Możliwości… dużo możliwości :)

Teensy 4.1 to połączenie mocy znanej z Teensy 4.0 z wygodą użytkowania Teensy 3.6 - gdzie większość pinów wyprowadzona jest w postaci wygodnych w użyciu pól w rastrze 2.54mm. Teensy 4.1 ma dokładnie ten sam procesor co Teensy 4.0. Zostało wyposażone w 32-bitową jednostkę ARM Cortex-M7 taktowaną zawrotnym zegarem 600 MHz. Zastosowanie układu NXP iMXRT1062 sprawia, że rodzina Teensy 4 to w chwili premiery jedne z najszybszych płytek rozwojowych na rynku. Deklasują absolutnie wszystko co do tej pory widzieliśmy. Zostawiają daleko w tyle superszybkie Teensy 3.6, od którego jest przynajmniej 5 razy szybsze. Z kolei od popularnego ESP32 jest szybsza przynajmniej 6 razy… Ale to nie koniec niespodzianek. Teensy 4 potrafi wróżyć (branch prediction), może modyfikować swój zegar podczas pracy, ma wydajne peryferia, które mogą korzystać z DMA i sprzętowe FPU obsługujące liczby zmiennoprzecinkowe podwójnej precyzji.

Jak zawsze płytkę można programować z poziomu Arduino IDE oraz PlatformIO.

Teensy 4.1 vs Teensy 4.0

Różnice między płytkami serii 4 są widoczne gołym okiem.

• Po pierwsze: wygląd. Mnogość pinów. Teraz jest ich o wiele więcej i łatwo się do nich podpiąć.

• Drugą różnicą jest układ Ethernet. Tzn byłby, ale go nie ma. Po kolei. Sam procesor użyty w Teensy 4.1 ma kontroler Ethernet. Ale tylko warstwy logicznej. Potrzebuje jeszcze układu kontrolującego wartstwę fizyczną połączenia. Teensy 4.1 ma na pokładzie układ Ethernet PHY więc wystarczy Ethernet Kit by mieć łączność Ethernet. Braki na rynku układów półprzewodnikowych spowodowały, że użyte w Teensy 4.1 układy PHY są niedostępne. Dlatego PJRC wypuściło TEENSY41_NE, wersję bez przylutowanego układu Ethernet PHY. I to jest właśnie ten produkt. Ma wszystkie cechy Teensy 4.1 ale NIE DA SIĘ w łatwy sposób (czytaj - przez użycie Ethernet kitu) uzyskać łączności w sieci.

• Po trzecie: host USB. Teensy serii 3 i 4 są często używane do budowy instrumentów muzycznych. Host USB pozwala na podpięcie klawiatur, manipulatorów, decków, przenośnych dysków, pendrivów, kamer, itp. Robi się ciekawie :)

• Po czwarte: slot na kartę microSD.
• Po piąte: 4 razy więcej pamięci flash plus dwa miejsca na wlutowanie dodatkowej pamięci.

Co z tym zrobić?

Paul Stoffregen - autor płytki przewiduje, że Teensy 4 będzie wykorzystywane do polifonicznej syntezy audio, uruchamiania średnio złożonych algorytmów uczenia maszynowego i analizy audio w czasie rzeczywistym. W wielu przypadkach pierwszy poziom obróbki danych z urządzeń wejściowych można teraz przenieść z komputera na zewnętrzny mikrokontroler, zmniejszając przepustowość wymaganą pomiędzy mikrokontrolerem a komputerem. Z kolei w przypadku projektów wykorzystujących wyświetlacz wbudowany potok przetwarzania pikseli może znacząco przyspieszyć operacje graficzne, tym samym odciążając procesor.

Możesz też wgrać blinka i chełpić się tym, że Twoja płytka ma 600MHz :P

Specyfikacja:

• Procesor: NXP iMXRT1062 ARM Cortex-M7 taktowany zegarem 600 MHz
• RAM: 1024K (512K ściśle powiązane)
• Flash: 8192K (64K zarezerwowane w celach odzyskiwania i emulacji EEPROM)
• 2 x USB, pracujące z prędkością 480 mbps
• 1 x Ethernet PHY (10/100 Mbit DP83825)
• 3 x CAN Bus (1 z CAN FD)
• 2 x Cyfrowe Audio I2S
• 1 x Cyfrowe Audio S/PDIF
• 1 x SDIO (4 bit) natywne SD
• 3 x SPI, wszystkie z 32 bajtowym FIFO (16 word)
• 3 x I2C, wszystkie z 4 bajtowym FIFO
• 7 x Serial, wszystkie z 4 bajtowym FIFO
• 32 kanały DMA ogólnego przeznaczenia
• 35 piny PWM
• 55 pinów I/O:
  • 42 wyprowadzonych pinów cyfrowych, wszystkie z obsługą przerwań
  • 6 pinów w slocie karty microSD
  • 7 na padach lutowniczych kości pamięci
• 18 pinów analogowych, 2 ADC wbudowane w układ
• Sprzętowa akceleracja operacji kryptograficznych
• Sprzętowy Generator liczb losowych
• Zegar czasu rzeczywistego RTC (data/czas)
• Programowalne FlexIO
• Pixel Processing Pipeline
• Peripheral cross triggering

Zużycie prądu, skalowanie zegara i zarządzanie zasilaniem

Komputery PC przyzwyczaiły nas, że wysoka wydajność zawsze idzie w parze z bardzo wysoka prądożernością. Podczas pracy z częstotliwością 600 MHz Teensy 4.1 pobiera około 100 mA prądu. To dużo i niedużo, zależy jak spojrzeć. Co ważne Teensy 4.1 wspiera obsługę dynamicznego skalowania zegara. W przeciwieństwie do tradycyjnych mikrokontrolerów, w których zmiana prędkości zegara powoduje błędy transmisji i inne “ciekawe” problemy, sprzęt Teensy 4.1 i oprogramowanie Teensyduino obsługujące funkcje taktowania są zaprojektowane tak, aby umożliwić dynamiczne zmiany prędkości. Prędkość transmisji szeregowej, częstotliwości próbkowania strumieniowego przesyłania audio oraz funkcje Arduino, takie jak delay() i millis(), oraz rozszerzenia Teensyduino, takie jak IntervalTimer i elapsedMillis, działają poprawnie podczas gdy procesor w najlepsze zmienia prędkość. A jak się domyślacie niższy zegar to niższe zużycie prądu.

A teraz usiądźcie… Teensy 4.0 można również podkręcić! I to znacznie powyżej 600 MHz!

Kilka słów o procesorze Cortex-M7

2 instrukcje w 1 cyklu

ARM Cortex-M7 naszym zdaniem jest bardzo dobrym kandydatem do stworzenia platformy czasu rzeczywistego. Co prawda nie jest to procesor w pełni dwu wątkowy, ale dzięki architekturze superskalarnej może on wykonywać 2 instrukcje na cykl zegara. I to wszystko przy zawrotnych 600 MHz! Oczywiście możliwość jednoczesnego wykonania instrukcji zależy od ich typu i rejestrów porządkowych kompilatora, ale pierwsze testy porównawcze pokazały, że kod C++ skompilowany przez Arduino IDE ma tendencję do jednoczesnego wykonania 2 instrukcji w około 40-50% wypadków podczas wykonywania intensywnej obliczeniowo pracy na liczbach całkowitych i wskaźnikach. To tak jakbyśmy właśnie dołożyli dodatkowe 300MHz do zegara :)

Wróżbita (branch prediction)

Niespodzianek jest o wiele więcej! Cortex-M7 to pierwszy mikrokontroler z rodziny ARM, który potrafi wróżyć z kart tarota, fusów waniliowego Latte i szklanej kuli :) <żarcik? /> Posiada bowiem układ przewidywania rozgałęzień (branch prediction), który całkiem dobrze sobie radzi w mikrokontrolerowych warunkach. Zasada działania tego układu jest dość prosta. Cały czas monitoruje statystycznie pod jakie adresy skacze program i jeśli adres się powtarza kilka razy, to automatycznie przygotowuje strumień instrukcji z tego adresu do przetwarzania przez procesor. Dla porównania w rodzinie M4 (znanej z Teensy 3.x) wielokrotne wykonywanie kodu pętli na obsługę pożerało 3 cykle zegara za każdym razem. W Cortex-M7 po tym jak pętla zostanie wykonana kilka razy, mikrokontroler magicznie likwiduje narzut, pozwalając na wykonanie pętli z użyciem tylko jednego cyklu zegara. W świecie mikrokontrolerów oznacza to ogromną oszczędność czasu procesora. Kolejne cykle można wykorzystać na coś innego.

RAM ściśle powiązany/spięty/sprzężony… umagiczniony!

W Teensy 4.0 połowa RAMu jest “ściśle powiązana”. Czy jakkolwiek się tłumaczy termin “Tightly Coupled Memory”. W naszej mikrokontrolerowej karierze spotykamy się z tym pierwszy raz. Pamięć tę widać na schemacie blokowym kontrolera - znajduje się ona bezpośrednio w rdzeniu ARM. W rezultacie procesor ma do niej bardzo szybki i wyłączny dostęp. W praktyce oznacza to, że Cortex-M7 potrafi w pojedynczym cyklu zegara otrzymać dostęp do pamięci używając dwóch 64-bitowych magistrali. Jest szybko, bardzo szybko… Robi to dobrą robotę i przekłada się to na wzrost wydajności, więc nie narzekamy :)

Wydajne peryferia z obsługą DMA

Reszta pamięci jest zoptymalizowana pod DMA (Direct Memory Access - bezpośredni dostęp do pamięci). Oznacza to, że obustronna komunikacja z peryferiami odbywa się bardzo szybko i co ważne, procesor nie musi być pośrednikiem. Dla przykładu, dzięki temu można transferować dane do DAC bez udziału procesora w precyzyjnie ustalonych odstępach czasu. Wymagające peryferia mają zatem ogromne pole do popisu - jednym słowem mamy tu do czynienia z bardzo wydajnym I/O.

W dokumentacji procesora natrafiamy także na HS_GPIO czyli obsługę GPIO zaimplementowaną w rdzeniu ARM. Łatwo się domyślić, że jest to bardzo szybka obsługa. Są to co prawda tylko wybrane piny, ale w razie potrzeby natychmiastowej reakcji na sygnał, taka funkcjonalność może okazać się na wagę złota.

FPU podwójnej precyzji co robi zacną robotę!

Procesor Cortex-M7 w Teensy 4.1 posiada dedykowaną jednostkę do obliczeń zmiennoprzecinkowych (FPU), która obsługuje zarówno 64-bitowe liczby podwójnej precyzji (“double”), jak i standardowe 32-bitowe liczby zmiennoprzecinkowe (“float”). Należy pamiętać, że FPU było obecne już w rodzinie M4 (Teensy 3.5, 3.6, Atmel SAMD51). Ale tam wspierało tylko 32-bitowe liczby zmiennoprzecinkowe. Każde użycie liczb zmiennoprzecinkowych podwójnej precyzji, czy funkcji takich jak log(), sin(), cos() oznaczało przesiadkę na powolne obliczenia implementowane programowo. W Teensy 4.1 wszystkie te operacje wykonuje sprzętowy FPU. Niezły czad! Kolejne zaoszczędzone cykle!

Jak małe są płytki Teensy?

W chwili obecnej rodzina Teensy składa się z 7 płytek. Dwie z nich bazują na 8-bitowym mikrokontrolerze AVR, pozostałe 5 to zawierają 32-bitowe układy z rodziny ARM. Wymiary poszczególnych płytek:

• Teensy 2.0 - 30 x 18 mm
• Teensy++ 2.0 - 50 x 18 mm
• Teensy LC - 36 x 18 mm
• Teensy 3.2 - 36 x 18 mm
• Teensy 3.5 - 61 x 18 mm
• Teensy 3.6 - 61 x 18 mm
• Teensy 4.0 - 36 x 18 mm
• Teensy 4.1 - 61 x 18 mm

W zestawieniu z Arduino UNO R3 wyglądają następująco:

Płytki Teensy 8-bit AVR:

Płytki Teensy 32-bit ARM:

Dedykowane akcesoria:

Pasujące akcesoria: