Расширение памяти в промышленных и потребительских системах с человеко-машинным интерфейсом

Расширение памяти в промышленных и потребительских системах с человеко-машинным интерфейсом

Выпуск 5 (6704) от 12 марта 2020 г.
РУБРИКА: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

В общих чертах человеко-машинный интерфейс – ​это пользовательский интерфейс или панель управления, которая позволяет человеку осуществлять контроль и управление машиной, системой или устройством. ИЧМ состоит из аппаратного и программного обеспечения, которое позволяет преобразовывать вводимые пользователем данные в управляющие сигналы для машин, которые, в свою очередь, обеспечивают обратную связь. Технология ИЧМ применяется почти во всех отраслях, включая производство, бытовую электронику, развлечения и медицину.

Промышленный ИЧМ – ​это основной инструмент, на который опираются операторы на заводах и линейные супервизоры для управления производственными процессами. Промышленные ИЧМ варьируются от простых портативных интерфейсов, заменяющих кнопки и переключатели, до сложных панелей диспетчерского управления и сбора данных (supervisory for control and data acquision, SCADA, – ​гибкая автоматическая система управления производством). По мере того как мы вступаем в эру Четвертой промышленной революции (Industry 4.0), ИЧМ получают повсеместное распространение, становясь более портативными и мобильными.

С появлением Интернета вещей (IoT) в бытовой электронике с поддержкой ИЧМ, такой как интеллектуальные термостаты, камеры наблюдения и интеллектуальные бытовые приборы, произошли масштабные изменения. Размеры этих потребительских электронных устройств невелики, поэтому, с целью обеспечения легкой интеграции, ИЧМ для них также должны быть небольшими. Таким образом, существует сильная потребность в уменьшении размера печатной платы как промышленных ИЧМ, так и ИЧМ для бытовой электроники за счет использования компактных полупроводниковых компонентов с небольшим количеством выводов. Кроме того, поскольку потребительская электроника с поддержкой ИЧМ, как правило, работает от батареи, необходимо, чтобы все компоненты помогали продлить срок службы батареи системы за счет малой потребляемой мощности.


Системные проблемы ИЧМ

Традиционно ИЧМ управляются микроконтроллерами (MCU), микропроцессорами (MPU) или программируемыми пользователем вентильными матрицами (FPGA), а для выполнения кода и буферизации графики в них используются синхронные ДОЗУ (SDRAM) или псевдостатические ЗУ (PSRAM). Этот подход, однако, весьма нерентабелен с точки зрения простоты конструкции, энергопотребления и занимаемой площади системы ИЧМ.

Рассмотрим типичную 128-Мбайт SDR SDRAM или псевдостатическое ЗУ, для которых требуется устройство для передачи данных с 32 контактами. Эти требования памяти вынуждают использовать контроллер с большим количеством устройств ввода–вывода, что усложняет конструкцию печатной платы и увеличивает перегрузку маршрутизации. Кроме того, при использовании SDRAM разработчикам печатных плат нередко приходится задействовать ИС управления режимом электропитания (PMIC) для распределения нескольких шин питания вокруг печатной платы, что еще больше увеличивает размер печатной платы и потребляемую мощность, усугубляя существующие проблемы проектирования.

Альтернативный подход к оптимизации проектирования системы – ​использование HyperRAM, или псевдостатической памяти (ДОЗУ + схема перезаряда на одном кристалле), вместо синхронных ДОЗУ или псевдостатических ЗУ для выполнения кода и буферизации графики в промышленных и пользовательских приложениях ИЧМ (рис. 1). Промышленные и потребительские системы ИЧМ нечасто воспроизводят видео, а используемые изображения имеют низкое или среднее разрешение. Это означает, что для буферизации графики обычно достаточно 64-Мбайт или 128-Мбайт ОЗУ с пропускной способностью 400 Мбайт/с. Однако во многих традиционных конструкциях ИЧМ необходимо использовать синхронные ДОЗУ с избыточным предложением, поскольку синхронные ДОЗУ емкостью ниже 1 Гбайт стремительно устаревают.



Источник: Cypress Semiconductor

Рисунок 1. Общая блок-схема промышленного и потребительского ИЧМ


Модуль HyperRAM предлагает высокую пропускную способность 400 Мбайт/с (3200 Мбит/с), сравнимую с пропускной способностью модулей памяти стандарта SDR (single data rate) синхронных ДОЗУ, DDR синхронных ДОЗУ или Parallel ADMUX псевдостатических ЗУ. Тем не менее он обладает небольшими размерами (корпус 24FBGA 48 мм2) и имеет всего 12 контактов для передачи данных.


Требования к расширению ОЗУ

Размер объединенной внутренней памяти и расширенной оперативной памяти – ​один из важнейших факторов, определяющих, как выполнять сложные алгоритмы или отображать графику высокого разрешения с помощью контроллера или программируемых пользователем вентильных матриц и «систем-на-кристалле».

Адекватная оперативная или системная память позволяет выполнять быстрые операции чтения и записи, обеспечивая быструю доставку графики на ранних этапах процесса загрузки. Кроме того, ОЗУ может удваиваться как хранилище стека или массива, используемое кодом приложения для реализации нескольких уровней подпрограмм обработчика прерываний (in-service routines, ISR), которым требуется пространство для хранения контекста и состояния. Плотность ОЗУ, необходимая для буферизации изображения в системе ИЧМ, как функция количества кадров, разрешения и глубины цвета, оценивается в таблице.


Таблица

Емкость ОЗУ, необходимая для промышленного ИЧМ, в зависимости от количества кадров и глубины цвета

Емкость ОЗУ, Мбит

Количество изображений, хранящихся в буфере кадров

6

7,0

12,0

56,3

70,3

87,9

112,5

5

5,9

10,0

46,9

58,6

73,2

93,8

120,0

4

4,7

8,0

37,5

46,9

58,6

75,0

96,0

125,0

3

3,5

6,0

28,1

35,2

43,9

56,3

72,0

93,8

2

2,3

4,0

18,8

23,4

29,3

37,5

48,0

62,5

1

1,2

2,0

9,4

11,7

14,6

18,8

24,0

31,3

QVGA*, 320×240 пикселов, 16 бит на пиксел

WQVGA**, 480×272 пиксела, 16 бит на пиксел

VGA***, 640×480 пикселов, 32 бита на пиксел

WVGA****, 800×480 пикселов, 32 бита на пиксел

SVGA*****, 800×600 пикселов, 32 бита на пиксел

WSVGA******, 1024×600 пикселов, 32 бита на пиксел

XGA*******, 1024×768 пикселов, 32 бита на пиксел

WXGA********, 1280×800 пикселов, 32 бита на пиксел

Разрешение дисплея и глубина цвета


HyperRAM и стандарт xSPI

Модуль HyperRAM представляет собой высокоскоростную ДОЗУ с самообновлением. В нем используются интерфейсы HyperBus и Octal SPI, совместимые со стандартом расширенного последовательного периферийного интерфейса (xSPI) JEDEC. Оба этих интерфейса поддерживаются широкой экосистемой микропроцессорных устройств управления, микропроцессоров и программируемых пользователем вентильных матриц.

Самое большое преимущество памяти с последовательным интерфейсом – ​это уменьшение количества сигналов, необходимых для взаимодействия с хост-контроллером, и, как следствие, снижение размера пакета и стоимости печатной платы. Однако последовательная память исторически имеет более низкую пропускную способность или большее время произвольного доступа. Эта проблема смягчается в интерфейсах HyperBus и Octal SPI благодаря их высокопроизводительной архитектуре с технологией ввода–вывода данных через интерфейс ДОЗУ с удвоенной скоростью и несколькими входами–выходами, где синхронные данные источника захватываются с удвоенной тактовой частотой. Все входы–выходы HyperBus и Octal SPI совместимы с LVCMOS и поддерживают напряжение питания 1,8 или 3,0 В (номинальное).

HyperRAM сертифицирован по стандарту AEC-Q100. В настоящее время он выпускается в вариантах плотности 64 и 128 МБ, поддерживает несколько типов температурного режима: Industrial (–40…+85 °C), Industrial Plus (–40…+105 °C), Auto Grade‑3 (–40…+85 °C), Auto Grade‑2 (–40…+105 °C). Наконец, HyperRAM обладает самым низким значением активного тока среди конкурирующих запоминающих устройств и поддерживает гибридный спящий режим, режим глубокого отключения питания и функцию частичного обновления массива памяти для минимизации энергопотребления системы.

HyperRAM также имеет общую основу с флэш-памятью NOR на основе xSPI в диапазоне от 128 МБайт до 4 ГБайт. Работа на одном интерфейсе HyperBus или Octal SPI как для оперативной памяти, так и для флэш-памяти упрощает проектирование системы и уменьшает потребление выводов хост-контроллера. Сочетание HyperRAM с xSPI-NOR-флэш-памятью обеспечивает быструю загрузку, более четкое отображение графики и работу в режиме реального времени с выполнением на месте (без загрузки в ОЗУ). На рис. 2 показаны архитектурные различия на уровне системы при использовании HyperRAM в сочетании с HyperFlash (флэш-память NOR-типа с интерфейсом шины HyperBUS) корпорации Cypress.



Источник: Cypress Semiconductor

Рисунок 2. HyperRAM + HyperFlash – новый подход к промышленным системам


Таким образом, в модуле HyperRAM небольшой размер и малое количество выводов, необходимых для передачи данных, сочетаются с высокой пропускной способностью чтения и записи, сравнимой с пропускной способностью синхронных ДОЗУ или псевдостатических ЗУ. С учетом поддержки нескольких температурных режимов и нескольких режимов малой потребляемой мощности модули HyperRAM представляются хорошо подходящими для малоразмерных систем ИЧМ в промышленных, потребительских приложениях и приложениях Интернета вещей.


Ramakrishnan Vijay. Expansion Memory in Industrial and Consumer HMI systems. EETimes magazine, February 25, 2020: https://www.eetimes.com/expansion-memory-in-industrial-and-consumer-hmi-systems/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 21(6745) от 28 октября 2021 г. г.