En junio de 2013 Renesas lanzó su nueva plataforma. La familia RZ/A se dirige con firmeza al mercado de interfaz hombre-máquina, para el control y la gestión de grandes paneles TFT. Este es un mercado en expansión a un ritmo enorme. Antes de que Apple llegara al mundo por sorpresa, existía la constante discusión desdeñosa en círculos técnicos sobre “¿a quién le gustaría tener una pantalla a color en su teléfono?”, y todos estábamos equivocados. Al parecer, todosqueremos una pantalla a color en nuestros teléfonos. ¡Y no sólo en los teléfonos!

El número de máquinas de café, refrigeradores, máquinas expendedoras y otros aparatos que se están equipados con un panel TFT, se espera que aumente significativamente en los próximos años. Me di cuenta recientemente que en un gran número de tiendas, la pieza de plástico en la que normalmente se coloca un recibo para que usted puede firmar, se ha sustituido ahora por una pantalla TFT de 7 pulgadas que muestra publicidad de los productos disponibles en la tienda. El auge de la “publicidad baño” de empresas en toda Europa y del mundo, muestran que pronto no habrá escapatoria del panel TFT.

Entonces, ¿que necesita para su aplicación?
Empecemos echando un vistazo al problema principal. ¿Qué es lo que realmente se necesita para controlar una pantalla TFT? La mayoría de los paneles TFT hoy en día utilizan una interfaz RGB digital, ya sea RGB888 o RGB565. El valor RGB es un estándar mediante el cual se representan los colores rojo, verde y azul de cada píxel, con el número de bits correspondiente. Así, para 888 a cada uno se le dan 8 bits completos de datos (dados 24 bits por píxel), mientras que en 565 el rojo y el azul están representados por 5bits y el verde por 6bits (dando 16 bits por píxel). Alternativamente, en lugar de una interfaz estándar digital de pantalla podría estar utilizando un conector LVDS, que se está convirtiendo cada vez más en el estándar de pantallas grandes. Como tal, las señales RGB se transfieren a través de una señal diferencial, pero el formato de datos sigue siendo el mismo. Así que para empezar se necesita un dispositivo que soporte la generación de una señal RGB y/o una interfaz LVDS.

En segundo lugar, los datos RGB tienen que venir de un frame buffer que se almacena normalmente en la memoria RAM. Esteframe buffer es una imagen de mapa de bits almacenada en el formato deseado. Por lo tanto, un tamaño de pantalla por ejemplo WVGA (480x800),necesitará para una imagen RGB888 poco más de 1 MB de memoria RAM para almacenar la imagen. (480 x 800 x 24 bits = 1.125MB).

Además de este frame buffer que contiene la imagen actual que va a ser mostrada en la pantalla, una aplicación típica tendrá un llamado “back buffer”, que contiene la siguiente imagen a ser mostrada en la pantalla. De esta manera la CPU puede manipular la siguiente imagen sin que el usuario vea una imagen medio-manipulada parpadeando en la pantalla antes de que la CPU finalice. Este sistema de doble búfer es muy común y da una mayor calidad general al HMI pero esto también significa que su pantalla WVGA necesita un 1.125MB adicional de memoria RAM para almacenar el buffer.

La historia de la RAM no obstante, tristemente no terminó. En una aplicación típica HMI no siempre es necesario manipular toda la pantalla, por ejemplo, si se pulsa un icono o un botón, puede animar, brillar, rotar o de alguna manera reaccionar antes de que se adopte la medida. En este caso lo que un diseñador de HMI haría sería definir una capa diferente a la de la imagen. Habría una capa de fondo que permanecería sin cambios y el icono o el botón o sería una capa de primer plano que estaría animado. Esto, obviamente también necesita RAM adicional, no en pantalla completa, pero “algo” más. Dependiendo del tamaño de la imagen, pero digamos por ejemplo que es un botón 200 x 200 píxeles. Entonces necesitaríamos 100k adicionales de RAM. Lo que también se necesitaría aquí es la capacidad de combinar todas estas capas diferentes una con otra, y tal vez aplicar un nivel de transparencia a algunas de estas fotos. Esto se puede hacer por software si la CPU es lo suficientemente rápida, o por hardware, si está disponible.

Por lo tanto, para completar la historia de los requisitos de RAM, una aplicación HMI razonable, puede utilizar del orden de 3MB como datos de imagen para un tamaño de pantalla WVGA. Si se ejecuta el código desde la RAM como también es el caso con la mayoría de los procesadores, se necesita 0,5 MB adicionales. Por tanto, el punto de partida para una pantalla WVGA debe ser como mínimo de 3,5 MB de memoria RAM.

Por supuesto, la velocidad de acceso a la memoria RAM es también muy importante. Como usted probablemente se habrá dado cuenta la RAM aquí se está escribiendo y leyendo por varias fuentes diferentes al mismo tiempo. Por ejemplo, el búfer frontal (los datos originales de la imagen) estará siendo leído por el bloque de IP para conducir los datos a la pantalla. Al mismo tiempo, el búfer de reserva puede estarsiendo actualizando por la CPU o por una transferencia DMA de una imagen distinta. Al mismo tiempo, la CPU puede manipular el icono antes mencionado, y la lectura de su propio código de la RAM. Esto pone mucha presión sobre el ancho de banda del bus de la memoria RAM. Este bus es a menudo el cuello de botella en la aplicación, por lo que se requiere una buena arquitectura de bus para mitigar el riesgo de sobrecargar el bus o que el usuario pueda ver algunas imágenes a medio terminar, o peor aún una interfaz gráfica de usuario no funcional.

Se debe prestar también atención especial a la capacidad de la CPU. Un sistema entregando 24 fotogramas por segundo a la pantalla tendrá que manipular y crear datos (en nuestro ejemplo de una pantalla de WVGA) de más de 24 MB por segundo. Esto se puede hacer por completo por software, o algunas partes por hardware, pero sea como sea, la CPU debe ser lo suficientemente rápida para cubrir estos requisitos.

Como ahora estamos hablando claramente de una solución de procesador, que probablemente no va a tener memoria flash en el chip,el siguiente requisito es el de la conexión con la memoria flash externa. El método típico de hoy en día es el uso de una NORflash paralela externa para almacenar el código y luego durante el arranque, transferir este código en la RAM para habilitar una ejecución rápida. Los dispositivos más modernos soportan no obstante otras tecnologías de memoria para permitir a los arquitectos de sistemas reducir el coste del sistema sin tener la sobrecarga de una “cara” NOR flash en la PCB.

La mayoría de estas aplicaciones suelen hacer más que controlar una pantalla. También deben estar conectados con el resto del sistema. Las aplicaciones de automoción suelen estar conectados a un bus CAN o MOST. Los dispositivos industriales y de consumo requieren en la actualidad conexiones Ethernet y USB. Estas conexiones también significan que el producto más adecuado tendrá no sólo incorporar la IP de hardware, sino también disponer del rendimiento suficiente para gestionar su operación y suficiente espacio de código para soportar a sus stacks.

Sobre el RZ/A
La familia RZ/Aes una solución MPU embebida basada en un core ARM Cortex A9 que viene con una gran cantidad de ventajas para el mercado de aplicaciones HMI. El RZ/A ofrece hasta 10 MB de SRAM incorporada en el chip que hace que sea la RAM incorporada más grande en el mercado. Hay 3 variaciones en la familia. El RZ/A1H que incluye el 10 MB de RAM completa, la RZ/A1M que tiene sólo 5 MB de memoria RAM, y el RZ/A1L que corresponde al dispositivo de menor tamaño de memoria con 3MB de RAM.

Así que a partir de la discusión anterior, donde se calculó que la aplicación HMI necesitaría aproximadamente 3,5 MB de memoria RAM, el RZ/A1M parece ideal para satisfacer estos requisitos. Por supuesto, es posible encontrar otras soluciones en el mercado que utilizan memoria RAM externa ya sea DDR SDRAM o incluso de mayor cantidad de memoria, pero la familia RZ/Aes el único producto en que el autor es consciente de que puede ofrecer este alto nivel de RAM interna.

El RZ/A1H da al diseñador de sistemas margen para aumentar o disminuir el tamaño de la pantalla en función de sus necesidades y de crear una versión de coste optimizado para productos más de menor resolución.

El rendimiento de 400MHz de la CPU es más que suficiente para ejecutar una aplicación HMI simple y mantener la comunicación a través de cualquier protocolo que su sistema dicte, ya que todas las versiones de la familia RZ/A incluyen CAN (hasta 5 canales) Ethernet, USB (hasta 2 canales) e incluso soportanMOST para las aplicaciones de automoción.

De hecho, la CPU de 400 MHz es más que suficiente debido a dos características únicas de la RZ/A. La primera característica es el VDC. El controlador de pantalla de vídeo de Renesas soporta por hardware muchas de las funciones necesarias para la creación de su imagen final en la pantalla. El VDC admite hasta 4 capas diferentes de gráficos, dos de los cuales pueden ser las entradas de una cámara externa. Tiene también hardware para soportar mezcla alfa. La mezcla alfa es un proceso por el cual a cada píxel se le asigna un valor de alfa de 8bit adicionales. Este valor alfa determina la transparencia del píxel, de tal manera que se puede superponer en la parte superior de otro píxel, para crear la imagen resultante. El VDC también admite operaciones chroma-key, el uso más conocido del cual es en videografía “pantalla verde”, mediante la cual un color particular se define como transparente, de modo que un objeto se puede volver superpuesto sobre otra imagen. En algunos sistemas, todo esto se haría por software, pero el RZ/A lo hace por hardware, por lo tanto los 400 MHz equivalenen realidad a un rendimiento equivalente mucho más alto. El VDC también soporta no sólo conexión digital RGB a una pantalla TFT sino también LVDS.

El segundo factor de la familia RZ/A que aumenta el rendimiento de la CPU es la eliminación del problema del ancho de banda que conocimos y vimos anteriormente. Un procesador Tera-Hertz de cuatro núcleos, es tan rápido como puede conseguir datos y cuando los datos se almacenan en un solo bloque de RAM que tiene que ser visitado por un solo bus, este está obligado a reducir la velocidad del núcleo. El RZ/A sin embargo, tiene 5 bancos de RAM separados.
Cada banco está conectado a su propio bus de 128 bits dedicado, de tal manera que, en realidad, es posible tanto la escritura a la en el back buffer, como la lectura desde front buffer, manipular un icono y completar una transferencia DMA, todo mientras se ejecuta código desde la memoria RAM interna. Esto se traduce en un aumento significativo del rendimiento.

Por supuesto se ha mencionado anteriormente, que también es necesaria una conexión a la memoria flash externa, y el RZ/A es compatible con todas las conexiones normales amemoria no volátil, tal como NOR, NAND, SDIO, MMC, etc, pero también tiene una conexión especial flash serie SPI Multi-I/O que soporta el nuevo protocolo SPI quad.

Este QSPI puede alcanzar cifras de rendimiento similares o mejores a los de una flash paralelo, pero con las ventajas económicas de una flash serie, como el ahorro patas del microprocesador y la reducción de tamaño de la PCB.

En pocas palabras: El RZ/A es simple. 
El recientemente estrenado dispositivo RZ/A de Renesas ha sido diseñado específicamente para el mercado de interfaz hombre-máquina. Hay varios requisitos en este mercado que, aunque no son únicos por sí mismos, la combinación de elloshace que sea un mercado muy difícil de cubrir con los sistemas tradicionales. La necesidad de memoria RAM es grande, pero no tan grande como la de un microprocesador con 128 MB de memoria RAM DDR3. Los requisitos de funcionamiento son bajos, siempre y cuando el dispositivo estéapoyado por un controlador de pantalla, pero no son tan bajos como
para que un microcontrolador funcionando a digamos 100 MHz pueda cubrirlos.

El RZ/A contiene suficiente conectividad para todas las aplicaciones HMI, rendimiento más que suficiente, una buena cantidad de memoria RAM que permite flexibilidad. Es una solución dedicada y de coste optimizado que no sólo beneficiará al mercado en auge de la tecnología de visualización, sino que también ayudará a llevarlo adelante.

Autor:  Robert Kalman. Product Marketing Manager
Industrial Communications Business Group. Renesas Electronics Europe GmbH

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