Die neueste Prozessorfamilie von NXP soll eine Brücke zwischen Consumer- und Industriewelt schlagen.

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i.MX8-Prozessoren Die richtige CPU für das Design finden

05.03.2019

Die i.MX8-CPU-Serie von NXP besteht zurzeit aus vier Familien, die auf Basis von vier Core-Architekturen aufgesetzt wurden. Die neueste ist die i.MX8M Mini, die sich besonders für erweiterte Audio-Funktionen eignet. Die große Auswahlmöglichkeit innerhalb der i.MX8-Serie erschwert es Entwicklern, die für sie passenden CPU zu finden. In welchen Fällen i.MX8M Mini am besten zum Einsatz kommt und wann seinen großen Brüdern der Vorzug zu geben ist, zeigt der folgende Überblick.

Die i.MX8-CPU-Serie besteht zurzeit aus vier Familien, die auf Basis von vier Core-Architekturen aufgesetzt wurden. Die neueste ist die i.MX8M Mini, die sich besonders für erweiterte Audio-Funktionen eignet. Sie soll eine Brücke zwischen Consumer- und Industriewelt schlagen. Mit ihr bietet NXP eine preis- und entsprechend funktionsreduzierte CPU aus der i.MX8-Serie an.

Die wesentlichen Unterschiede gegenüber ihrem großen Bruder i.MX8M bestehen darin, dass es nur ein Displayinterface (MIPI-DSI) und ein serielles Kamerainterface gibt. Zudem wurden die Videofunktionen reduziert. Zum Einsatz kommt als Grafikprozessor (GPU) die GC NanoUltra. Ergänzt wurde das CPU-Design um bis zu acht zusätzliche digitale Mikrofon-Eingänge, die die Audiofunktionen verbessern. Als Peripherie stehen eine PCIe-Lane und zwei USB-2.0-Anschlüsse anstelle von USB 3.0 zur Verfügung.

Gegenüber dem i.MX8M gibt es neben einem Cortex A53 mit zwei und vier Kernen, auch eine Variante mit Single Core. Die Performance der Cores wurde von 1,5 auf bis zu 2.0 GHz gesteigert. Der integrierte Cortex-M4-Mikrocontroller taktet statt mit 266 mit 400 MHz. Aufgrund dieser Anpassungen war eine Kompatibilität im Pinout nicht möglich. Damit hat NXP eine günstigere 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.

i.MX8M: 20 Audio-Kanäle

Bereits verfügbar ist die i.MX8M-Familie. Von NXP wurden alle notwendigen Design-Unterlagen veröffentlicht. Der Hersteller setzt beim CPU-Core auf die bewährte 64-Bit-Cortex-A53-Technologie. Der i.MX8M hebt sich von den anderen drei Prozessorfamilien insbesondere ab, durch seine unter Berücksichtigung der Verlustleistung guten Audio- und Videofunktionen. Als GPU wurde der GC7000 Lite ausgewählt, der auch bei den Plus-Varianten des i.MX8X verwendet wird. Da beim i.MX8M mehrerer physikalische Grafikschnittstellen wie HDMI 2.0a, eDP und MIPI DSI vorhanden sind, können zwei Displays mit voneinander unabhängigen Inhalten angesteuert werden. Unterstützt wird eine Auflösung bis zu 4K.

Bei den Audiofunktionen können gleichzeitig bis zu sechs I²S oder SAI (Serial Audio Interface) verwendet werden. Ein Highlight ist, dass bis zu 20 Audio-Kanäle mit 32 Bit bei 384 KHz verwendet werden können. Dadurch ist ein umfassendes Audio Design möglich. Für die direkte Anbindung von Kamerasensoren wurden zwei MIPI-CSI mit vier Lanes realisiert. Zum Anschalten von Peripheriebausteinen und für schnelle Datenraten stehen bis zu zwei PCIe-2.0-Lanes und zwei USB-3.0-Schnittstellen zur Verfügung.

Auch sicherheitsrelevante Anforderungen lassen sich mit der i.MX8M-Familie umsetzen. Mit dem großen Funktionsumfang ist sie für den Bereich der Audio- und Video-Verarbeitung sehr gut geeignet. Durch ihren geringen Energieverbrauch kann sie in mobilen Anwendungen eingesetzt werden. Da alle bekannten Embedded-Modul-Standards die besonderen Audiofunktionen des i.MX8M nur zum Teil unterstützen, ist ein Design in einem vorgegebenen Formfaktor nicht sehr empfehlenswert.

Beim i.MX8X gibt es in Summe drei Pin-kompatible CPU-Varianten, zwischen denen je nach benötigter Rechenleistung und Grafikperformance gewählt werden kann. Verfügbar ist ein Dual Core und ein Dual Plus Core mit erweiterten Grafikfunktionen sowie ein Quad Plus Core, der das obere Ende des Leistungsspektrums bildet. Die beiden Plus-Varianten der CPU verwenden als GPU die GC7000 Lite, die Dual Core Variante nutzt die GC7000 Ultra Lite. NXP setzt beim Kern auf die bisher weniger bekannte Cortex-A35-Architektur. Bei ihr muss auf ein sehr ausgewogenes Energieverhalten geachtet wurde. Als nennenswerte Schnittstellen wurden ein Kamera-Interface, ein USB-3.0-Anschluss, eine PCIe-Lane und zwei Gigabit–Ethernet-Ports integriert. Zudem können bis zu drei CAN-FD-Busse genutzt werden.

i.MX8X: Gut für SMARC 2.0

Beim i.MX8X gibt es gegenüber den anderen CPU-Familien die Möglichkeit, bei Verwendung von DDR3L eine ECC-Funktion (Error Correcting Code) zur automatischen Fehlerkorrektur zu nutzen. Aufgrund der integrierten Sicherheitsfunktionen ist eine Zertifizierung für Applikationen mit hohen Safety-Anforderungen möglich. Der enthaltene Cortex-M4-Controller übernimmt unabhängig von den Main Cores Steuerungs- und Sicherheitsaufgaben.

Mit dem integrierten Audio DSP Core, der vom i.MX8 übernommen wurde, lassen sich anspruchsvolle Audiofunktionen umsetzen. Durch die vielfältigen und gut gewählten Funktionalitäten lässt sich besonders gut ein Design auf Basis des SMARC-2.0-Standards realisieren. Dieser ermöglicht eine optimierte Schnittstellennutzung ohne große Einschränkungen. Ideal für die i.MX8-CPU sind Steuerungen aus den Bereichen Industrie- und Gebäudeautomation, Robotik, HMI, Gebäudeleittechnik, POI-Systeme und Infotainment. Aufgrund des guten Preis-Leistungsverhältnis wird die CPU-Familie zukünftig in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Der i.MX8 ist die größte und rechenleistungsstärkste CPU-Familie aus der i.MX8-Serie. Sie basiert auf bis zu zwei Cortex-A72- und gleichzeitig bis zu vier Cortex-A53-Cores. Bis zu drei CPU-Varianten sind Pin-zu-Pin-kompatibel und können in einem Design verwendet werden. Maximal 377 Signalpins, ohne Speicher, GND und VCC, stehen Anwendern zur Verfügung. Damit können sehr viele Schnittstellen gleichzeitig realisiert werden. Beim i.MX8 Quad und Quad Plus wurden jeweils zwei GPUs vom Typ GC7000 Lite XSVX integriert, die für eine umfassende Grafikleistung sorgen. Eine Steigerung ist beim i.MX8 Quad Max zu sehen. Hier werden gleich zwei GC7000 XSVX verwendet, die einen nochmaligen Performancegewinn bringen. Insgesamt hebt sich der i.MX8 durch die Anzahl der Cores und deren Architektur deutlich von den anderen drei CPU-Familien ab.

Ein besonderes Feature des i.MX8 ist eine vollständige Chip-Virtualisierung mit einer Hardware-Isolation. Sie ermöglicht es unabhängige Anzeigepfade zu verwenden. Mit dieser Funktion können mehrere Betriebssysteme und deren Grafikausgabe komplett voneinander getrennt auf die verfügbaren Cores aufgeteilt werden. Ein weiterer Vorteil ist ein integrierter Audio DSP, der eine Signalvorverarbeitung von Daten erlaubt. Der i.MX8 bietet eine große Schnittstellenvielfalt. Er verfügt jeweils über zwei PCIe-3.0- und Gigabit-Ethernet- und drei CAN-FD-Schnittstellen sowie eine USB-3.0- und eine SATA3-Schnittstelle. Mit dieser Auswahl können Entwickler auch sehr anspruchsvolle Projekte realisieren. Zur Unterstützung der Haupt-CPUs bei Echtzeit- und Sicherheitsanwendungen wurden gleich zwei Cortex-M4-Kerne integriert.

Volle Chip-Virtualisierung

Die i.MX8-Familie ist aufgrund der vielen Schnittstellen und der Anzahl der Cores die teuerste der CPU-Serie. Allerdings können bei der Realisierung eines Embedded-Moduls in einem festen Formfaktor eine Vielzahl der Funktionen eines i.MX8-CPUs nicht genutzt werden. Die optimale Verwendung und Auslastung des Prozessors ist in einem solchen Fall stark eingeschränkt.

Die i.MX8-CPU-Serie von NXP besteht aus insgesamt vier verschiedenen Produktfamilien, die jeweils drei Pin-kompatible CPU-Varianten bereitstellen. Die Prozessorreihe kombiniert zahlreiche Funktionen, Schnittstellen und Leistungsklassen für zukunftsorientierte Designs. Je nach Anforderungen des jeweiligen Designs kann der am besten passende Kern ausgewählt werden. Aus diesem Grund stellt die i.MX8-CPU-Serie eine geeignete Plattform für Anwendungen aus sehr unterschiedlichen Bereichen dar: Von Mensch-Maschinen-Interfaces (HMI) über Industriesteuerungen, intelligenten Kameras, der Gebäude- und Home-Automatisierung bis hin zu medizinischen Anwendungen. TQ-Systems als Early-Access-Partner von NXP bietet derzeit Embedded-Module auf Basis von drei der vier CPU-Familien an.

Bildergalerie

  • i.MX8X-CPUs bieten ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Sie eignen sich besonders gut für SMARC-2.0-Module, wie das TQMa8XxS von TQ-Systems.

    Bild: TQ-Systems

  • Boards nach den bekannten Embedded-Standards unterstützen die besonderen Audiofunktionen der CPU nur teilweise. Es ist deshalb sinnvoll, auf ein speziell angepasstes Modul, wie das TQMa8Mx von TQ-Systems, zu setzen.

    Bild: TQ-Systems

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