詳解i.MX 8ULP應用處理器：高能效、低功耗的秘訣是什么？

現代世界正逐漸采用更自然的人機界面 (HMI)。我們不僅可以與智能音箱交談，還可以在紙張般的電子閱讀器上閱讀。電子產品已成為我們的數字伙伴，而不再是被電源插座限制的系統。

實現這場變革，需要多核處理器來處理語音命令、音頻播放、圖形顯示以及系統控制等各種任務。電源管理和信息安全方面的創新使這些芯片能夠始終保持工作，按需提供交互，同時大幅度降低能耗。

i.MX 8ULP處理器的創新靈活電源架構

恩智浦利用i.MX 8ULP應用處理器實現這些創新。該芯片通過將功能分配到不同的電源島上，實現精細的電源管理。每個島可以按需降低運行速度和電壓，完全關閉或完全打開，從而節省電力。處理器中最耗電的部分是CPU。為了讓系統在休眠時節省電力，同時保證系統的響應性，i.MX 8ULP處理器首創了一種機制，能將外圍功能的控制從高性能的應用CPU轉給低功耗的控制CPU。

重要的是，i.MX 8ULP處理器能夠隨時智能地決定芯片的哪些部分處于休眠狀態，哪些部分處于完全喚醒或半喚醒的狀態。恩智浦通過提供軟件來控制電源管理，為開發人員提供多種電源管理程序，以便按需調整。他們還可以自己創建、編寫軟件來監測系統狀態，調整每個“島”的頻率和電壓。

i.MX 8ULP處理器的嵌入式安全

要保障智能設備和連接應用的安全，必須依靠具備內置安全性的硬件。i.MX 8ULP處理器內置恩智浦EdgeLock安全區域，EdgeLock安全區域是一個專注于信息安全的單元，與SoC的其他部分物理隔離，擁有獨立的CPU、ROM和RAM。

EdgeLock安全區域為安全關鍵的功能提供了可信執行環境，包括i.MX 8ULP處理器的完整性保護、用戶數據的保密性和安全連接。特別是，EdgeLock安全區域是滿足NIST 8425標準和獲得即將推出的U.S. Cyber Trust Mark (針對連接的消費者產品) 或支持IEC62443標準 (針對工業控制和自動化系統) 的主要途徑。EdgeLock安全區域電池供電的安全模塊還能實現防篡改和零化等功能，以應對安全違規事件，從而支持包括銷售終端等多種應用場景。

此外，i.MX 8ULP處理器還為OEM提供了符合區域要求的加密配置，可直接使用。結合恩智浦EdgeLock 2GO密鑰管理服務，制造商還可以在不可信的工廠、現場或無線安全地為基于i.MX 8ULP處理器的產品提供憑證。這樣就在嵌入式EdgeLock安全區域和EdgeLock 2GO云平臺間建立了端到端的安全連接。i.MX 8ULP處理器也是恩智浦EdgeLock保障計劃的一部分，并已通過PSA和SESIP信息安全二級認證，加速了安全標準和法規合規驗證。

i.MX 8ULP處理器一覽

對于響應語音命令的系統，i.MX 8ULP處理器集成了Cadence Tensilica Fusion DSP，以及數字麥克風輸入和I2S端口。超低功耗Fusion DSP與高能效Arm Cortex-M33F CPU一起在i.MX 8ULP處理器的實時域中運行，如框圖所示。大容量片上存儲器使DSP和CPU無需啟動外部芯片即可工作。這些內核處于激活狀態時，芯片的其余部分也可以關閉電源。例如，它們可以監聽喚醒詞，只有在聽到喚醒詞后才激活芯片的其余部分。

i.MX 8ULP應用處理器的框圖

除了在芯片的其余部分休眠時運行外，實時域 (顧名思義) 還負責處理時間關鍵的任務。為了實現這一點，它還包括定時器和一組豐富的低速 I/O，用于控制系統的其他部分。

i.MX 8ULP處理器的應用域則運行主要的軟件。應用域的核心是最多兩個64位的Arm Cortex-A35 CPU。這些高能效的內核運行Linux或Android等適應性強的操作系統，可以驅動從手機到中央控制器等各種設備。為了配合CPU，應用域還包含快速的I/O控制器。SDIO接口可以連接到恩智浦IW416雙頻三路解決方案等外設。這提供了2.4GHz和5GHz的Wi-Fi、藍牙和Thread無線通訊，使其非常適合連接到從Matter智能家居網絡到企業局域網等各種系統。

flex域負責多媒體和圖形功能，包括功能齊全的GPU和Cadence Tensilica HiFi4 DSP。雖然GPU通常與功耗較高的PC、智能手機和游戲機有關，但恩智浦在i.MX 8ULP芯片中內置了節能的GPU。該GPU體現了i.MX 8ULP處理器的電源管理理念，可以按需啟動3D電路，其他時候只使用2D引擎，以節省電力，同時保持屏幕更新。

即使對于微型智能音箱，HiFi4 DSP也能提供震撼的低音和清脆的高音，運行空間音頻算法，使小型設備能夠提供沉浸式音頻體驗。HiFi4的作用不僅限于播放，還可以在捕獲音頻時處理從麥克風陣列錄制的聲音，從背景噪音中分離出語音。開發人員還可以利用HiFi4實現AI功能，繼續Fusion DSP的工作，運行神經網絡來識別語音。

除了這些處理單元，flex域還包括音頻、攝像頭和顯示接口。對于需要實現電子墨水顯示效果的系統，i.MX 8ULP處理器集成了電泳顯示控制器 (EPDC)，用于驅動電子墨水屏 (E Ink) 面板。對于需要彩色、交互式屏幕的系統，可以使用處理器的其他接口。

i.MX 8ULP適用于家庭和工業系統

i.MX 8ULP處理器具有先進的電源管理和安全特性，能夠作為各種系統類型的核心和智能樞紐。想象一下，使用電池供電的醫療可穿戴設備具有語音功能，其中低功耗是非常關鍵的。使用小型電池時，這些設計可以利用8ULP處理器的DSP和音頻接口，以及無線芯片和E Ink控制器的接口。物流標簽或智能貨架標簽等應用也類似，但不需要音頻功能。這些設計還可以關閉DSP和音頻接口，以優化功耗。

智能恒溫器的運行方式則完全不同。它只依賴i.MX 8ULP處理器的實時域和GPU的2D模式，不斷監測溫度，并定期更新LCD面板，顯示當前的溫度、設置和時間。每十分鐘，應用域會短暫喚醒，將數據發送到基于云的服務，以便電力公司和房主能夠監控和管理家庭。房主偶爾會使用流暢的觸摸屏界面與它交互；在這些時候，3D GPU和應用CPU會啟動。在家中其他地方，長時間使用電池供電的智能電表不需要運行交互式應用或顯示器，但仍會收集能耗數據并定期傳輸。這樣的設計可以利用i.MX 8ULP處理器的低功耗和連接無線芯片的能力。

語音控制的智能恒溫器實現低功耗的持續溫度監測

這些系統雖然簡單，但用戶的響應必須是即時的才能帶來更佳體驗。它們必須看起來一直在工作，即使在節能狀態下也是如此。i.MX 8ULP處理器能夠將實時域從低頻運行切換到全速運行，喚醒應用域并在域之間轉移控制，幫助系統節省電力，不錯過任何節拍。半秒鐘的反應時間都可能太慢了。例如，具有語音控制功能的智能手表一直處于開啟狀態，監聽能夠激活它們的特殊詞語。i.MX 8ULP處理器實時域中的Fusion DSP可以處理這個監聽功能，而芯片的其余部分則處于休眠狀態。HiFi4 DSP只在音樂播放時激活，處理音樂，使得小型音箱也能讓廚房聽起來像音樂廳。

現在就開始使用i.MX 8ULP

i.MX 8ULP處理器提升了開發人員的計算和多媒體能力，能耗不受影響。恩智浦在i.MX 8ULP處理器上提供更多功能，提高應用性能，增加DSP來處理音頻和執行AI功能，提供軟件定義的電源管理，并將安全性提升到了新的水平。

本文作者

Gayathri Easwaran是恩智浦半導體SCE產品市場總監，工作地點在美國德克薩斯州奧斯汀。她擁有圣路易斯華盛頓大學的電氣工程碩士學位，同時也是ACT!ON (恩智浦亞洲文化團隊) 的負責人。她熱衷于尋找差異化的解決方案，為客戶提供支持。在空閑時間，她喜歡制作各種主題的播客。