詳解i.MX 8ULP應(yīng)用處理器：高能效、低功耗的秘訣是什么？

現(xiàn)代世界正逐漸采用更自然的人機界面 (HMI)。我們不僅可以與智能音箱交談，還可以在紙張般的電子閱讀器上閱讀。電子產(chǎn)品已成為我們的數(shù)字伙伴，而不再是被電源插座限制的系統(tǒng)。

實現(xiàn)這場變革，需要多核處理器來處理語音命令、音頻播放、圖形顯示以及系統(tǒng)控制等各種任務(wù)。電源管理和信息安全方面的創(chuàng)新使這些芯片能夠始終保持工作，按需提供交互，同時大幅度降低能耗。

i.MX 8ULP處理器的創(chuàng)新靈活電源架構(gòu)

恩智浦利用i.MX 8ULP應(yīng)用處理器實現(xiàn)這些創(chuàng)新。該芯片通過將功能分配到不同的電源島上，實現(xiàn)精細的電源管理。每個島可以按需降低運行速度和電壓，完全關(guān)閉或完全打開，從而節(jié)省電力。處理器中最耗電的部分是CPU。為了讓系統(tǒng)在休眠時節(jié)省電力，同時保證系統(tǒng)的響應(yīng)性，i.MX 8ULP處理器首創(chuàng)了一種機制，能將外圍功能的控制從高性能的應(yīng)用CPU轉(zhuǎn)給低功耗的控制CPU。

重要的是，i.MX 8ULP處理器能夠隨時智能地決定芯片的哪些部分處于休眠狀態(tài)，哪些部分處于完全喚醒或半喚醒的狀態(tài)。恩智浦通過提供軟件來控制電源管理，為開發(fā)人員提供多種電源管理程序，以便按需調(diào)整。他們還可以自己創(chuàng)建、編寫軟件來監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)整每個“島”的頻率和電壓。

i.MX 8ULP處理器的嵌入式安全

要保障智能設(shè)備和連接應(yīng)用的安全，必須依靠具備內(nèi)置安全性的硬件。i.MX 8ULP處理器內(nèi)置恩智浦EdgeLock安全區(qū)域，EdgeLock安全區(qū)域是一個專注于信息安全的單元，與SoC的其他部分物理隔離，擁有獨立的CPU、ROM和RAM。

EdgeLock安全區(qū)域為安全關(guān)鍵的功能提供了可信執(zhí)行環(huán)境，包括i.MX 8ULP處理器的完整性保護、用戶數(shù)據(jù)的保密性和安全連接。特別是，EdgeLock安全區(qū)域是滿足NIST 8425標(biāo)準(zhǔn)和獲得即將推出的U.S. Cyber Trust Mark (針對連接的消費者產(chǎn)品) 或支持IEC62443標(biāo)準(zhǔn) (針對工業(yè)控制和自動化系統(tǒng)) 的主要途徑。EdgeLock安全區(qū)域電池供電的安全模塊還能實現(xiàn)防篡改和零化等功能，以應(yīng)對安全違規(guī)事件，從而支持包括銷售終端等多種應(yīng)用場景。

此外，i.MX 8ULP處理器還為OEM提供了符合區(qū)域要求的加密配置，可直接使用。結(jié)合恩智浦EdgeLock 2GO密鑰管理服務(wù)，制造商還可以在不可信的工廠、現(xiàn)場或無線安全地為基于i.MX 8ULP處理器的產(chǎn)品提供憑證。這樣就在嵌入式EdgeLock安全區(qū)域和EdgeLock 2GO云平臺間建立了端到端的安全連接。i.MX 8ULP處理器也是恩智浦EdgeLock保障計劃的一部分，并已通過PSA和SESIP信息安全二級認證，加速了安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)合規(guī)驗證。

i.MX 8ULP處理器一覽

對于響應(yīng)語音命令的系統(tǒng)，i.MX 8ULP處理器集成了Cadence Tensilica Fusion DSP，以及數(shù)字麥克風(fēng)輸入和I2S端口。超低功耗Fusion DSP與高能效Arm Cortex-M33F CPU一起在i.MX 8ULP處理器的實時域中運行，如框圖所示。大容量片上存儲器使DSP和CPU無需啟動外部芯片即可工作。這些內(nèi)核處于激活狀態(tài)時，芯片的其余部分也可以關(guān)閉電源。例如，它們可以監(jiān)聽喚醒詞，只有在聽到喚醒詞后才激活芯片的其余部分。

i.MX 8ULP應(yīng)用處理器的框圖

除了在芯片的其余部分休眠時運行外，實時域 (顧名思義) 還負責(zé)處理時間關(guān)鍵的任務(wù)。為了實現(xiàn)這一點，它還包括定時器和一組豐富的低速 I/O，用于控制系統(tǒng)的其他部分。

i.MX 8ULP處理器的應(yīng)用域則運行主要的軟件。應(yīng)用域的核心是最多兩個64位的Arm Cortex-A35 CPU。這些高能效的內(nèi)核運行Linux或Android等適應(yīng)性強的操作系統(tǒng)，可以驅(qū)動從手機到中央控制器等各種設(shè)備。為了配合CPU，應(yīng)用域還包含快速的I/O控制器。SDIO接口可以連接到恩智浦IW416雙頻三路解決方案等外設(shè)。這提供了2.4GHz和5GHz的Wi-Fi、藍牙和Thread無線通訊，使其非常適合連接到從Matter智能家居網(wǎng)絡(luò)到企業(yè)局域網(wǎng)等各種系統(tǒng)。

flex域負責(zé)多媒體和圖形功能，包括功能齊全的GPU和Cadence Tensilica HiFi4 DSP。雖然GPU通常與功耗較高的PC、智能手機和游戲機有關(guān)，但恩智浦在i.MX 8ULP芯片中內(nèi)置了節(jié)能的GPU。該GPU體現(xiàn)了i.MX 8ULP處理器的電源管理理念，可以按需啟動3D電路，其他時候只使用2D引擎，以節(jié)省電力，同時保持屏幕更新。

即使對于微型智能音箱，HiFi4 DSP也能提供震撼的低音和清脆的高音，運行空間音頻算法，使小型設(shè)備能夠提供沉浸式音頻體驗。HiFi4的作用不僅限于播放，還可以在捕獲音頻時處理從麥克風(fēng)陣列錄制的聲音，從背景噪音中分離出語音。開發(fā)人員還可以利用HiFi4實現(xiàn)AI功能，繼續(xù)Fusion DSP的工作，運行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別語音。

除了這些處理單元，flex域還包括音頻、攝像頭和顯示接口。對于需要實現(xiàn)電子墨水顯示效果的系統(tǒng)，i.MX 8ULP處理器集成了電泳顯示控制器 (EPDC)，用于驅(qū)動電子墨水屏 (E Ink) 面板。對于需要彩色、交互式屏幕的系統(tǒng)，可以使用處理器的其他接口。

i.MX 8ULP適用于家庭和工業(yè)系統(tǒng)

i.MX 8ULP處理器具有先進的電源管理和安全特性，能夠作為各種系統(tǒng)類型的核心和智能樞紐。想象一下，使用電池供電的醫(yī)療可穿戴設(shè)備具有語音功能，其中低功耗是非常關(guān)鍵的。使用小型電池時，這些設(shè)計可以利用8ULP處理器的DSP和音頻接口，以及無線芯片和E Ink控制器的接口。物流標(biāo)簽或智能貨架標(biāo)簽等應(yīng)用也類似，但不需要音頻功能。這些設(shè)計還可以關(guān)閉DSP和音頻接口，以優(yōu)化功耗。

智能恒溫器的運行方式則完全不同。它只依賴i.MX 8ULP處理器的實時域和GPU的2D模式，不斷監(jiān)測溫度，并定期更新LCD面板，顯示當(dāng)前的溫度、設(shè)置和時間。每十分鐘，應(yīng)用域會短暫喚醒，將數(shù)據(jù)發(fā)送到基于云的服務(wù)，以便電力公司和房主能夠監(jiān)控和管理家庭。房主偶爾會使用流暢的觸摸屏界面與它交互；在這些時候，3D GPU和應(yīng)用CPU會啟動。在家中其他地方，長時間使用電池供電的智能電表不需要運行交互式應(yīng)用或顯示器，但仍會收集能耗數(shù)據(jù)并定期傳輸。這樣的設(shè)計可以利用i.MX 8ULP處理器的低功耗和連接無線芯片的能力。

語音控制的智能恒溫器實現(xiàn)低功耗的持續(xù)溫度監(jiān)測

這些系統(tǒng)雖然簡單，但用戶的響應(yīng)必須是即時的才能帶來更佳體驗。它們必須看起來一直在工作，即使在節(jié)能狀態(tài)下也是如此。i.MX 8ULP處理器能夠?qū)崟r域從低頻運行切換到全速運行，喚醒應(yīng)用域并在域之間轉(zhuǎn)移控制，幫助系統(tǒng)節(jié)省電力，不錯過任何節(jié)拍。半秒鐘的反應(yīng)時間都可能太慢了。例如，具有語音控制功能的智能手表一直處于開啟狀態(tài)，監(jiān)聽能夠激活它們的特殊詞語。i.MX 8ULP處理器實時域中的Fusion DSP可以處理這個監(jiān)聽功能，而芯片的其余部分則處于休眠狀態(tài)。HiFi4 DSP只在音樂播放時激活，處理音樂，使得小型音箱也能讓廚房聽起來像音樂廳。

現(xiàn)在就開始使用i.MX 8ULP

i.MX 8ULP處理器提升了開發(fā)人員的計算和多媒體能力，能耗不受影響。恩智浦在i.MX 8ULP處理器上提供更多功能，提高應(yīng)用性能，增加DSP來處理音頻和執(zhí)行AI功能，提供軟件定義的電源管理，并將安全性提升到了新的水平。

本文作者

Gayathri Easwaran是恩智浦半導(dǎo)體SCE產(chǎn)品市場總監(jiān)，工作地點在美國德克薩斯州奧斯汀。她擁有圣路易斯華盛頓大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位，同時也是ACT!ON (恩智浦亞洲文化團隊) 的負責(zé)人。她熱衷于尋找差異化的解決方案，為客戶提供支持。在空閑時間，她喜歡制作各種主題的播客。