2012年，恩智浦推出了FRDM開發(fā)板，作為面向新一代MCU產(chǎn)品的可擴(kuò)展、低成本開發(fā)平臺(tái)。首批FRDM開發(fā)板配備了板載調(diào)試器、實(shí)用的板載傳感器以及標(biāo)準(zhǔn)化IO接口 (Header Interface)，可與現(xiàn)有的擴(kuò)展板 (Shield) 生態(tài)系統(tǒng)配合使用。憑借強(qiáng)大的功能和親民的價(jià)格，F(xiàn)RDM-KL5Z等產(chǎn)品迅速贏得工業(yè)界、學(xué)術(shù)界及創(chuàng)客群體的廣泛青睞。隨后幾年，F(xiàn)RDM生態(tài)系統(tǒng)不斷發(fā)展，增加了MCX系列MCU，如今更是迎來了i.MX應(yīng)用處理器的加入。

本文節(jié)選自恩智浦白皮書《從MCU擴(kuò)展到MPU：面向應(yīng)用處理器的恩智浦FRDM平臺(tái)》，獲取更豐富的FRDM平臺(tái)相關(guān)技術(shù)資訊，請下載并閱讀完整版本白皮書。

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FRDM i.MX 93

賦能先進(jìn)邊緣AI/ML應(yīng)用

FRDM i.MX 93開發(fā)平臺(tái)是恩智浦將強(qiáng)大的i.MX應(yīng)用處理器引入FRDM生態(tài)系統(tǒng)的首款產(chǎn)品。

FRDM i.MX 93平臺(tái)的核心是i.MX 9352應(yīng)用處理器，配備雙核Arm Cortex-A55處理器 (主頻1.7GHz) 以及一個(gè)專用Cortex-M33實(shí)時(shí)內(nèi)核 (主頻250MHz)。i.MX 93 MPU的一大特色是搭載了Arm Ethos-U65神經(jīng)處理單元 (NPU)，可提供高達(dá)0.5 TOPS的AI/ML加速能力。該NPU使開發(fā)者能夠直接在邊緣設(shè)備上實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)推理，支持從計(jì)算機(jī)視覺到語音識別的多種應(yīng)用，且能效表現(xiàn)出色。

在連接方面，該板卡提供的選項(xiàng)包括搭載恩智浦IW612三頻無線功能的u-blox MAYA-W276模塊，支持WiFi 6、藍(lán)牙5.2以及用于Thread和Zigbee應(yīng)用的IEEE 802.15.4。它配備雙千兆以太網(wǎng)端口，其中一個(gè)支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 功能。TSN支持對于需要確定性通信和保證延遲的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用尤為重要，使FRDM i.MX 93成為工業(yè)4.0開發(fā)的理想選擇。

圖1：FRDM i.MX 93開發(fā)平臺(tái)

除了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的40腳擴(kuò)展接口外，F(xiàn)RDM i.MX 93還配備一個(gè)專用的2x5腳恩智浦接口。該接口通過一個(gè)板載收發(fā)器提供直接CAN總線支持、雙ADC通道以及I2C/I3C擴(kuò)展功能。原生CAN總線功能的引入對于工業(yè)、機(jī)器人及汽車應(yīng)用尤為重要，可直接集成至現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)，而無需額外的接口硬件。面向工業(yè)應(yīng)用的I/O設(shè)計(jì)使FRDM i.MX 93不同于其他通用應(yīng)用處理器開發(fā)板。

圖2：FRDM i.MX 93開發(fā)平臺(tái)框圖

對于計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用，該板卡提供多種顯示接口選項(xiàng)，包括MIPI-DSI、LVDS轉(zhuǎn)HDMI輸出以及用于攝像頭輸入的MIPI-CSI接口。FRDM i.MX 93延續(xù)了FRDM平臺(tái)強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，使開發(fā)者能夠利用包括LCD顯示屏、攝像頭模塊和音頻HAT在內(nèi)的兼容擴(kuò)展板生態(tài)系統(tǒng)。

圖3：連接了擴(kuò)展配件的FRDM i.MX 93

FRDM i.MX 91

面向入門級工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

FRDM i.MX 91是該系列的第二款產(chǎn)品，將恩智浦FRDM平臺(tái)擴(kuò)展至入門級嵌入式Linux應(yīng)用領(lǐng)域，涵蓋從智能家居控制器、聯(lián)網(wǎng)家電到工業(yè)控制系統(tǒng)和醫(yī)療平臺(tái)的多種應(yīng)用。

i.MX 91配備單核Arm Cortex-A55處理器，主頻最高達(dá)1.4GHz，可在保持高能效的同時(shí)提供運(yùn)行Linux應(yīng)用所需的性能。該板卡是理想的入門級低成本Linux平臺(tái)，同時(shí)為現(xiàn)有i.MX 6ULL設(shè)計(jì)提供了升級遷移路徑。

FRDM i.MX 91保留了與FRDM i.MX 93相同的擴(kuò)展接口，包括標(biāo)準(zhǔn)的40腳接口和2x5腳恩智浦專用接口。這種兼容性使開發(fā)者可在任一開發(fā)板上進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，然后根據(jù)不斷變化的項(xiàng)目需求輕松遷移至另一平臺(tái)，而無需重新設(shè)計(jì)硬件或更換連接器。

在連接方面，F(xiàn)RDM i.MX 91配備u-blox MAYA-W476模塊，集成恩智浦IW610三頻無線功能，支持WiFi 6、藍(lán)牙以及用于Thread和Zigbee應(yīng)用的IEEE 802.15.4協(xié)議。

與FRDM i.MX 93類似，它同樣配備雙千兆以太網(wǎng)端口，其中一個(gè)支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN)。

圖4：i.MX 91開發(fā)平臺(tái)框圖

跨FRDM i.MX平臺(tái)的可擴(kuò)展軟件開發(fā)

FRDM i.MX平臺(tái)支持Yocto Project，這是一個(gè)開源協(xié)作項(xiàng)目，提供為嵌入式產(chǎn)品創(chuàng)建定制Linux系統(tǒng)所需的模板、工具和方法。Yocto使開發(fā)者能夠構(gòu)建量身定制的Linux系統(tǒng)，僅包含具體應(yīng)用所需的元器件，因此可以最小化系統(tǒng)占用空間并優(yōu)化性能。

恩智浦為FRDM i.MX 91和FRDM i.MX 93開發(fā)板提供全面的Yocto板級支持包 (BSP)。這些BSP包含針對i.MX硬件專門配置的Linux內(nèi)核修改、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和引導(dǎo)加載程序。FRDM i.MX 91和FRDM i.MX 93開發(fā)板共享相同的基礎(chǔ)軟件架構(gòu)。這種一致性意味著開發(fā)者只需學(xué)習(xí)一次構(gòu)建系統(tǒng)、配置流程和開發(fā)流程。各平臺(tái)的構(gòu)建命令和環(huán)境設(shè)置幾乎完全一致。

對于偏好傳統(tǒng)Linux開發(fā)體驗(yàn)的開發(fā)者，F(xiàn)RDM i.MX平臺(tái)提供了全面的Debian支持。恩智浦Debian Linux SDK發(fā)行版將恩智浦提供的內(nèi)核和引導(dǎo)程序與基于Debian的用戶空間相結(jié)合，提供一個(gè)熟悉的環(huán)境，而且可以訪問數(shù)千個(gè)預(yù)構(gòu)建軟件包。

恩智浦的Flexbuild工具簡化了Debian鏡像的創(chuàng)建和定制，使開發(fā)者能夠快速生成包含項(xiàng)目所需基礎(chǔ)系統(tǒng)、多媒體組件和附加應(yīng)用精確組合的SD卡鏡像。使得Debian的穩(wěn)定性和軟件易用性與針對i.MX硬件優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)程序及BSP組件相結(jié)合。

預(yù)構(gòu)建鏡像與通用更新工具

FRDM i.MX軟件平臺(tái)通過預(yù)構(gòu)建的Linux鏡像加速開發(fā)進(jìn)程。開發(fā)者在開箱后即可立即開始應(yīng)用原型設(shè)計(jì)，并靈活選擇多種操作系統(tǒng)以滿足特定需求和偏好。這些鏡像提供一個(gè)具備基本功能的典型系統(tǒng)，適用于硬件評估和應(yīng)用開發(fā)，而無需進(jìn)行定制構(gòu)建。

通用更新工具 (UUU) 進(jìn)一步簡化了部署流程，使開發(fā)者能夠通過簡單命令將鏡像燒錄至SD卡或板載eMMC。這不僅提供了便捷的入門路徑，同時(shí)也支持根據(jù)需求變化對Linux鏡像進(jìn)行高級定制。

適用于i.MX應(yīng)用處理器的GoPoint

FRDM i.MX 93的預(yù)構(gòu)建鏡像包括面向i.MX應(yīng)用處理器的GoPoint——一款用戶友好的應(yīng)用啟動(dòng)器 (launcher)， 旨在突顯i.MX 93的特殊功能。它提供對預(yù)構(gòu)建演示程序的即時(shí)訪問，涵蓋從機(jī)器學(xué)習(xí)推理到多媒體處理的各種用例。

當(dāng)前展示平臺(tái)能力的演示包括圖像分類、物體檢測、智能健身 (含姿態(tài)估計(jì)) 和駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)。每個(gè)演示都包含存放于GitHub上的源代碼和實(shí)現(xiàn)方法，使開發(fā)者能夠理解其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并將其調(diào)整用于自己的應(yīng)用。

圖5：GoPoint界面中的圖像分類示例

應(yīng)用代碼中心與擴(kuò)展板中心

恩智浦的應(yīng)用代碼中心是一個(gè)集中存儲(chǔ)庫，提供由恩智浦專家開發(fā)的大量軟件示例、應(yīng)用演示和代碼片段。在這里，工程師能夠快速找到針對特定硬件功能或應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)示例。

擴(kuò)展板中心重點(diǎn)展示可與應(yīng)用演示配套使用的兼容擴(kuò)展板。

FRDM i.MX平臺(tái)的軟件組件通過開源渠道提供，源代碼可通過恩智浦GitHub代碼庫獲取。這種開放方式確保開發(fā)者能夠全面了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，并可在從內(nèi)核驅(qū)動(dòng)到應(yīng)用框架的任何層級進(jìn)行修改。

可擴(kuò)展平臺(tái)允許以循序漸進(jìn)的方式逐步擴(kuò)展功能。項(xiàng)目可從任一開發(fā)板上的基礎(chǔ)Linux功能起步，隨后逐步添加更復(fù)雜的功能，如圖形界面、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或AI處理能力。

由于整個(gè)平臺(tái)的底層軟件架構(gòu)保持一致，每項(xiàng)新學(xué)到的或集成的能力都可作為未來項(xiàng)目中可復(fù)用的資產(chǎn)，無論其具體針對哪款開發(fā)板。

圖6：應(yīng)用代碼中心界面，包含用于MCU和MPU開發(fā)的多種應(yīng)用演示與代碼片段

全面且一致的安全功能

安全功能在各FRDM i.MX平臺(tái)中的實(shí)施保持一致，為保護(hù)連接的邊緣設(shè)備奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

FRDM i.MX 91和FRDM i.MX 93均支持恩智浦EdgeLock Secure Enclave高級配置，提供硬件加速的安全功能和安全密鑰存儲(chǔ)。該方案通過EdgeLock 2GO支持OTA密鑰管理、加密更新及運(yùn)行時(shí)設(shè)備保護(hù)，確保網(wǎng)絡(luò)韌性。整個(gè)平臺(tái)采用一致的安全框架，使開發(fā)者能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)健的數(shù)據(jù)保護(hù)和安全通信，而且在不同平臺(tái)間遷移時(shí)無需重新設(shè)計(jì)安全架構(gòu)。

先進(jìn)的快速啟動(dòng)能力

FRDM i.MX平臺(tái)集成了先進(jìn)的快速啟動(dòng)技術(shù)，這對需要快速啟動(dòng)的應(yīng)用至關(guān)重要。恩智浦在整個(gè)啟動(dòng)鏈中實(shí)施了多項(xiàng)優(yōu)化措施，以顯著縮短應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)間。FRDM i.MX平臺(tái)中最重要的啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)化措施之一是Falcon模式；該模式允許次級程序加載器 (SPL) 直接加載并啟動(dòng)Linux內(nèi)核，完全跳過完整的U-Boot加載與初始化過程。與標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)序列相比，此方法可將啟動(dòng)時(shí)間縮短至數(shù)秒。

結(jié)合文檔中提供的其他優(yōu)化措施，F(xiàn)RDM i.MX 93從上電到用戶應(yīng)用的啟動(dòng)時(shí)間可低至2.3秒，非常適合汽車系統(tǒng)和工業(yè)控制器等對啟動(dòng)時(shí)間有嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場景。

實(shí)現(xiàn)從MCU到MPU開發(fā)的平滑擴(kuò)展

雖然FRDM平臺(tái)歷來主要面向微控制器開發(fā)，但FRDM i.MX開發(fā)板的推出實(shí)現(xiàn)了從微控制器開發(fā)到應(yīng)用處理器開發(fā)的無縫過渡。這種統(tǒng)一方法使開發(fā)者能夠利用熟悉的工具和方法，同時(shí)逐步進(jìn)行擴(kuò)展以滿足更復(fù)雜的處理需求。

FRDM i.MX 93通過集成的250MHz Cortex-M33內(nèi)核與雙核Cortex-A55應(yīng)用處理器提供了一種獨(dú)特的混合架構(gòu)。這種異構(gòu)架構(gòu)為開發(fā)者帶來了雙重優(yōu)勢:基于Linux的應(yīng)用處理能力與實(shí)時(shí)確定性控制能力相結(jié)合。Cortex-M33內(nèi)核由熟悉的MCUXpresso SDK支持，為開發(fā)者提供與傳統(tǒng)MCU項(xiàng)目一致的開發(fā)體驗(yàn)。

開發(fā)團(tuán)隊(duì)可立即應(yīng)用現(xiàn)有MCU專業(yè)知識，在M33內(nèi)核上開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用，同時(shí)逐步探索A55應(yīng)用處理器提供的附加能力。

圖7：MCUXpresso SDK構(gòu)建器 (builder) 支持在FRDM生態(tài)系統(tǒng)中共享的M33內(nèi)核上進(jìn)行可擴(kuò)展開發(fā)

ZephyrRTOS:連接MCU與MPU的橋梁

i.MX生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)已開始支持Zephyr RTOS。Zephyr是一種現(xiàn)代化、可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)，既能運(yùn)行在微控制器 (MCU) 上，也能運(yùn)行在應(yīng)用處理器 (MPU) 上，從而在MCU開發(fā)模式和MPU開發(fā)模式之間架起了一座橋梁。

靈活的開發(fā)路徑

這種多功能環(huán)境使開發(fā)團(tuán)隊(duì)能根據(jù)特定需求和技術(shù)專長選擇不同的開發(fā)路徑:

1傳統(tǒng)MCU到MPU遷移

開發(fā)團(tuán)隊(duì)可從Cortex-M33上熟悉的MCU開發(fā)起步，隨著應(yīng)用復(fù)雜度提升逐步擴(kuò)展至在A55核心上運(yùn)行Linux。

2注重實(shí)時(shí)性的MPU開發(fā)

開發(fā)者可在A55內(nèi)核上利用Zephyr構(gòu)建具有確定性行為的高性能應(yīng)用，而無需適用Linux系統(tǒng)。

3混合開發(fā)模式

項(xiàng)目可在A55內(nèi)核上運(yùn)行Linux以支持豐富的應(yīng)用，同時(shí)在M33內(nèi)核上運(yùn)行裸機(jī)或RTOS代碼以處理關(guān)鍵實(shí)時(shí)任務(wù)。另一種范式是支持更先進(jìn)的低功耗實(shí)現(xiàn)方案: 當(dāng)A55處于低功耗睡眠狀態(tài)時(shí)，由M33處理傳感和控制任務(wù)。

4漸進(jìn)式RTOS擴(kuò)展

開發(fā)團(tuán)隊(duì)可基于Zephyr構(gòu)建初始運(yùn)行于FRDM-MCXN947等MCU的應(yīng)用，隨后擴(kuò)展至i.MX 91和i.MX 93等更強(qiáng)大的處理器，同時(shí)保持相同的RTOS環(huán)境。

FRDM i.MX平臺(tái)打破了傳統(tǒng)MCU開發(fā)與MPU開發(fā)之間的界限，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者創(chuàng)造了前所未有的機(jī)會(huì)。通過在統(tǒng)一的硬件生態(tài)系統(tǒng)中提供多種編程模型，恩智浦使開發(fā)者能夠根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的性能需求、確定性與開發(fā)復(fù)雜度，選擇最優(yōu)平衡方案，同時(shí)在整個(gè)平臺(tái)上復(fù)用現(xiàn)有代碼、工具與專業(yè)知識。

不斷擴(kuò)展的FRDM i.MX生態(tài)系統(tǒng)

FRDM i.MX 91和FRDM i.MX 93的推出標(biāo)志著恩智浦FRDM 開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的重大演進(jìn)，將其經(jīng)過驗(yàn)證的微控制器開發(fā)方法延伸至應(yīng)用處理器領(lǐng)域。這些開發(fā)板成功兌現(xiàn)了公司承諾：創(chuàng)建真正可擴(kuò)展的開發(fā)環(huán)境，彌合MCU與MPU設(shè)計(jì)之間的鴻溝，為開發(fā)者提供前所未有的靈活性，幫助正確匹配計(jì)算資源與應(yīng)用需求。

當(dāng)前的FRDM i.MX產(chǎn)品系列為快速開發(fā)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。FRDM i.MX 91是開發(fā)者從MCU設(shè)計(jì)過渡到Linux應(yīng)用設(shè)計(jì)的理想入門平臺(tái)，具備工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與連接邊緣設(shè)備所需的基本處理能力。

FRDM i.MX 93則在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，配備雙核Cortex-A55處理器、專用Cortex-M33實(shí)時(shí)處理器，以及用于AI/ML加速的Arm Ethos-U65 NPU，可支持計(jì)算機(jī)視覺、語音識別和復(fù)雜控制系統(tǒng)等更高級應(yīng)用。

這兩個(gè)平臺(tái)均秉承FRDM開放硬件與軟件的傳統(tǒng)，提供全面的文檔和豐富的示例應(yīng)用。針腳兼容性、一致的擴(kuò)展接口以及可擴(kuò)展的軟件支持相結(jié)合，打造卓越的開發(fā)體驗(yàn)，顯著加快基于i.MX應(yīng)用處理器的嵌入式系統(tǒng)上市進(jìn)程。

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