汽车图形密集型仪表组设计的解决方案

高度集成的片上系统（SoC）设备（如NXP i.MX6应用处理器）为复杂的图形密集型汽车应用（如仪表板）创建可扩展平台提供了有效的方法。这些SoC与这些应用中所需的存储器，通信和其他外设的组合对确保适当的电压，电流和功率排序提出了重要要求。对于设计人员而言，这些汽车SoC与专用电源管理SoC（如恩智浦MMPF0100）的结合，可以显着简化平台设计，从简单的仪表盘到经济型汽车一直到豪华的高性能可重构3D系统车辆。

在任何车辆中，仪表板仪表组是驾驶员关于车辆状态的主要信息来源。然而，车辆仪表显示的性质正在迅速变化。消费者越来越多地要求他们在家庭娱乐系统中发现的驾驶数字体验，并将其随身携带在移动设备中。此外，在车辆内部，车辆子系统的快速数字化在驾驶员可获得的信息的广度和深度方面发生了显着变化。

为了应对这种不断变化的环境，汽车制造商正在超越传统的模拟仪表信息丰富的图形显示。作为演变的一部分，仪表板正在迅速发展，增加了彩色2D和3D图形，旨在安全地为驾驶员提供从更多数字数据源获取的信息。与此同时，制造商希望获得经济高效的解决方案，以满足不断增长的数字仪表板需求。这些仪表板的范围从经济型或车辆线路功能更为有限的设计到提供高级可定制显示器的豪华产品（图1）。

图1：汽车制造商正在转向使用2D和3D图形的可定制仪表板，以便安全地向驾驶员提供数字化所提供的大量信息车辆中的子系统。 （图片来源：Wikimedia Commons/Robert Basic）

对于开发人员来说，设计这些复杂子系统的传统方法可能远远落后于不断增长的需求。例如，围绕通用处理器构建的传统嵌入式系统设计通常缺乏所需的图形性能。此外，创建能够从更有限的功能扩展到完全实现的可定制仪器的设计可能是最有问题的。传统方法至少需要对硬件进行大量更改，以提供扩展基本设计以提供高端性能所需的增量功能。不可避免的是，这种强制性的功能增强方法导致高度专业化的产品设计激增，可能存在不兼容的代码库。

可扩展平台

复杂仪器集群的设计为开发人员提供了巨大的挑战，可以提供能够实时呈现复杂，快速变化的信息的复杂图形系统。然而，即使这些系统通常也需要更传统的微控制器功能来处理底层通信和外围设备，例如音频。为了平衡基本系统要求与高级图形性能要求，汽车设计人员应考虑使用专用SoC来增强更熟悉的基于MCU的设计，从而加速图形和高级应用程序代码的执行（图2）。

图2：为了满足对高性能2D和3D图形的需求，汽车工程师利用NXP等专用SoC增强了传统的基于微控制器的设计.MX6处理器能够加速应用程序代码和图形操作的处理。 （图片来源：恩智浦半导体）

恩智浦i.MX6系列应用SoC为汽车仪表板设计提供了一种特别有效的解决方案。在大多数情况下，开发人员可以通过插入最符合成本和性能应用要求的i.MX6系列成员来扩展现有的基于i.MX6的仪表板设计。实际上，i.MX 6系列旨在作为可扩展平台，用于需要多个ARM Cortex-A9处理器和集成图形处理单元（GPU）以实现高性能图形的应用。

要求苛刻i.MX6DualPlus和i.MX6QuadPlus系列可重配置3D仪器集群，分别提供双核和四核性能。除了运行高达1.2 GHz的多核外，这些设备还包括1 MB L2缓存，优化的64位DDR3或2通道32位LPDDR2支持，以及集成的FlexCAN，MLB总线，PCI Express和SATA-2连接。此外，这些器件还包括LVDS，MIPI显示端口，MIPI相机端口以及高端汽车多媒体应用中通常需要的HDMI v1.4接口。对于要求不高的应用，i.MX6Solo等设备提供了更低成本的选择，但仍然结合了单个ARM Cortex-A9内核，图形加速，512 KB L2缓存和1 x 32 LP-DDR2内存接口以及全板连接选项。

i.MX6成员在整个系列中提供接近插入引脚的兼容性。然而，在实践中，配置上的一些差异阻碍了完全插入式可扩展性。例如，i.MX6DualPlus和i.MX6QuadPlus在某些引脚上提出了一些小但不同的要求。四核系统将VDD_ARM_IN引脚连接到电源，而双核系统通常将这些引脚短接，VDD_ARM23_CAP引脚接地以减少泄漏。四核系统设计需要在VDD_ARM23_CAP引脚上放置外部电容。该系列的低端成员在引脚配置方面引入了一些额外的差异。一般而言，与家庭成员提供的整体引脚兼容性相比，这些差异相对较小。

图形加速

恩智浦i.MX6系列的成员集成了专门用于加速2D和3D图形的GPU。例如，内置GPU3D内核提供了一个完整的高性能图形处理管道，能够加速用于不断增长的消费类应用（包括汽车仪表板显示器和抬头显示器）的3D图形的着色，纹理和渲染（图3）。

图3：在NXP i.MX6系列的高性能成员中，集成的2D和3D图形处理单元（GPU）使用流水线处理加速图形操作。 （图片来源：恩智浦半导体）

i.MX6系列的不同成员在图形管道中提供不同的深度，可扩展到低成本设备的低性能。在该系列的高端，i.MX6DualPlus和i.MX6QuadPlus提供2DBLT，八层合成，以及720 MHz的四个着色器以及嵌入式预取和解析引擎。相比之下，成本较低的i.MX6Solo支持2DBLT，单个着色器为528 MHz。

无论底层处理器如何，开发人员都可以通过多种行业标准图形充分利用可用的加速成像资源API包括用于嵌入式系统的OpenGL（OpenGL ES），它能够利用i.MX6 GPU加速3D图形。同样，i.MX6集成R2D GPU旨在加速用于图形用户界面（GUI）和菜单显示的OpenVG 2D矢量图形。

设计环境，例如来自恩智浦或第三方的设计环境杠杆这些API简化了仪表板应用程序的软件开发。事实上，开发人员可以找到软件库和代码，以对软件工程师透明的方式充分利用硬件加速图形。例如，i.MX 6系列GPU软件开发工具包（SDK）包含简单OpenGL ES 2.0应用程序的工作示例和教程。

超越特定图形代码，第三方软件包，如Green Hills平台对于仪器集群，提供基于可扩展的实时操作系统（RTOS）系列的全面软件解决方案，以满足低延迟，高性能汽车数字显示应用的严格要求。

复杂的电源要求

高度集成的设备（如i.MX6汽车SoC）可帮助开发人员满足可扩展仪表板设计的各种要求。然而，在单个设备中集成如此多的功能时，这些复杂的设备可能会产生很大的功率要求。此外，这些设计中广泛的支持外设和接口加剧了确保正确电源管理的问题。

在仪表板图形系统中，开发人员可能需要结合使用高性能的i.MX6Dual或i。 MX6Quad处理器具有多个接口和子系统。这些包括内存，无线连接，蓝牙，GPS，音频放大器，各种传感器，摄像头输入和多种通信接口，如USB，HDMI，SATA，LVDS和mPCIe。当然，SoC中的每个电路以及基于SoC的系统中的每个支持模块和外围设备都需要在特定电压和电流水平下供电。

此外，运行这个复杂系统的每个电源轨需要通电按特定顺序进行，以确保正确的系统启动和正确激活电路和模块。同样，这些电路和组件必须按特定顺序断电。

任何与正常上电或断电序列的偏差都可能导致上电期间电流过大，可能会对电源造成不可逆转的损坏。 SoC的处理器内核，其他SoC集成模块，或整个系统中的其他组件。因此，必须在初始化期间以及正常操作期间监视每个设备和电源轨的故障。特别是在汽车行业，由于初始化不当或意外断电导致的电源故障会迅速降低客户对产品的信心，甚至会升级为车辆召回。

对于这些复杂的基于SoC的系统，电源管理基于传统的分立功率器件最多是不切实际的。通常，即使单个分立DC-DC开关调节器也需要许多分立无源器件来支持各种参数的编程，例如电压输出，软启动，频率，输入/输出滤波，排序延迟，闭环补偿，同步等。即使是基本的低压差（LDO）稳压器也需要多个元件用于输入/输出，软启动和启动延迟编程。

通过增加大量外部元件，可以实现分立式电源解决方案根据经典的零件计数可靠性标准，体积大且不可靠。仅就尺寸而言，典型的2-3A降压调节器可占据印刷电路板面积的约100-150mm 2 。典型的200-300mA LDO可能需要约25mm 2 的印刷电路板面积。由于典型的基于SoC的汽车仪表板设计可能需要六个LDO和相同数量的DC-DC转换器，因此车辆产品工程师会发现自己不得不将庞大的功率封装挤压到仪表板设计中，以保持时尚和尺寸效率。/p>

相比之下，电源管理SoC（如NXP MMPF0100，提供多达六个DC-DC转换器和六个LDO）使开发人员能够缩小BOM和最终设计本身的尺寸。仅就节省空间而言，MMPF0100设计可适用于印刷电路板面积约350 mm 2 ，而等效离散解决方案则需要约800 mm 2 pc-board不动产。

MMPF0100旨在补充i.MX6 SoC，旨在为包括i.MX6 SoC，内存在内的完整系统提供多个电源轨 - 按所需顺序初始化 - 和系统外围设备（图4）。 MMPF0100具有四个降压调节器，提供多达六个独立输出，一个升压调节器，六个通用LDO，一个开关/LDO组合以及一个DDR电压基准，用于为i.MX6 SoC和外围器件提供电压。

图4：先进的电源管理SoC（如NXP MMPF0100）能够为基于i.MX6的系统提供所有电源轨（A ），以特定的开发人员编程序列（B）为每个轨道供电。（图像来源：恩智浦半导体）

设计人员可以将独立降压稳压器输出的数量从4配置为6。这种灵活性允许稳压器输出以更高的电流能力运行，或作为独立输出运行，用于需要更低电流但更多电压轨的应用。该器件的降压调节器可满足i.MX6处理器内核以及IO和内存等其他低压电路的供电要求。此外，内置动态电压调节功能可为处理器内核和其他电路提供受控电源轨调节。

MMPF0100专为实现最大灵活性而设计，提供一系列寄存器，用于控制每个电源设备的运行。 SoC（图5）。工程师通过加载器件的片上一次性可编程（OTP）存储器或使用特殊的“先试后买”模式来设置电压，序列和其他操作参数，以便在OTP存储器加载之前进行原型设计和测试器件配置。

熔丝寄存器名称寄存器位说明5：0 OTP SW1AB VOLT SW1AB_VOLT [5：0] SW1AB上电电压6 - - RSVD 11：7 OTP SW1AB SEQ SW1AB_SEQ [4：0] SW1AB上电序列13： 12 OTP SW1AB CONFIG SW1AB_FREQ [1：0] SW1AB上电频率15:14 OTP SW1AB CONFIG CONFIG [1：0] SW1A/B/C上电配置18:16OTPI²CCADDRI²C_SLV_ADDR[3.0] 3 LSB从机地址19 OTP EN ECC0 EN_ECC_BANK1为OTP熔丝组1启用ECC 25:20 - - 熔丝组1的ECC校验位

图5：复杂的电源管理SoC（如NXP MMPF0100）提供专用寄存器（顶部显示的样本），用于简化片上电源模块的编程（底部）。 （图片来源：恩智浦半导体）

结论

通过将ARM Cortex-A9内核与专用GPU集成，恩智浦i.MX6系列汽车应用SoC满足了对高端产品日益增长的需求图形密集型仪表组设计的性能解决方案。同时，这些设计呈现出越来越复杂的功率要求，这限制了传统分立电源解决方案的有效性。通过将i.MX6 SoC与恩智浦MMPF0100电源管理SoC相结合，开发人员可以快速为汽车仪表板创建高效的平台。此外，i.MX6系列成员的性能范围和近插入引脚兼容性使开发人员可以更轻松地将设计从入门级系统扩展到高性能3D解决方案。因此，开发人员可以限制多种设计的扩散，并且可以更轻松地维护各种产品的代码兼容性。