназначенный для Linux-приложений с возможностью дальнейшего обновления версий ПО.

ATSAMA5D28C-D1G – микроконтроллер с объемом DDR2 1024 Мбит, предназначенный для Linux-приложений с возможностью дальнейшего обновления версий ПО. Данный контроллер прошел первичную сертификацию UL для PCI 5.0.

Таблица 1. Модели SIP-микроконтроллеров семейства SAMA5D2

Параметр	Серия
	ATSAMA5D225C-D1M	ATSAMA5D27C-D5M	ATSAMA5D27C-D1G	ATSAMA5D28C-D1G
Корпус	BGA196	BGA289	BGA289	BGA289
Ядро	ARM Cortex-A5	ARM Cortex-A5	ARM Cortex-A5	ARM Cortex-A5
Рабочая частота, МГц	500	500	500	500
Объем DDR2	128 Мбит	512 Мбит	1 Гбит	1 Гбит
Число линий ввода/вывода	90	128	128	128
Шина DDR	16-бит	16-бит	16-бит	16-бит
CAN-FD	1	2	2	2
USB	есть	есть	есть	есть
Ethernet	1	1	1	1
TFT-контроллер	есть	есть	есть	есть
Безопасная загрузка	есть	есть	есть	есть
Криптография	есть	есть	есть	есть
Диапазон рабочих температур	-40…85 °С	-40…85 °С	-40…85 °С	-40…85 °С

Для быстрого освоения SIP-микроконтроллеров семейства SAMA5D2 компания Microchip предлагает использовать отладочный набор ATSAMA5D27-SOM1-EK1 (Рис. 5).

Рис. 5.	Внешний вид отладочной платы ATSAMA5D27-SOM1-EK1.

ATSAMA5D27-SOM1-EK1 – отладочная платформа для быстрого ознакомления с SIP-микроконтроллерами семейства SAMA5D2 и SOM-модулем SAMA5D27-SOM1 (System On Module). На отладочной плате установлен SOM-модуль и широкий набор различных микросхем и функциональных блоков:

• SOM-модуль ATSAMA5D27-SOM1 с микроконтроллером ATSAMA5D27C-D1G-CU;
• Микросхема питания 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 24AA02E48T-I/OT объёмом 2 кб;
• Устройство аутентификации ATECC508;
• USB: 1 × USB хост, 1 × USB устройство, 1 × USB HSIC;
• CAN-трансивер ATA6561;
• Разъемы: RJ45 для Ethernet; 50-выводной разъем для сверхплоского FPC-кабеля lklz подключения ЖК TFT-дисплея, разъем для подключения камеры, сокет для SD card и microSD;
• Отладка JLINK-OB и JLINK-CDC, интерфейс JTAG;
• Четыре кнопки;
• Полноцветный RGB-светодиод;
• Питание от USB или от суперконденсатора.

Посмотреть более подробно технические характеристики отладочной платформы от Microchip