TI C2000系列重大更新！首次加入NPU，內(nèi)核升級(jí)到64位！

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃晶晶）從1994年推出第一顆TMS320C10處理器開始，C2000 DSP已走過(guò)了30年的輝煌歷程。期間C2000系列不斷迭代升級(jí)，陸續(xù)加入浮點(diǎn)運(yùn)算單元、數(shù)學(xué)運(yùn)算協(xié)處理器、三角函數(shù)運(yùn)算器、向量運(yùn)算加速單元等，以及不斷優(yōu)化的PWM和ADC等外設(shè)。例如2023年推出的280015X將CPU內(nèi)核做成Lock Step，用2顆CPU鎖步運(yùn)行，并支持器件本身的功能安全。今年，F(xiàn)28P55X正式加入NPU，并且下一代C2000的內(nèi)核做到64位運(yùn)算的位寬。德州儀器中國(guó)區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)師英在近日的媒體會(huì)上表示，TI C2000系列將繼續(xù)憑借其卓越的性能和豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在電源變換、太陽(yáng)能、逆變系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及汽車變換與牽引逆變器等領(lǐng)域滿足客戶需求。

F28P55X首次加入NPU

在當(dāng)前工業(yè)及汽車領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，越來(lái)越多的任務(wù)傾向于采用更為智能、基于AI的方法來(lái)完成。于是F28P55X這款產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

F28P55X芯片首次在C2000系列中引入NPU（即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元）。這一AI加速器能夠獨(dú)立完成AI領(lǐng)域常見(jiàn)的運(yùn)算算子。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推論運(yùn)算中，卷積運(yùn)算占據(jù)了主導(dǎo)地位。普通CPU完成這一運(yùn)算往往效率相對(duì)較低。而利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速單元，其性能將比使用C2000的CPU提高5-10倍。


對(duì)于嵌入式系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)控制系統(tǒng)而言，邊緣AI無(wú)疑是一個(gè)必然選擇。邊緣AI指的是所有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理算法均在設(shè)備端（即邊緣側(cè)）執(zhí)行與運(yùn)算。這一模式的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

首先，實(shí)時(shí)性得到顯著提升，無(wú)需將數(shù)據(jù)上傳至云端，從而避免了傳輸延遲。
其次，通過(guò)算法優(yōu)化及NPU的加入，系統(tǒng)整體功耗得以降低。NPU天生擅長(zhǎng)處理卷積運(yùn)算及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率與更低的功耗。
最后，從安全性與可靠性的角度來(lái)看，避免了數(shù)據(jù)采集與傳輸至云端的過(guò)程，有助于提升設(shè)備的安全性。

F28P55X系列產(chǎn)品的特性參數(shù)頗為亮眼，其內(nèi)置的Flash memory最高可達(dá)1.1MB。對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，ADC與高精度PWM是兩大核心外設(shè)。具體而言，F(xiàn)28P55X提供了24個(gè)高精度PWM通道以及最多39個(gè)ADC通道。F28P55X并非單一器件，而是一個(gè)涵蓋多種配置的系列。德州儀器已經(jīng)推出不同內(nèi)存規(guī)格、汽車級(jí)認(rèn)證以及功能安全等級(jí)的組合。預(yù)計(jì)該系列將陸續(xù)推出多達(dá)40余款型號(hào)，以滿足市場(chǎng)的多樣化需求。

F28P55X可進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本并縮小系統(tǒng)尺寸。師英解析，以傳統(tǒng)的電弧故障檢測(cè)為例，這是一個(gè)應(yīng)用于太陽(yáng)能逆變系統(tǒng)的場(chǎng)景。下圖左側(cè)白色框內(nèi)為太陽(yáng)能板，其發(fā)出的電能需經(jīng)過(guò)DC/DC變換器或逆變器，以及MPPT等處理單元，這些功能通常由C2000系列的實(shí)時(shí)控制MCU完成。



然而，在傳統(tǒng)方案中，還需額外增加一個(gè)MCU-2用于電源電弧檢測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，在傳統(tǒng)的非NPU方案中，通過(guò)對(duì)直流母線電壓與電流進(jìn)行采樣，并設(shè)置一系列觸發(fā)閾值或規(guī)則來(lái)判斷電弧是否發(fā)生。這種方法存在諸多限制，檢測(cè)準(zhǔn)確率往往難以提升，一般僅能達(dá)到85%左右。檢測(cè)不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致兩種后果：一是漏報(bào)，即實(shí)際發(fā)生電弧但未被檢測(cè)到，從而增加火災(zāi)或停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)；二是誤報(bào)，即未發(fā)生電弧卻發(fā)出警報(bào)，可能導(dǎo)致不必要的停機(jī)，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率。

采用F28P55X這一創(chuàng)新解決方案后，原有的DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器以及MPPT系統(tǒng)均繼續(xù)沿用了C2000系列的核心技術(shù)，這意味著原始的實(shí)時(shí)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與硬件配置基本保持不變，特別是軟件算法層面無(wú)需做出調(diào)整。唯一的變化在于，我們利用F28P55X內(nèi)置的NPU來(lái)專門執(zhí)行電弧檢測(cè)任務(wù)。

那么，它為何能實(shí)現(xiàn)99%的高檢測(cè)準(zhǔn)確性呢？這得益于TI先進(jìn)的離線邊緣AI工具——TI Edge AI Tools。該工具能夠針對(duì)大量電弧發(fā)生時(shí)的電流與電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行深度訓(xùn)練，從而構(gòu)建一個(gè)精準(zhǔn)的CNN模型。模型訓(xùn)練完成后，通過(guò)專用的軟件開發(fā)工具，即可輕松部署至F28P55X的NPU上。由于這一過(guò)程基于龐大的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，而非依賴傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)規(guī)則與觸發(fā)閾值來(lái)判斷電弧情況，因此其檢測(cè)準(zhǔn)確率能夠高達(dá)99%。

F29H85x：處理位寬升級(jí)到64位

在工業(yè)與汽車領(lǐng)域，執(zhí)行效率的提升速度日益加快，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之不斷攀升。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，新一代功率半導(dǎo)體的應(yīng)用使得開關(guān)調(diào)制頻率同步增高。在這樣的背景下，實(shí)時(shí)運(yùn)算處理器MCU的運(yùn)算效率亟需實(shí)現(xiàn)大幅度提升。

“28系列的版本已經(jīng)在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域用了很多年，從C28迭代至C29版本是時(shí)隔二十三年后的一次迭代升級(jí)。F29H85x系列代表著C2000 內(nèi)核的一次重大升級(jí)?！睅熡⒄f(shuō)道。F29H85x系列處理位寬從32位躍升至64位，并配備了超長(zhǎng)指令級(jí)架構(gòu)，使得單個(gè)指令周期最多能并行完成8條指令。并行運(yùn)算是DSP架構(gòu)的一大優(yōu)勢(shì)，這也是DSP與通用CPU之間的顯著差異之一。這一改進(jìn)使得F29H85x的基礎(chǔ)運(yùn)算性能相較于C28提高了2倍以上。


除了CPU性能的顯著提升外，F(xiàn)29H85x系列還天然支持兩大安全領(lǐng)域：功能安全與信息安全。具體而言，F(xiàn)29H85x在功能安全方面可達(dá)到汽車領(lǐng)域ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的ASIL-D級(jí)別，即最高標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，在工業(yè)領(lǐng)域也符合IEC61508的SIL-3級(jí)別，同樣是工業(yè)安全的最高標(biāo)準(zhǔn)。在信息安全方面，引入了行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的HSM，使得該系列器件能夠滿足全球不同地區(qū)對(duì)于信息安全的各種嚴(yán)格要求。無(wú)論是國(guó)際還是其他區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)，均可通過(guò)HSM模塊實(shí)現(xiàn)。功能安全與信息安全是F29H85x系列不可或缺的兩大關(guān)鍵性能。

為了確保CPU內(nèi)部的功能安全與信息安全，F(xiàn)29的架構(gòu)中設(shè)計(jì)了多重隔離機(jī)制，類似于防火墻的功能。特別是加入了功能安全與信息安全單元（SSU），能夠?qū)?yīng)用程序代碼、應(yīng)用數(shù)據(jù)、保密內(nèi)容以及普通內(nèi)容進(jìn)行有效的隔離，從而全面滿足功能安全與信息安全的要求。

與C28相比，C29在信號(hào)鏈性能上可實(shí)現(xiàn)2至3倍的提升。對(duì)于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算與實(shí)時(shí)運(yùn)算而言，其性能可提升2倍；而在電源變換方面，C29的性能則可提升約3倍。若僅就FFT運(yùn)算而言，C29的運(yùn)算速度相較于C28可快出5倍。C29的CPU版本在數(shù)學(xué)運(yùn)算能力上實(shí)現(xiàn)了極為顯著的提升。



此外，與C28相比，C29的中斷響應(yīng)速度也提升了4倍。在考量這一中斷響應(yīng)速度時(shí)，需要綜合考慮整個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)算的環(huán)路，即從傳感器ADC的信號(hào)輸入到PWM的輸出。僅計(jì)算速度快并不夠，數(shù)據(jù)的采集與控制指令的輸出同樣需要加速，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)性能的本質(zhì)性提升。因此，中斷響應(yīng)速度同樣至關(guān)重要。所謂通用代碼性能，主要指的是memory copy、數(shù)據(jù)搬移以及通訊等方面的性能。C28的內(nèi)核實(shí)質(zhì)上是一顆DSP，從過(guò)去的架構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，C28相較于C29在處理如數(shù)據(jù)搬移指令等housekeeping代碼方面并不擅長(zhǎng)。然而，這一問(wèn)題在F29上得到了很好的改善。

得益于CPU性能的提升，F(xiàn)29H85x可廣泛應(yīng)用于眾多實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。例如，在汽車的OBC（車載充電機(jī)）、DC/DC轉(zhuǎn)換器以及主機(jī)MCU的集成式架構(gòu)中，F(xiàn)29H85x都能發(fā)揮出色表現(xiàn)。它同樣適用于多電機(jī)的牽引逆變器以及助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。此外，F(xiàn)29H85x不僅可用于光伏逆變器，還能支持最新的電源結(jié)構(gòu)、在線UPS以及機(jī)器人領(lǐng)域。


F29系列MCU通過(guò)提升性能，特別是ADC和PWM等關(guān)鍵外設(shè)的性能，使其更加適用于第三代寬禁帶半導(dǎo)體在電源管理中的應(yīng)用。目前，眾多服務(wù)器電源及太陽(yáng)能逆變器等設(shè)備已采用這些新架構(gòu)進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，充分展現(xiàn)了F29系列MCU在高性能電源管理領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。F29系列MCU的設(shè)計(jì)旨在支持更高的開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，為用戶帶來(lái)更高的功率密度。同時(shí)減少磁性元器件的使用，進(jìn)而使得整個(gè)系統(tǒng)的尺寸也相應(yīng)減小。

師英分析，由于F29H85x的中斷效率得到提升，能夠更快地進(jìn)行運(yùn)算和中斷響應(yīng)。在一個(gè)PWM開關(guān)周期內(nèi)，CPU需完成ADC對(duì)電流、電壓及位置的采樣，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，并最終輸出控制波形。原本在F28系列的前代產(chǎn)品中，若采用傳統(tǒng)MOSFET功率器件，由于其開關(guān)頻率較低，CPU有足夠的時(shí)間（如1微秒）來(lái)完成整個(gè)采樣、運(yùn)算與輸出周期。然而，當(dāng)開關(guān)頻率提升至10倍時(shí)，該周期將縮短至0.1微秒。在如此短的時(shí)間內(nèi)完成ADC采樣、終端響應(yīng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，以及PWM輸出，對(duì)實(shí)時(shí)控制MCU構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在電源變換領(lǐng)域中，諸多新興電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)涌現(xiàn)，其中最為常見(jiàn)的一種便是矩陣轉(zhuǎn)換器，它能夠通過(guò)一套拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成AC到AC、DC到DC的復(fù)雜變換。一方面，這對(duì)于功率級(jí)、磁性元器件以及大型電容性元器件的需求與傳統(tǒng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比發(fā)生了諸多變化；另一方面，這同樣對(duì)嵌入式處理器的實(shí)時(shí)性、PWM以及ADC通道提出了全新的需求。因此，F(xiàn)29H85x非常適合用于新型的矩陣轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，在所有這些系統(tǒng)中，F(xiàn)29H85x都天然地符合最高等級(jí)的功能安全與信息安全要求。



以下是高壓一體化電動(dòng)汽車OBC（車載充電機(jī)）+HVLV DCDC（高低壓直流轉(zhuǎn)換器）+主機(jī)應(yīng)用的框圖示例。在傳統(tǒng)的框架中，完成OBC+HVLV DCDC+主機(jī)的功能通常需要三個(gè)MCU。然而，采用F29H85x，即僅需一顆MCU便能實(shí)現(xiàn)OBC+DC/DC+主機(jī)MCU的三合一功能。


由于其內(nèi)部集成了一對(duì)鎖步運(yùn)行的CPU（CPU1和CPU2）以及一個(gè)獨(dú)立的C29內(nèi)核（CPU3），因此僅需一顆MCU即可完成整套系統(tǒng)的功能。CPU1和CPU2的鎖步運(yùn)行能夠很好地支持ASIL-D級(jí)別的功能安全需求，同時(shí)兩者均可運(yùn)行AUTOSAR，這是幾乎所有設(shè)備都需要的。而CPU3則可以獨(dú)立承擔(dān)OBC和DCDC的控制環(huán)路，實(shí)現(xiàn)單芯片系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

小結(jié)：

F28P55X作為TI首款集成NPU的C2000系列產(chǎn)品，已經(jīng)邁出了重要一步。師英表示，未來(lái)我們可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求靈活調(diào)整NPU算力。若某些應(yīng)用需要更強(qiáng)大的算力支持，我們可以在現(xiàn)有架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行性能提升；若在某些特定場(chǎng)合算力需求較低，我們亦可進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。我們的核心原則是始終聚焦于客戶需求與市場(chǎng)需求，致力于打造出更加可靠、安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電子產(chǎn)品。同時(shí)，F(xiàn)29H85x是C29系列的首款產(chǎn)品，其未來(lái)功能搭配將緊密圍繞客戶需求與應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，未來(lái)存在無(wú)限可能。