高度集成的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)備（如NXP i.MX6應(yīng)用處理器）為復(fù)雜的圖形密集型汽車(chē)應(yīng)用（如儀表板）創(chuàng)建可擴(kuò)展平臺(tái)提供了有效的方法。這些SoC與這些應(yīng)用中所需的存儲(chǔ)器，通信和其他外設(shè)的組合對(duì)確保適當(dāng)?shù)碾妷海?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電流/" target="_blank">電流和功率排序提出了重要要求。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，這些汽車(chē)SoC與專用電源管理SoC（如恩智浦MMPF0100）的結(jié)合，可以顯著簡(jiǎn)化平臺(tái)設(shè)計(jì)，從簡(jiǎn)單的儀表盤(pán)到經(jīng)濟(jì)型汽車(chē)一直到豪華的高性能可重構(gòu)3D系統(tǒng)車(chē)輛。

在任何車(chē)輛中，儀表板儀表組是駕駛員關(guān)于車(chē)輛狀態(tài)的主要信息來(lái)源。然而，車(chē)輛儀表顯示的性質(zhì)正在迅速變化。消費(fèi)者越來(lái)越多地要求他們?cè)诩彝蕵?lè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的駕駛數(shù)字體驗(yàn)，并將其隨身攜帶在移動(dòng)設(shè)備中。此外，在車(chē)輛內(nèi)部，車(chē)輛子系統(tǒng)的快速數(shù)字化在駕駛員可獲得的信息的廣度和深度方面發(fā)生了顯著變化。

為了應(yīng)對(duì)這種不斷變化的環(huán)境，汽車(chē)制造商正在超越傳統(tǒng)的模擬儀表信息豐富的圖形顯示。作為演變的一部分，儀表板正在迅速發(fā)展，增加了彩色2D和3D圖形，旨在安全地為駕駛員提供從更多數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源獲取的信息。與此同時(shí)，制造商希望獲得經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，以滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)字儀表板需求。這些儀表板的范圍從經(jīng)濟(jì)型或車(chē)輛線路功能更為有限的設(shè)計(jì)到提供高級(jí)可定制顯示器的豪華產(chǎn)品（圖1）。

圖1：汽車(chē)制造商正在轉(zhuǎn)向使用2D和3D圖形的可定制儀表板，以便安全地向駕駛員提供數(shù)字化所提供的大量信息車(chē)輛中的子系統(tǒng)。 （圖片來(lái)源：Wikimedia Commons/Robert Basic）

對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)這些復(fù)雜子系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于不斷增長(zhǎng)的需求。例如，圍繞通用處理器構(gòu)建的傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常缺乏所需的圖形性能。此外，創(chuàng)建能夠從更有限的功能擴(kuò)展到完全實(shí)現(xiàn)的可定制儀器的設(shè)計(jì)可能是最有問(wèn)題的。傳統(tǒng)方法至少需要對(duì)硬件進(jìn)行大量更改，以提供擴(kuò)展基本設(shè)計(jì)以提供高端性能所需的增量功能。不可避免的是，這種強(qiáng)制性的功能增強(qiáng)方法導(dǎo)致高度專業(yè)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)激增，可能存在不兼容的代碼庫(kù)。

可擴(kuò)展平臺(tái)

復(fù)雜儀器集群的設(shè)計(jì)為開(kāi)發(fā)人員提供了巨大的挑戰(zhàn)，可以提供能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)復(fù)雜，快速變化的信息的復(fù)雜圖形系統(tǒng)。然而，即使這些系統(tǒng)通常也需要更傳統(tǒng)的微控制器功能來(lái)處理底層通信和外圍設(shè)備，例如音頻。為了平衡基本系統(tǒng)要求與高級(jí)圖形性能要求，汽車(chē)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用專用SoC來(lái)增強(qiáng)更熟悉的基于MCU的設(shè)計(jì)，從而加速圖形和高級(jí)應(yīng)用程序代碼的執(zhí)行（圖2）。

圖2：為了滿足對(duì)高性能2D和3D圖形的需求，汽車(chē)工程師利用NXP等專用SoC增強(qiáng)了傳統(tǒng)的基于微控制器的設(shè)計(jì).MX6處理器能夠加速應(yīng)用程序代碼和圖形操作的處理。 （圖片來(lái)源：恩智浦半導(dǎo)體）

恩智浦i.MX6系列應(yīng)用SoC為汽車(chē)儀表板設(shè)計(jì)提供了一種特別有效的解決方案。在大多數(shù)情況下，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)插入最符合成本和性能應(yīng)用要求的i.MX6系列成員來(lái)擴(kuò)展現(xiàn)有的基于i.MX6的儀表板設(shè)計(jì)。實(shí)際上，i.MX 6系列旨在作為可擴(kuò)展平臺(tái)，用于需要多個(gè)ARM Cortex-A9處理器和集成圖形處理單元（GPU）以實(shí)現(xiàn)高性能圖形的應(yīng)用。

要求苛刻i.MX6DualPlus和i.MX6QuadPlus系列可重配置3D儀器集群，分別提供雙核和四核性能。除了運(yùn)行高達(dá)1.2 GHz的多核外，這些設(shè)備還包括1 MB L2緩存，優(yōu)化的64位DDR3或2通道32位LPDDR2支持，以及集成的FlexCAN，MLB總線，PCI Express和SATA-2連接。此外，這些器件還包括LVDS，MIPI顯示端口，MIPI相機(jī)端口以及高端汽車(chē)多媒體應(yīng)用中通常需要的HDMI v1.4接口。對(duì)于要求不高的應(yīng)用，i.MX6Solo等設(shè)備提供了更低成本的選擇，但仍然結(jié)合了單個(gè)ARM Cortex-A9內(nèi)核，圖形加速，512 KB L2緩存和1 x 32 LP-DDR2內(nèi)存接口以及全板連接選項(xiàng)。

i.MX6成員在整個(gè)系列中提供接近插入引腳的兼容性。然而，在實(shí)踐中，配置上的一些差異阻礙了完全插入式可擴(kuò)展性。例如，i.MX6DualPlus和i.MX6QuadPlus在某些引腳上提出了一些小但不同的要求。四核系統(tǒng)將VDD_ARM_IN引腳連接到電源，而雙核系統(tǒng)通常將這些引腳短接，VDD_ARM23_CAP引腳接地以減少泄漏。四核系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在VDD_ARM23_CAP引腳上放置外部電容。該系列的低端成員在引腳配置方面引入了一些額外的差異。一般而言，與家庭成員提供的整體引腳兼容性相比，這些差異相對(duì)較小。

圖形加速

恩智浦i.MX6系列的成員集成了專門(mén)用于加速2D和3D圖形的GPU。例如，內(nèi)置GPU3D內(nèi)核提供了一個(gè)完整的高性能圖形處理管道，能夠加速用于不斷增長(zhǎng)的消費(fèi)類應(yīng)用（包括汽車(chē)儀表板顯示器和抬頭顯示器）的3D圖形的著色，紋理和渲染（圖3）。

圖3：在NXP i.MX6系列的高性能成員中，集成的2D和3D圖形處理單元（GPU）使用流水線處理加速圖形操作。 （圖片來(lái)源：恩智浦半導(dǎo)體）

i.MX6系列的不同成員在圖形管道中提供不同的深度，可擴(kuò)展到低成本設(shè)備的低性能。在該系列的高端，i.MX6DualPlus和i.MX6QuadPlus提供2DBLT，八層合成，以及720 MHz的四個(gè)著色器以及嵌入式預(yù)取和解析引擎。相比之下，成本較低的i.MX6Solo支持2DBLT，單個(gè)著色器為528 MHz。

無(wú)論底層處理器如何，開(kāi)發(fā)人員都可以通過(guò)多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形充分利用可用的加速成像資源API包括用于嵌入式系統(tǒng)的OpenGL（OpenGL ES），它能夠利用i.MX6 GPU加速3D圖形。同樣，i.MX6集成R2D GPU旨在加速用于圖形用戶界面（GUI）和菜單顯示的OpenVG 2D矢量圖形。

設(shè)計(jì)環(huán)境，例如來(lái)自恩智浦或第三方的設(shè)計(jì)環(huán)境杠桿這些API簡(jiǎn)化了儀表板應(yīng)用程序的軟件開(kāi)發(fā)。事實(shí)上，開(kāi)發(fā)人員可以找到軟件庫(kù)和代碼，以對(duì)軟件工程師透明的方式充分利用硬件加速圖形。例如，i.MX 6系列GPU軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）包含簡(jiǎn)單OpenGL ES 2.0應(yīng)用程序的工作示例和教程。

超越特定圖形代碼，第三方軟件包，如Green Hills平臺(tái)對(duì)于儀器集群，提供基于可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）系列的全面軟件解決方案，以滿足低延遲，高性能汽車(chē)數(shù)字顯示應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

復(fù)雜的電源要求

高度集成的設(shè)備（如i.MX6汽車(chē)SoC）可幫助開(kāi)發(fā)人員滿足可擴(kuò)展儀表板設(shè)計(jì)的各種要求。然而，在單個(gè)設(shè)備中集成如此多的功能時(shí)，這些復(fù)雜的設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生很大的功率要求。此外，這些設(shè)計(jì)中廣泛的支持外設(shè)和接口加劇了確保正確電源管理的問(wèn)題。

在儀表板圖形系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)人員可能需要結(jié)合使用高性能的i.MX6Dual或i。 MX6Quad處理器具有多個(gè)接口和子系統(tǒng)。這些包括內(nèi)存，無(wú)線連接，藍(lán)牙，GPS，音頻放大器，各種傳感器，攝像頭輸入和多種通信接口，如USB，HDMI，SATA，LVDS和mPCIe。當(dāng)然，SoC中的每個(gè)電路以及基于SoC的系統(tǒng)中的每個(gè)支持模塊和外圍設(shè)備都需要在特定電壓和電流水平下供電。

此外，運(yùn)行這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的每個(gè)電源軌需要通電按特定順序進(jìn)行，以確保正確的系統(tǒng)啟動(dòng)和正確激活電路和模塊。同樣，這些電路和組件必須按特定順序斷電。

任何與正常上電或斷電序列的偏差都可能導(dǎo)致上電期間電流過(guò)大，可能會(huì)對(duì)電源造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。 SoC的處理器內(nèi)核，其他SoC集成模塊，或整個(gè)系統(tǒng)中的其他組件。因此，必須在初始化期間以及正常操作期間監(jiān)視每個(gè)設(shè)備和電源軌的故障。特別是在汽車(chē)行業(yè)，由于初始化不當(dāng)或意外斷電導(dǎo)致的電源故障會(huì)迅速降低客戶對(duì)產(chǎn)品的信心，甚至?xí)?jí)為車(chē)輛召回。

對(duì)于這些復(fù)雜的基于SoC的系統(tǒng)，電源管理基于傳統(tǒng)的分立功率器件最多是不切實(shí)際的。通常，即使單個(gè)分立DC-DC開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器也需要許多分立無(wú)源器件來(lái)支持各種參數(shù)的編程，例如電壓輸出，軟啟動(dòng)，頻率，輸入/輸出濾波，排序延遲，閉環(huán)補(bǔ)償，同步等。即使是基本的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器也需要多個(gè)元件用于輸入/輸出，軟啟動(dòng)和啟動(dòng)延遲編程。

通過(guò)增加大量外部元件，可以實(shí)現(xiàn)分立式電源解決方案根據(jù)經(jīng)典的零件計(jì)數(shù)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，體積大且不可靠。僅就尺寸而言，典型的2-3A降壓調(diào)節(jié)器可占據(jù)印刷電路板面積的約100-150mm 2 。典型的200-300mA LDO可能需要約25mm 2 的印刷電路板面積。由于典型的基于SoC的汽車(chē)儀表板設(shè)計(jì)可能需要六個(gè)LDO和相同數(shù)量的DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此車(chē)輛產(chǎn)品工程師會(huì)發(fā)現(xiàn)自己不得不將龐大的功率封裝擠壓到儀表板設(shè)計(jì)中，以保持時(shí)尚和尺寸效率。/p>

相比之下，電源管理SoC（如NXP MMPF0100，提供多達(dá)六個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器和六個(gè)LDO）使開(kāi)發(fā)人員能夠縮小BOM和最終設(shè)計(jì)本身的尺寸。僅就節(jié)省空間而言，MMPF0100設(shè)計(jì)可適用于印刷電路板面積約350 mm 2 ，而等效離散解決方案則需要約800 mm 2 pc-board不動(dòng)產(chǎn)。

MMPF0100旨在補(bǔ)充i.MX6 SoC，旨在為包括i.MX6 SoC，內(nèi)存在內(nèi)的完整系統(tǒng)提供多個(gè)電源軌 - 按所需順序初始化 - 和系統(tǒng)外圍設(shè)備（圖4）。 MMPF0100具有四個(gè)降壓調(diào)節(jié)器，提供多達(dá)六個(gè)獨(dú)立輸出，一個(gè)升壓調(diào)節(jié)器，六個(gè)通用LDO，一個(gè)開(kāi)關(guān)/LDO組合以及一個(gè)DDR電壓基準(zhǔn)，用于為i.MX6 SoC和外圍器件提供電壓。

圖4：先進(jìn)的電源管理SoC（如NXP MMPF0100）能夠?yàn)榛趇.MX6的系統(tǒng)提供所有電源軌（A ），以特定的開(kāi)發(fā)人員編程序列（B）為每個(gè)軌道供電。（圖像來(lái)源：恩智浦半導(dǎo)體）

設(shè)計(jì)人員可以將獨(dú)立降壓穩(wěn)壓器輸出的數(shù)量從4配置為6。這種靈活性允許穩(wěn)壓器輸出以更高的電流能力運(yùn)行，或作為獨(dú)立輸出運(yùn)行，用于需要更低電流但更多電壓軌的應(yīng)用。該器件的降壓調(diào)節(jié)器可滿足i.MX6處理器內(nèi)核以及IO和內(nèi)存等其他低壓電路的供電要求。此外，內(nèi)置動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能可為處理器內(nèi)核和其他電路提供受控電源軌調(diào)節(jié)。

MMPF0100專為實(shí)現(xiàn)最大靈活性而設(shè)計(jì)，提供一系列寄存器，用于控制每個(gè)電源設(shè)備的運(yùn)行。 SoC（圖5）。工程師通過(guò)加載器件的片上一次性可編程（OTP）存儲(chǔ)器或使用特殊的“先試后買(mǎi)”模式來(lái)設(shè)置電壓，序列和其他操作參數(shù)，以便在OTP存儲(chǔ)器加載之前進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和測(cè)試器件配置。

熔絲寄存器名稱寄存器位說(shuō)明5：0 OTP SW1AB VOLT SW1AB_VOLT [5：0] SW1AB上電電壓6 - - RSVD 11：7 OTP SW1AB SEQ SW1AB_SEQ [4：0] SW1AB上電序列13： 12 OTP SW1AB CONFIG SW1AB_FREQ [1：0] SW1AB上電頻率15:14 OTP SW1AB CONFIG CONFIG [1：0] SW1A/B/C上電配置18:16OTPI2CCADDRI2C_SLV_ADDR[3.0] 3 LSB從機(jī)地址19 OTP EN ECC0 EN_ECC_BANK1為OTP熔絲組1啟用ECC 25:20 - - 熔絲組1的ECC校驗(yàn)位

圖5：復(fù)雜的電源管理SoC（如NXP MMPF0100）提供專用寄存器（頂部顯示的樣本），用于簡(jiǎn)化片上電源模塊的編程（底部）。 （圖片來(lái)源：恩智浦半導(dǎo)體）

結(jié)論

通過(guò)將ARM Cortex-A9內(nèi)核與專用GPU集成，恩智浦i.MX6系列汽車(chē)應(yīng)用SoC滿足了對(duì)高端產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求圖形密集型儀表組設(shè)計(jì)的性能解決方案。同時(shí)，這些設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出越來(lái)越復(fù)雜的功率要求，這限制了傳統(tǒng)分立電源解決方案的有效性。通過(guò)將i.MX6 SoC與恩智浦MMPF0100電源管理SoC相結(jié)合，開(kāi)發(fā)人員可以快速為汽車(chē)儀表板創(chuàng)建高效的平臺(tái)。此外，i.MX6系列成員的性能范圍和近插入引腳兼容性使開(kāi)發(fā)人員可以更輕松地將設(shè)計(jì)從入門(mén)級(jí)系統(tǒng)擴(kuò)展到高性能3D解決方案。因此，開(kāi)發(fā)人員可以限制多種設(shè)計(jì)的擴(kuò)散，并且可以更輕松地維護(hù)各種產(chǎn)品的代碼兼容性。