智慧城市、遠程監(jiān)控、自動駕駛汽車和智能視覺等多種應(yīng)用對智能邊緣計算的需求正在不斷增加。在本文中，我們重點介紹 Microchip Technology 全新 PIC64GX 系列 64 位微處理器的一些功能。
邊緣計算
與傳統(tǒng)的集中式處理相反，邊緣計算是在數(shù)據(jù)生成的地方附近進行處理的地方。這可以實現(xiàn)更高的速度和體積，從而獲得實時結(jié)果。醫(yī)院和工廠等場所的此類計算需要低延遲并且能夠在沒有網(wǎng)絡(luò)連接的情況下快速計算。
人工智能(AI) 和機器學(xué)習(xí) (ML) 算法可用于快速調(diào)整計算，使其更高效、更快速。不受控制的環(huán)境，例如農(nóng)業(yè)中的環(huán)境，可以在地方一級得到更有效的控制。用戶體驗可以在許多方面得到改善，包括對大量數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)、更高的安全性(以便可以在本地控制敏感數(shù)據(jù))以及在網(wǎng)絡(luò)或云連接可能間歇性的偏遠地區(qū)進行自主操作。
邊緣網(wǎng)絡(luò)可以處理攝像頭等傳感器收集的輸入數(shù)據(jù)，并使用 AI/ML 在本地優(yōu)化對這些輸入的響應(yīng)。一個例子是在醫(yī)療保健領(lǐng)域，可以配備 MRI 和 CT 掃描儀等成像設(shè)備在本地處理圖像，從而節(jié)省寶貴的時間。遠程手術(shù)援助和遠程醫(yī)療就是邊緣計算的低延遲可以挽救患者生命的例子。
PIC64 MPU 系列
Microchip Technology 是 8 位、16 位和 32 位嵌入式解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者。他們的 8 位、16 位和 32 位微控制器 (MCU) 廣泛應(yīng)用于從家用電器、車庫門開啟器到工業(yè)和汽車控制系統(tǒng)等各種應(yīng)用。這些流行的 MCU 作為 PIC® 系列產(chǎn)品進行銷售，具有哈佛/改良哈佛 RISC、MIPS® 和 ARM® 等架構(gòu)。
他們的基于 Arm® 內(nèi)核的 32 位微處理器 (MPU) 系列面向許多交通、工業(yè)和消費設(shè)計。此外，他們的 PolarFire® 等 FPGA 系列在智能國防、航空航天、機器人等領(lǐng)域提供了高計算性能。憑借這一經(jīng)驗，他們于 2024 年 7 月宣布進軍 64 位 MPU 領(lǐng)域。該系列名為 PIC64，包括針對智能邊緣計算的PIC64GX MPU，以及針對航空航天和國防應(yīng)用的 PIC64 高性能太空飛行計算 (PIC64-HSPC) 耐輻射設(shè)備。 PIC64GX 繼承了 PolarFire® SoC 的一些關(guān)鍵特性，并且與這些器件直接引腳兼容。讓我們更詳細(xì)地了解 PIC64GX MPU 的一些特性。
PIC64GX MPU
PIC64GX MPU 架構(gòu)的簡化框圖如圖 1 所示。
圖 1：PIC64GX MPU 架構(gòu)的簡化框圖(來源：Microchip Technology)
CPU核心復(fù)合體
多核架構(gòu)總共由五個與內(nèi)存子系統(tǒng)一致的RISC-V核心組成。 RISC-V 微架構(gòu)支持 Linux 操作系統(tǒng) (OS)，并使用簡單的五階段問題有序管道。
U54 HART 由四路 625 MHz RV64GC RISC-V® 處理硬件線程 (HART) 組成。它們提供 3.1 CoreMarks®/MHz 和 1.7 DMIPS/MHz。這些 U54 內(nèi)核包括物理內(nèi)存保護 (PMP) 單元、內(nèi)存管理單元 (MMU) 和 L1 內(nèi)存系統(tǒng)。 PMP支持16個內(nèi)存區(qū)域，可用于設(shè)置這些區(qū)域的訪問權(quán)限。 MMU 提供虛擬內(nèi)存支持，包括映射到 38 位物理地址空間的 39 位地址空間。 L1 指令存儲器可配置為 32 KB 8 路指令高速緩存或 28 KB 指令緊密集成存儲器 (ITIM)。 L1 數(shù)據(jù)存儲器是一個 32 KB 的高速緩存。兩個 L1 存儲器均具有基于單錯誤糾正、雙錯誤檢測 (SECDED) 的糾錯碼 (ECC) 功能。
包含 625 MHz RISC641MAC E51 監(jiān)控處理器內(nèi)核，通常用于執(zhí)行操作系統(tǒng)到 U54 內(nèi)核的引導(dǎo)加載、裸機用戶應(yīng)用程序以及監(jiān)控 U54 內(nèi)核。 E51 的 16 KB 指令高速緩存可以部分重新配置為 8 KB ITIM。包含一個 8KB 數(shù)據(jù)緊密集成存儲器 (DTIM)。這兩種存儲器還具有 SECDED ECC 實現(xiàn)。
核心復(fù)合體包括 2 MB 帶 SECDED 的 L2 高速緩存。這用于為核心復(fù)合體中的主設(shè)備提供快速的內(nèi)存復(fù)制。 L2 緩存控制器還充當(dāng)基于目錄的一致性管理器。當(dāng)緩存方式被禁用時，內(nèi)存空間可以作為 1.8 MB L2 松散集成內(nèi)存 (L2LIM) 進行尋址。這提供了確定性行為，不可能出現(xiàn)高速緩存未命中，并且優(yōu)先級高于高速緩存路訪問。
PIC64GX 包含一個 128 kB 的嵌入式非易失性存儲器 (eNVM)，該存儲器也受到 SEDED 保護，并且具有較長的數(shù)據(jù)保留時間。
非對稱多重處理 (AMP)
PIC64GX 旨在執(zhí)行確定性實時計算任務(wù)的多功能組合，以及更多非確定性應(yīng)用豐富的環(huán)境(例如 Linux®)。傳統(tǒng)的對稱多處理 (SMP) 對所有任務(wù)使用相同的處理器。這可能會導(dǎo)致特定任務(wù)的資源分配過多，從而導(dǎo)致效率低下。使用 AMP，可以根據(jù)特定任務(wù)分離和優(yōu)化各種處理事件。這些可以針對計算強度和內(nèi)存要求進行優(yōu)化。
使用 Zephyr® 等實時操作系統(tǒng) (RTOS)，可以以低延遲的方式可預(yù)測地執(zhí)行控制循環(huán)等時間關(guān)鍵型任務(wù)。 PIC64GX 是首款支持 AMP 的 RISC-V 多核解決方案。圖 2 顯示了同時使用 AMP 和 SMP 的示例。此處，3 個或 3 個內(nèi)核專用于 Linux® 操作系統(tǒng)的 SMP，該操作系統(tǒng)資源為 1 MB 的 L2 高速緩存。其余處理器專用于 AMP，可直接訪問配置為 LIM 的 L2 內(nèi)存系統(tǒng)的一部分，以避免不確定的內(nèi)存緩存。因此，PIC64GX 配置為 2 個部分獨立的設(shè)備上下文，每個上下文都運行其工作負(fù)載。
外設(shè)可以分配給任一上下文。 PIC64GX 支持 OpenAMP 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如遠程處理器消息傳遞 (RPMsg)，允許 Hart 間/上下文間之間進行通信。 Hart 軟件服務(wù) (HSS) 固件充當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)視器，報告總線錯誤、致命異常等，由 E51 內(nèi)核執(zhí)行。
圖 2：PIC64GX 上的 AMP 和 SMP 示例(來源：Microchip Technology)
DDR 接口、外設(shè)和連接
DDR 內(nèi)存控制器支持 DDR4-1333 或 LPDDR4-1333，每個 DDR 接口高達 32 GB。當(dāng)配置為 36 位總線寬度時，它具有 SECDED 功能。
包括一系列廣泛的外圍設(shè)備，例如：
· 2 個千兆位以太網(wǎng) MAC (GEM)
· 符合 MMC 5.1/SD/SDIO/eMMC 標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)和用于 SD 卡的 MAC，具有自己的 DMA 控制器
· 兼容 USB 2.0 OTG 的內(nèi)核
· 2 個 PCIe Gen2 控制器，用于連接一個或多個主機處理器
· 2 個 SPI 和 I2C 以及 5 個多模式 UART 接口
· 四路 SPI (QSPI) 閃存控制器
· 2個CAN核心
· 2 通道 MIPI CSI-2 輸入(速度為 1 Gbps)，用于連接攝像頭和傳感器、具有專用 I 2 C 的 HDMI 1.4 (720P) 輸出以及視頻管道
· 看門狗定時器、實時計數(shù)器、定時器
安全特性
PIC64GX 包含許多安全和安保功能，這些功能對于當(dāng)今醫(yī)療、航空和國防等許多邊緣通信應(yīng)用至關(guān)重要。
下面列出了其中一些：
· 安全非易失性存儲器(sNVM)：PIC64GX 具有 56 KB sNVM，可用于存儲敏感用戶數(shù)據(jù)。這可以通過使用 AES-256 的設(shè)備唯一的 PUF 密鑰進行保護。
· 提供 2 個安全啟動選項，其中之一包括使用 sNVM 供用戶安全啟動其代碼。默認(rèn)方法使用來自安全存儲器的 Microchip 安全引導(dǎo)加載程序，并在運行用戶代碼之前在 eNVM 上執(zhí)行簽名和哈希檢查。
· PMP 設(shè)置內(nèi)存權(quán)限，包括使它們受到寫保護的區(qū)域鎖定。
· 內(nèi)存保護單元包括每個非 HART 主設(shè)備并防止隨機內(nèi)存訪問。可以為外圍設(shè)備設(shè)置訪問區(qū)域以及權(quán)限設(shè)置。
· 防篡改功能包括電壓、頻率和溫度監(jiān)控器。采用差分功率分析 (DPA) 對策來保護密鑰免受旁道攻擊。
· PIC64GX 器件中包含 Athena TeraFire EXP-F5200B 加密處理器，以確保數(shù)據(jù)安全。這支持許多加密算法，例如 AES 和 SHA 變體、RSA、DSA、EC 密鑰對 ECDSA 等。
· PIC64GX 上的所有 RAM 都具有 ECC。
產(chǎn)品選項和開發(fā)支持
PIC64GX 系列的首批產(chǎn)品包括：
· PIC64GX1000/FCS 具有 1 個 PCIe Gen2 通道和 16 位 DDR 總線寬度。它采用 FCSG325 11 x 11 x 0.5 mm 封裝，適用于 0-100°C 的擴展商業(yè)溫度范圍或 – 40 – 100°C 的工業(yè)溫度范圍。
· PIC64GX1000/FCV 具有 1、2 或 4 個 PCIe Gen 2 通道選項，并具有 32 位 DDR 總線寬度。它采用 FCVG484 19 x 19 x 0.8 mm 封裝。提供與上面列出的 FCS 封裝相同的溫度額定值。
可以使用多種開發(fā)工具，例如：
· 帶有 RV64 的 MPLAB® 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)
· Linux®操作系統(tǒng)
· RTOS，例如 Zephyr®
· GitHub，包含許多裸機驅(qū)動程序、RTOS 和其他參考示例
PIC64GX Curiosity 評估套件包括 MPU 以及 1GB DDR 存儲器、1GB 以太網(wǎng)連接器、一個 Raspberry MIPI 連接器、一個 MikroBUS? 擴展接頭、一個 HDMI 輸出、3 個通過 USB Type C 和 USB 轉(zhuǎn) JTAG 的 UART 連接調(diào)試接口。
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