Visualisierungsanwendungen: Welcher Prozessor passt zu welchem Speicher?

Hoch komplizierte, smarte Anwendungen – Audiobearbeitung, Gesichtserkennung, Gateway, etc. – benötigen Hochleistungs-MPU-Reihen wie RZ/A und RZ/G. Besonders charmant ist dabei nicht nur die hohe Leistungsfähigkeit: Die Reihen bieten jeweils einen 2D- (RZ/A) oder 3D-Grafik-Controller (RZ/G) und -Beschleuniger, der zwei Videokanäle mit hoher Auflösung unterstützt. Die RZ/A und RZ/G-Familien bieten die Möglichkeit, ein zusätzliches DRAM für Datenspeicher hinzuzufügen. Zudem verfügt die MPU der RZ/A1-Reihe – im Gegensatz zu Prozessoren anderer Hersteller, die ausschließlich mit externem RAM und Flash arbeiten – über einen integrierten On-Chip-Speicher von bis zu 10 MByte SRAM. Code und Daten (einschließlich grafischer Daten) lassen sich direkt aus dem großen SRAM oder über XIP dem externen QSPI-Speicher herausführen oder lesen.

Bemerkenswert ist auch, dass der QSPI-Flash im DDR-Modus laufen und die Geschwindigkeit des NOR-Flashs verdoppeln kann. Die EMI-Problematik zwischen MPU und DRAM entfällt und es sind weniger Leiterplatten-Layer notwendig. Außerdem kann das beliebte QFP-Gehäuse zum Einsatz kommen. Diese Faktoren senken Produktions- und Entwicklungskosten deutlich. Angesichts des großen internen Speichers brauchen die Entwickler darüber hinaus keine weiteren Power-Management-ICs. Sollte der Kunde mehr RAM benötigen, bieten RZ/A1LC, RZ/A1L und RZ/A1lU auch eine SDRAM-Schnittstelle. Der RZ/A eignet sich daher gut für Entwicklungsingenieure, die eine leistungsstarke MPU brauchen, von einer MCU auf eine MPU umsteigen möchten und dennoch die Nachteile eines MPU-Designs vermeiden wollen.

Geballte Grafikpower

Bild 1: Durch eine eigene, leistungsfähige GPU (oben Mitte) mit vier Grafik-Bussen und eigenem Speicher hat die CPU im Renesas RZ/A jede Menge Luft für andere Aufgaben. Renesas

Dank der vier dezidierten internen Grafikbusse (AXI) mit je 32 Bit Breite bietet der RZ/A eine hohe Grafikperformance. Da sich interne SRAM als Frame Buffer (mit bis zu 10,64 Gbit/s) nutzen lässt, kann der Video-Controller das Bild schneller abrufen als bei einer Lösung mit externem DRAM. Der RZ/A unterstützt zwei unabhängige LCD-Displays mit einer Auflösung von 1280 × 800 Pixel und bis zu zwei CMOS-Kamera-Eingänge. Mit Hilfe der über Hardware beschleunigten 2D-Vektorgrafik (OpenVG) lässt sich eine attraktivere grafische Benutzeroberfläche erstellen, die bei Vergrößerung des Bildes nicht verzerrt wird. Dabei wird die Verarbeitung vom Kern zur GPU (Graphic Processing Unit) ausgelagert, so dass der MPU-Kern wichtigere Algorithmen ausführen kann. OpenVG eignet sich gut zum Beschleunigen von Flash-Speichern und skalierbaren Vektorgrafiken (Bild 1). Benötigt eine Applikation bestimmte Grafikeigenschaften, bietet Renesas drei verschiedene Tools zur Auswahl an: Display It!, Stream It! und das Genmai-CPU-Board. Hardware-Referenz-Designs (Pläne und Layout) sowie Demos stehen ebenfalls zur Verfügung.

Software – komfortabel und leistungsfähig

Bild 2: Bei RTOS stehen Entwicklern bei Rutronik vier Arten von Entwicklungsumgebungen zur Verfügung. Rutronik

Der RZ/A ist ein einfach anzuwendendes MPU-Produkt für Entwickler, die eine hohe Leistung wollen, ohne sich vollumfängliche, detailtiefe Linux-Kenntnisse aneignen zu müssen. Dank des Renesas-Ökosystems und der entsprechenden Community kann der Entwickler sich stärker auf die Anwendungsebene konzentrieren. Auf dem RZ/A können zwei Arten von Betriebssystemen laufen: RTOS oder Embedded Linux. Bei RTOS stehen den Kunden vier Arten von Entwicklungsumgebungen zur Verfügung: Renesas e²Studio, IAR, ARM DS-5 und Green Hills Multi (Bild 2).

Bild 3: Für die Mikroprozessoren der RZ/A-Reihe hat der Entwickler die Wahl aus unterschiedlichen GUI-Frameworks. Renesas

Die Software-Stacks mit Dateisystem, USB-Stack und Netzwerk-Stack für das jeweilige RTOS können von Express Logic, Segger und Micrium ausgewählt werden. Viele verschiedene GUI-Frameworks von Drittanbietern – Tes Guiliani (basiert auf Free-RTOS, kostenfrei, weil von Renesas lizenziert), Crank, Segger, Tara, Altia und Draupner – können die Entwicklung ebenfalls beschleunigen. Tes Guiliani ist für hoch qualifizierte GUI- Anwendungen geeignet und die 2D-Effekte erreichen optisch nahezu 3D-Niveau. Die Massenproduktionslizenz für Tes Guiliani basiert ebenfalls auf der Lizenz für Free-RTOS und ist somit gleichermaßen kostenfrei (Bild 3).

Wie bei der Entwicklung mit dem herkömmlichen Embedded-Linux kann der Entwickler LTS-Ubuntu-Linux als Host verwenden. Renesas bietet einen BSP-Porting-Guide und ein Tool, das bei der Erstellung des BSP behilflich ist, wenn der Kunde eine eigene Platine entwickelt. Auf der Plattform Github steht außerdem Uboot zur Verfügung, um zunächst einen gewissen Teil der Platine zu konfigurieren und Linux zu starten. Mit Hilfe von Buildroot lassen sich Cross-Compilation-Toolchain, Bootloader, Kernel und Image des Root-Dateisystems erstellen. Anwendung, Verständnis und Änderungen gestalten sich dadurch wesentlich einfacher. Dafür stehen auf Github zwei verschiedene Linux-Images (Linux 4.9 und 4.14) zur Verfügung.

Keine Leistung ohne Speicher

Leistungsfähigkeit alleine genügt jedoch nicht – ohne Programmspeicher geht auch bei RZ/A und RZ/G nichts. Um den fehlenden Programmspeicher eines Mikroprozessors abzudecken, wird also zusätzlich externer Flash benötigt. Da Visualisierungsanwendungen in der Regel hohe Speicherkapazitäten benötigen, reicht NOR-Flash oftmals nicht aus. Entwickler müssen auf NAND-Flash-Speicher zurückgreifen. Diese stehen in verschiedenen Varianten zur Verfügung – welche die richtige Wahl ist, hängt von den Anforderungen der Applikation ab.

SLC, MLC oder TLC?

Je nach dem Aufbau der Technologie sind SLC- (Single-level-cell), MLC- (Multi-level-cell) und TLC- (Triple-level-cell) Flash zu unterscheiden. Die SLC-Technologie speichert ein Bit pro Zelle, sodass im Floating Gate lediglich zwei verschiedene Spannungsniveaus existieren. Dadurch sind SLC-Flash-Speicher am zuverlässigsten, aber auch am teuersten.

Bild 4: Übersteht ein SLC-Flash-Speicher rund 100.000 Schreib/Lösch-Zyklen, kommt der MLC noch auf 3000 und der TLC auf 500. Renesas

Die MLC-Technologie, die zwei Bit pro Zelle speichert, muss bereits vier Spannungsniveaus im Floating Gate darstellen, die TLC-Technologie bringt es auf drei Bit pro Zelle und acht Spannungsniveaus. Wichtig ist hierbei die Betrachtung der Prozesstechnologie. Viele Hersteller setzen auf immer weitere Die-Shrinks, um den Wafer-Output zu erhöhen. Je kleiner die Prozesstechnologie (aktuell ist dies die 15nm-Technologie beim NAND-Flash), desto geringer wird auch die Anzahl der Elektronen in einem Bit. Durch Einflüsse wie Zeit, EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) und Temperatur gehen jedoch Elektronen verloren. Aufgrund dieser fallenden Anzahl der Elektronen – verbunden mit der steigenden Anzahl an Spannungsniveaus – steigt die Anfälligkeit für Bit-Flips, also einer unbeabsichtigten Veränderung eines Bits. TLC-Flash-Speicher sind damit sowohl die günstigste als auch die unzuverlässigste Variante (Bild 4).

Bild 5: Mit Hilfe dieser Formel lässst sich das Verhältnis zwischen den vom Host geschriebenen Daten und den tatsächlich im Flash gespeicherten Daten berechnen. Renesas

Die Anzahl der möglichen Schreib/Lösch-Zyklen (PE-Cycles), die so genannte Endurance Rate, nimmt mit steigernder Bitzahl pro Zelle ab. In der Regel weicht die tatsächliche Anzahl der geschriebenen Daten von den gesendeten Daten des Mikroprozessors ab. Aufgrund der Systemoptimierung des Flashs werden beispielsweise 4 kByte gesendete Daten mehrfach innerhalb des NAND geschrieben. Um besser einschätzen zu können, mit welcher Effektivität die Daten vom Host auf den Speicher übertragen werden, lässt sich mit Hilfe des WAF (Write Amplification Factor) die Anzahl der Daten beziffern (Bild 5). Der WAF hat damit auch eine negative Auswirkung auf die Endurance, da unter Umständen deutlich mehr geschrieben als tatsächlich Daten gespeichert wurden. Dieser Faktor geht dadurch sowohl mit dem Wear Levelling als auch mit der Garbage Collection einher.

Langlebigkeit sichern

Das sogenannte Wear Levelling sorgt dafür, dass jede Speicherzelle gleichermaßen oft genutzt und auch wieder gelöscht wird. Die Data Retention, also die maximale Zeitspanne, in der die Daten nach dem Programmieren noch im Datenfeld abrufbar sind, steigt damit an und verlängert die Lebenszeit eines Flash-Bausteins. Je mehr Schreib/Lösch-Zyklen bei einer Anwendung anfallen oder je höher die durchschnittliche Betriebstemperatur ist, desto eher sollte zu MLC- oder gar SLC-Flash-Speicher gegriffen werden, um eine ausreichende Lebensdauer des Bausteins gewährleisten zu können.

Ein wichtiges Instrument zur Sicherung der Langlebigkeit von Speichern ist der ECC – ein Fehlerkorrekturverfahren, das beim Auslesen des Speichers alle Bits mit der Checksumme vergleicht und so fehlerhafte Zellen identifiziert und korrigiert. Die Menge der diktierbaren Fehler hängt von der Größe des ECC ab (zum Beispiel 8 Bit). Wird die Funktion vom Host übernommen, ist es unerlässlich, die Kompatibilität zwischen Speicher und Prozessor zu prüfen.

Gerade ältere Prozessoren haben eine integrierte ECC, die neuere Speichermodelle nicht mehr unterstützen. Um diese Kunden jedoch auch zukünftig unterstützen zu können, hat Rutronik mit Insignis und Alliance Memory zwei Speicherhersteller im Angebot, die ältere und damit kompatible Derivate anbieten. Bei der Nutzung von Toshiba-Flash lässt sich alternativ auch auf Benand zurückgreifen. Dieser SLC-NAND hat bereits einen integrierten ECC, der die Fehlerkorrektur direkt im Speicher übernimmt und der Host keinerlei Einfluss darauf nehmen muss.

Verfügt der Mikroprozessor nicht über eine NAND-Schnittstelle (wie im Falle des RZ/A1L), lässt sich herkömmlicher NOR-Flash einsetzen oder auf Serial-NAND zurückgreifen. Diese Speicher besitzen ein SPI-Interface, das bei Mikrocontrollern und -prozessoren standardmäßig integriert ist. Eine andere Variante sind bereits gemanagte NAND-Speicher. Für das Management sorgt eine im Speicher integrierte Steuereinheit. Die sogenannten eMMC (embedded Multi Media Card) sind meist in MLC- Technologie gefertigt. Auch Funktionen wie das Bad-Block-Management, Wear Levelling und Garbage Collection sind bereits im Speicher enthalten. Damit muss der Host, also der Mikroprozessor, diese nicht übernehmen.

Arbeitsspeicher für alle Bedarfe

Reicht der bereits im Host integrierte RAM nicht aus, lässt er sich ebenfalls durch einen externen Speicher ergänzen. Bei den RZ/A-Prozessoren steht hier interner RAM zwischen 3 und 10 MByte zur Verfügung. Die RZ/G-Serie ist mit externem RAM erweiterbar. Für externen RAM stehen die flüchtigen Speichertypen SRAM (statisches RAM) und SDRAM (dynamisches RAM) zur Auswahl. SRAM bietet einen schnellen Zugriff und kann gespeicherte Daten bis zu einigen Jahren erhalten. Allerdings verfügt SRAM nur über kleine Datenkapazitäten, benötigen viel Platz auf dem PCB und ist im Vergleich zu DRAM deutlich teurer. DRAM bietet zwar nur mittlere Zugriffszeiten und benötigt für den Datenerhalt eine zyklische Auffrischung, doch er punktet mit hoher Datendichte auf kleiner Oberfläche und günstigem Preis.

SDRAM steht wiederum als SDR- und DDR-Modell (Single Data Rate und Double Data Rate) zur Wahl. Im Vergleich zu SDR- kann DDR-Speicher die doppelte Datenrate übertragen, da er die an- und absteigende Taktflanke des Datensignals zur Übertragung nutzt. Um die relativ langsame Zugriffszeit des SDRAM zu verkürzen, wird das Prefetching eingesetzt. Dabei greift der DDR-Speicher parallel auf mehrere Speicherzellen zu. Die in einen Puffer geschriebenen Daten werden anschließend mit der höheren externen Datenrate des Hosts ausgegeben. Arbeitet die ursprüngliche DDR-Technologie mit zweifachem Prefetching, kommt bei DDR2 vierfaches, bei DDR3 und DDR4 achtfaches Prefetching zum Einsatz.

Beide Speicherformen haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Eine Kombination aller Vorteile erscheint zwar unrealistisch, ist aber durch FRAM tatsächlich möglich. FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) kombiniert durch seine spezielle Technologie drei wichtige Vorteile: er ist schnell (150 ns Zugriffszeit), hat einen sehr geringen Stromverbrauch und eine deutliche längere Lebenszeit als Flash oder SDRAM (10 Millionen Lese-/ Schreibzyklen). Hinzu kommt, dass FRAM ein nichtflüchtiger Speicher ist und damit auch bei Stromverlust die Daten gespeichert bleiben. Allerdings bietet Fujitsu mit seiner Speicherform nur kleine Kapazitäten – vergleichbar mit EEPROM – die vor allem bei Metering/ Energy, Point of Sales und IoT-Anwendungen die perfekte Lösung bieten können.

(na)