Entwicklungs-Kit Cortex-A8 in industriellen Anwendungen

Um den ARM-Cortex-A8-Core in industriellen Anwendungen einzusetzen, müssen Entwickler nicht nur beim Entwurf der Gesamtsystemstruktur einigen Aufwand leisten. Eine Entwicklungsplattform namens »Pengwyn« bietet ein optimiertes Referenzdesign und hilft, die Projektphase deutlich zu verkürzen.

Viele Anwendungen für ARM-Mikrocontroller im industriellen Umfeld haben eine Menge übereinstimmender Anforderungen: Konnektivität, also drahtlose wie drahtgebundene Schnittstellen für die Kommunikation mit anderen Geräten oder einer Infrastruktur, hohe Rechenleistung, Speicher mit hohem Datendurchsatz, einfache Programmierung und Softwareunterstützung sowie möglichst niedrige Gesamtkosten des Systems.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Silica in Zusammenarbeit mit Texas Instruments einen Single-Board-Computer namens »Pengwyn« entwickelt, der auf dem ARM-Cortex-A8-Prozessor »Sitara AM3354« des Chipherstellers basiert. Mit einer Taktfrequenz von 720 MHz bietet der Cortex-A8-Core des Bausteins laut Angaben von TI eine Rechenleistung von 1440 MIPS für anspruchsvolle Anwendungen. Dabei liegt der Preis für diesen Baustein dem Hersteller zufolge nur bei einem Bruchteil dessen, was für eine solche Rechenleistung üblicherweise zu bezahlen ist.

Die Kombination aus einer mehrstufigen internen Cache-Struktur und SRAM-Speicher erlaubt schnellen Datenzugriff mit minimaler Verzögerung. Dieser schnelle Speicher setzt sich zusammen aus 64 KByte Level-1-Cache, 256 KByte Level-2-Cache und 128 KByte On-Chip-SRAM. Ergänzt wird dieses Setup durch 256 MByte DDR3-RAM auf dem Board.

Laut Silica ist DDR3 gegenwärtig die effektivste Form dynamischen Speichers und zudem erste Wahl für einen langen Lebenszyklus neu vorgestellter Produkte. Auf dem Pengwyn-Board läuft der DDR3-Speicher mit 303 MHz, diese hohe Bandbreite soll Engstellen beim Speicherzugriff durch den AM3354 vermeiden (Bild 1).

Trickreiche A8-Stromversorgung

Eine Stromversorgung für ein Cortex-A8-Design zu entwickeln, ist angesichts der vielen Spannungslevel (immerhin 23 an der Zahl) und deren ausgefeiltem Sequencing im Allgemeinen eine sehr komplexe Aufgabe (Bild 2).

Für die industriellen Anwendungen, auf die dieses Board abzielt, kann der Entwickler allerdings davon ausgehen, dass die Low-Power-Modi des Bausteins nicht benötigt werden - dies vereinfacht den Entwicklungsprozess wesentlich. Auf das Pengwyn-Board angewendet führt diese Annahme zu einer einfacheren Versorgungsschaltung und dem Einsatz des Power-Management-ICs »TPS650250« anstatt des deutlich komplexeren Typs »TPS65910A«.

Linux und Windows Embedded zur Wahl

Auch die Auswahl des optimalen Flash-Speichers ist nicht trivial: NOR-Flash ist zwar am zuverlässigsten, aber verhältnismäßig teuer - zudem ist die Speichergröße beschränkt, was vor allem dann zum Problem werden kann, wenn ein Betriebssystem benötigt wird. SD-Flash ist günstig, aber nicht robust genug, um der mechanischen Stressbelastung in industriellen Anwendungen standzuhalten.

NAND schließlich ist die günstigste Lösung, aber die Konfiguration des Speichers während der Initialisierung könnte einige Zeit in Anspruch nehmen - vor allem, wenn der Bootloader gerade diese Teilenummer nicht unterstützt. Das Pengwyn-Board ist mit 1 GByte NAND-Speicher und einer vollständig ausgetesteten Softwarekonfiguration ausgestattet, zudem stehen 32 MByte SPI-Flash-Speicher für die Kommunikation mit Peripheriegeräten zur Verfügung. Auch eine DVI-Videoschnittstelle auf Basis einer »Qt«-Grafikbibliothek ist an Bord und direkt einsetzbar, typischerweise in Mensch-Maschine-Schnittstellen.

Durch den im AM3354-Prozessor eingebetteten 3-D-Beschleuniger laufen die Qt-Apps laut Angaben von Silica flüssig und ohne Verzögerungen. Bei den Betriebssystemen unterstützt das Pengwyn-Board mit Linux und »Windows Embedded Compact 7« zwei beliebte Systeme. Linux gilt in einer Vielzahl von Anwendungen heute bereits als Defacto-Standard.

Als Open-Source-Konstrukt ermöglicht Linux den Unternehmen, in internes Know-how zu investieren und dieses in zukünftigen Projekten wiederzuverwenden. Windows Embedded Compact 7 ist laut Silica dann eine gute Wahl, wenn Echtzeit zwingend erforderlich ist und die Endanwender eine vertraute Benutzeroberfläche zu schätzen wissen.

Für die Entwicklung unter Linux bietet Pengwyn gegenwärtig zwei Möglichkeiten: ein Linux-Image auf Basis des »Arago«-Projekts im NAND-Flash-Speicher des Boards vorinstalliert oder das »Linux Ez Software Development Kit« von Texas Instruments, das als vorkonfigurierte Virtual-Machine namens »VirtualBox« verfügbar ist. Laut Silica ist der Einstieg sehr leicht - lediglich die Virtual-Machine laufen lassen, das USB- und optional das Ethernet-Kabel anstecken, und schon kann der Entwickler sein erstes »Hello World« laufen lassen und debuggen. Weitere Tools für den Linux-Entwicklungsprozess mit dem Pengwyn-Board sollen laut Angaben von Silica in Kürze hinzukommen.

Erweiterung über Steckplatinen

Für die Kommunikation mit der Außenwelt sind auf dem Board Ports für USB-Host- und -Device-Funktionen vorhanden. Zudem verfügt das Board über eine Ethernet-Schnittstelle in Form eines RJ-45-Ports und bietet über einen weiteren Steckverbinder ein optionales Gigabit-Ethernet-Interface. Der Slot für SDIO/MMC-Speicherkarten lässt sich auch für optionale WLAN- oder Bluetooth-Module verwenden. Darüber hinaus soll laut Angaben von Silica in Kürze eine Reihe von speziell auf die Plattform abgestimmten Erweiterungsboards zur Verfügung stehen.

Mit den Boards will Silica konsequent einen »Plug&Play«-Ansatz verfolgen. Statt womöglich nicht kompatible Module von Dritt-anbietern für die Anbindung von Peripherie wie WLAN (WiFi) oder LC-Dis-plays einzusetzen, vereinfachen die Pengwyn-Erweiterungsboards laut Silica die Entwicklung durch Plug&Play-Features zusammen mit Steckern für I2C-, SPI- und USB-Schnittstellen. Im On-Board-Flash-Speicher sind die passende Software und betriebsbereite Anwendungen integriert.

Kernel-Module stehen beim Booten automatisch zur Verfügung. Weiterhin können Demo-Anwendungen problemlos aus dem Silica-Software-Archiv hochgeladen werden. Alle diese Eigenschaften sollen das Testen und Entwickeln neuer Bauteile beschleunigen und erleichtern. Als erste Modelle in dieser Aufsteck-Modulreihe sind geplant:

  • WiFi-Modul »LSR TiWi5« auf Basis des WiFi-Chips »WL1273L« von Texas Instruments, unterstützt IEEE 802.11 a/b/g/n (2,4 GHz und 5,8 GHz),
  • Bluetooth-Modul (Bluetooth 2.1+EDR, Class 1.5; Bluetooth 4.0/Bluetooth Low Energy),
  • Host-Interface-SDIO,
  • TFT-LCD-Display mit 4,3 Zoll Diagonale und resistivem Touch sowie
  • Gigabit-Ethernet-Modul auf Basis des Bausteins »DP83865« von Texas Instruments, mit den Betriebsarten 10/100/1000 MBit/s.

Erhältlich ist das Pengwyn-Board exklusiv bei Silica, aber auch online über Avnet Express. Der Preis für das Board liegt bei 69 Euro.

Die »ArchiTech«-Initiative
Das »Pengwyn«-Board ist ein Bestandteil der »ArchiTech«-Initiative, mit der Silica Entwicklern einen umfassenden Support bieten will. Durch die Initiative sollen die Entwickler bei Silica nur einen Anlaufpunkt für sämtliche Anforderungen rund um Design-Tools haben. Unter dem ArchiTech-Dach will  Silica Entwicklungstools, Expertise im Hard- und Softwaredesign, technisch tief gehende Trainingsangebote und umfangreiche Dokumentation zusammenführen.
Hinter der Initiative stehen 15 Spezialisten, die alle Tools für Silica entwickeln - typischerweise innerhalb von 12 bis 20 Wochen. Durch die langjährige Zusammenarbeit des Distributors mit den Halbleiterunternehmen entstehen alle Boards und Tools des ArchiTech-Programms in Kooperation mit den Herstellern und werden von diesen unterstützt. Bisher sind Texas Instruments, STMicroelectronics, NXP, Freescale, Maxim Integrated und Xilinx im Programm involviert, weitere Hersteller sollen folgen.
Im Rahmen der Inititative sind bereis sechs unterschiedliche Entwicklungsboards verfügbar, im Laufe des Jahres will Silica diese Palette auf 15 Boards erweitern. Neben dem hier vorgestellten Pengwyn-Board umfasst das Angebot momentan folgende Plattformen:

»PoRfid« - Identifikation, Sensoren, 8-Bit-MCU und 32-Bit-Cortex-MCU von STMicroelctronics ,

»Xynergy« - FPGA/ARM-Kombination aus Cortex-M4 von STMicroelectronics und Spartan-6 von Xilinx,

»Tusa« - Tochterkarte für Identifikationslösungen mit LPCXpresso/mbed von NXP,

»Seriz II« - Identifikationslösungen mit Cortex-M4-Bausteinen von NXP und 

»Brooklyn« - eine Bridge zwischen Freescale »MCU Tower« und Peripheriemodulen von Maxim Integrated.