Überblick über die i.MX-8-Serie

Den richtigen Prozessor wählen

27. Januar 2022, 8:00 Uhr | Von Konrad Zöpf
die i.MX-8-CPU-Serie von NXP Semiconductors neun CPU-Familien und weitere Unter-Derivate
© istockphoto.com, TQ-Group

In Summe enthält die i.MX-8-CPU-Serie von NXP Semiconductors neun CPU-Familien und weitere Unter-Derivate. Hier kann man als Entwickler schnell den Überblick verlieren. Wir unterstützen bei der Prozessorauswahl und stellen die Besonderheiten der Familienmitglieder vor.

Die »i.MX-8«-CPU-Serie von NXP Semiconductors besteht aus neun CPU-Familien, die auf drei unterschiedlichen Core-Architekturen basieren. Neueste Familie ist die i.MX-8ULP-Familie. Sie eignet sich besonders für mobile Anwendungen ohne Netzwerk. Innerhalb jeder Familie gibt es CPU-Derivate, die untereinander Pin-kompatibel sind und somit im gleichen Hardwaredesign zum Einsatz kommen können. Jedoch gibt es innerhalb der Serie CPU-Familien, die untereinander nicht kompatibel sind. Sie erfordern ein eigenes Hardwaredesign. Sie haben einen anderen Funktionsumfang und eigenen sich aufgrund ihrer Eigenschaften für jeweils andere Applikationen.

Bei der großen Auswahl innerhalb der i.MX-8-Serie und den unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Familien, kann man schnell den Überblick verlieren. Hier gilt es, sich zu orientieren – der Artikel gibt einen Überblick, erklärt die Unterschiede und zeigt auf, in welchen Fällen sich welches Derivat am besten eignet.

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Überblick über die Familien

NXP veröffentlichte erstmals im Oktober 2015 Informationen zur geplanten i.MX-8-Familie. Zunächst wurden Eckdaten zur größten i.MX-8-Variante bekanntgegeben, die nach aktuellem Stand ohne zusätzliche Bezeichnung bleibt. Die nächsten Schritte wurden dann seitens NXP Mitte 2016 aufgezeigt: Danach sollte es eine Serie des i.MX 8 mit insgesamt drei CPU-Familien mit jeweils einer anderen Core-Architektur geben.

Das Embedded-IoT-Modul MBa8MPxL ist 160 x 100 mm groß und basiert auf dem TQMa8MPxL-SoM mit i.MX-8M-Plus-Prozessor
Bild 1. Das Embedded-IoT-Modul MBa8MPxL ist 160 x 100 mm groß und basiert auf dem TQMa8MPxL-SoM mit i.MX-8M-Plus-Prozessor.
© TQ-Group

Der erstgenannte Prozessor ist heute unter dem Namen i.MX 8 Quad Max bekannt. Der i.MX 8X wurde als Nachfolger für den i.MX 6 angekündigt. Ab September 2016 gab es dann von NXP für jeweils ausgewählte Early-Access-Partner erste Informationen in Form von Webinaren für den i.MX 8. Im Oktober 2016 folgten dann erste Details zum i.MX 8M und bald darauf wurden Ausblicke auf den i.MX 8X im Januar 2017 gegeben. Als Ergänzung zur Familie hat NXP Anfang der zweiten Jahreshälfte 2018 den i.MX 8M Mini und Nano angekündigt. Dieses Derivat soll eine Brücke zwischen Consumer- und industrienahen Applikationen bilden. Mit dem i.MX 8M Plus wurde die CPU-Familie der M-Derivate Ende 2019 vervollständigt und hat somit die meisten CPU-Derivate. Als Nachfolger für den i.MX 7ULP brachte NXP noch den i.MX 8ULP und i.MX 8ULP-CS als neueste CPU-Varianten der i.MX-8X-Familie auf den Markt.

Der Allrounder: i.MX 8M Plus

Beim i.MX 8M Plus kommt der Cortex A53 Core mit bis zu 1,8 GHz Takt zum Einsatz. Zur Unterstützung von Echtzeitanwendungen oder Security-Aufgaben der CPU steht zusätzlich ein Cortex M7 Core mit 800 MHz Takt zur Verfügung. Für die lokale Audioverarbeitung ist der digitale Signalprozessor (DSP) »HiFi4« von Cadence Tensilica integriert. Das Speicher-Interface ist 32 Bit breit und unterstützt LPDDR4 und DDR4 inkl. ECC-Support.

Neben den erweiterten Audiofunktionen von 18 x I2S (32 Bit) mit bis zu 384 kHz Abtastrate und TDM-Unterstützung sowie acht PDM-Mikrofoneingängen bietet der Prozessor auch umfassende Grafikfähigkeiten: Hierzu gehören 2D-GC5200- und 3D- GC7000UL-Grafikunterstützung sowie eine Videodecodierung (1080p60 H.265, H.264, VP8, VP9) und -Encodierung (1080p60 H.265, H.264) als Hardwarebeschleunigung. Außerdem wurden umfangreiche Security-Funktionen realisiert.

Für Projekte im Bereich Machine Learning und künstliche Intelligenz (KI) hat NXP eine neuronale Processing Unit (NPU) mit bis zu 2,3 Tera Operations per Second (TOPS) integriert. Zur Realisierung von intelligenten Bildverarbeitungssystemen kann auf den Dual-Image-Signal-Prozessor (ISP) zurückgegriffen werden, der MIPI-CSI-Kameras mit einer Auflösung von bis zu 12 MP und einer Eingangsrate von 375 MP/s unterstützt.

In Summe stehen vier CPU-Varianten zur Verfügung, vom Dual Core bis zum Quad Core. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in den Funktionen NPU, ISP sowie Video-Decodierung und -Encodierung – die Dual-Core-Variante ist lediglich als Vollausbau erhältlich.

Neben den umfangreichen Audio- und Videofunktionen stehen folgende wesentliche Schnittstellen zur Verfügung:
➔ 1 x MIPI DSI 4 Lanes (Display Serial Interface)
➔ 1 x HDMI 2.0a
➔ 1 x LVDS 4 oder 8 Lanes
➔ 2 x MIPI CSI 4 Lanes (Camera Sensor Interface)
➔ 1 x PCIe 2.0
➔ 3 x SDIO/eMMC
➔ 2 x USB 3.0/2.0
➔ 2 x Gigabit-Ethernet
➔ 3 x CAN-FD
➔ 4 x UART, 6 x I2C, 3 x SPI

Durch diese Vielseitigkeit kann der i.MX 8M Plus sehr universell eingesetzt werden.

Für erweiterte Audiofunktionen: i.MX 8M Mini/Nano

Mit der i.MX-8M-Mini-Familie bietet NXP eine preis- und entsprechend funktionsreduzierte CPU-Familie aus der i.MX-8-Serie an. Im Wesentlichen unterscheidet sich diese CPU zu seinem großen Bruder i.MX 8M bei den Grafik- und Videoschnittstellen darin, dass es nur ein Display-Interface (MIPI-DSI) und ein serielles Kamera-Interface (MIPI-CSI) gibt. Zudem wurden die Videofunktionen reduziert. Als Grafikprozessor (GPU) kommt die »GC NanoUltra« von Vivante Corporation zum Einsatz.

Ergänzt wurde das CPU-Design mit bis zu acht zusätzlichen digitalen Mikrofoneingängen, die verbesserte Audiofunktionen mit sich bringen. Als Peripherie stehen eine PCIe-Lane und zwei USB-2.0-Anschlüsse anstelle von USB 3.0 zur Verfügung. Gegenüber dem i.MX 8M gibt es neben dem Dual und Quad Cortex A53 noch einen Single Core. Die Performance der Cores wurde von 1,5 GHz auf bis zu 2,0 GHz gesteigert, der integrierte Cortex M4 Mikrocontroller taktet gegenüber den vormaligen 266 MHz jetzt sogar mit 400 MHz was einen deutlichen Performancegewinn ergibt. Aufgrund dieser Anpassungen war eine Kompatibilität im Pinout nicht möglich. Hiermit hat NXP eine preisgünstigere Variante geschaffen, die ein eigenes Hardwaredesign benötigt. Aufgrund des für den Audio- und Videobereich optimierten Funktionsumfangs ist der Einsatz unter Berücksichtigung eines Standard-SoC-Formfaktors wie SMARC 2.0 nicht zu empfehlen.

Der i.MX 8M Nano unterscheidet sich im Wesentlichen darin, dass zur Unterstützung der CPU für Echtzeitanwendungen oder Security-Aufgaben ein Cortex M7 mit 750 MHz Takt und damit mehr Leistung integriert wurde. Zudem ist das Speicher-Interface 16 bit breit, sodass derzeit ein maximaler Speicherausbau von zwei Gigabyte möglich ist. Als GPU wurde beim Nano auf die »GC7000UL« gesetzt. Der i.MX 8M Nano ist Pin-kompatibel zum 8M Mini. Somit lassen sich beide Familien in einem Design einsetzen – unter Berücksichtigung ihrer Unterschiede.
 
Zur weiteren Kostenreduzierung hat NXP ganz auf die Video-Hardwarebeschleunigung und PCI verzichtet. Somit ist die Nano-CPU vorwiegend für energieeffiziente und preissensible Anwendungen gedacht. Auch hier gibt es sechs wie oben genannte CPU-Varianten, bei den drei Lite-Versionen fehlt dabei die GPU. Auf Basis der Nano-Technik gibt es noch den i.MX 8M Nano UltraLite, der jedoch zum i.MX 8M Mini und Nano nicht kompatibel ist. Bei dieser Variante wurden die Grafik und der Kamera-Support komplett entfernt. Berücksichtigt man die Applikationsanforderungen, können Entwickler die Schnittstellen je nach Verfügbarkeit in Abhängigkeit des Pin-Multiplexing verwenden. Hieraus ergibt sich eine sehr hohe Flexibilität für das Design eines Mainboards, um eine hohe Effektivität und Auslastung der CPU zu erreichen.


  1. Den richtigen Prozessor wählen
  2. Für HMI- und Steuerungsaufgaben: i.MX 8X

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