【技术分享】带你认识什么是PRU

原创 ZLG致远电子 2023-06-25 11:38

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PRU，作为TI Sitara系列处理的一个特色功能，那PRU具体有什么特性？能帮助我们解决什么问题？

PRU家族介绍

PRU全称是The Programmable Real-Time Unit Subsystem，也叫PRUSS。中文名为可编程实时单元，它是一个32位RISC处理器核心，与IO子系统进行了紧密集成，为其IO引脚提供了低延迟控制，具有本地的指令和数据RAM，并可寻址访问整个片上系统资源。

TI（德州仪器）针对其家族设备的不同资源分配情况，提供了三种PRU子系统，分别是：PRU-ICSS、PRU-ICSSG、PRU-SS。

PRU-ICSS：The Programmable Real-time Unit and Industrial Communication Subsystem
可编程的实时单元和工业通信子系统（PRU-ICS）由两个32bit的RISC核心（PRU）组成，提供了共享数据，指令存储，内部和外围功能子模块，中断控制器（INTC）等功能。相关控制器有AM335x、AM437x、AM57x、K2G。
PRU-ICSSG：The Programmable Real-time Unit and Industrial Communication Subsystem – Gigabit
可编程的实时单元和工业通信子系统 - 千兆（PRU_ICSSG）是PRU-ICSS的功能加强版。除了拥有所有PRU-ICSS功能外，还增加了两个辅助可编程实时单元（RTU）内核，两个传输PRU（TX_PRU）内核，提供加速器，加快数据处理和数据流动，并新增更多的外围设备。相关控制器有AM64x、AM65x。
PRU-SS: The Programmable Real-time Unit Subsystem
可编程的实时单元子系统（PRU-SS）是PRU-ICSS的删减版。功能与PRU-ICSS类似，但不支持包括以太网（MII信号和MDIO信号）在内的工业通信子系统功能。相关控制器有AM62x。

PRU系统描述

PRU的核心是用精简指令集来编程的。每个PRU可以独立运行，也可以相互协调，也可以与CPU协同工作。处理器之间的交互是由加载到PRU的指令存储器中的固件的性质决定的。关于PRU-ICSS/PRU-SS的系统描述如图1 所示。

图1 PRU-ICSS/PRU-SS系统描述

PRU-ICSSG拥有RTU，其处理核心与PRU相同，但是RTU与PRU有不同的资源、连接和加速器。例如，PRU可以访问外部通用输入和通用输出（GPI/GPO）引脚，而RTU则不能。关于PRU-ICSSG的系统描述如图2 所示。

图2 PRU-ICSSG系统描述

PRU的功能特性

1. 快速I/O

PRU属于标量处理器，在同一时间内只处理一条数据；
采用非流水线设计，确保所有指令只能顺序执行；
本地内存映射，使用位于子系统内部的本地32位互连总线来访问本地资源，以最大限度地减少访问延迟。

2. 通用总线

PRU本身也有通用总线功能，如：UART、ECAP、PWM、ADC等。

3. 工业协议

TI根据工业行业应用，定制并兼容了多种工业通讯协议，如：EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP等。

4. 运行环境

支持TI RTOS、TI Linux SDK及Code Composer Studio (CCS)的运行环境；
开发语言支持汇编指令及C/C++；
PRU固件是一种特定格式的文件，只能在系统对PRU资源进行初始化后，再把其固件加载到PRU核中运行。

PRU的使用场合

众所周知，SoC很复杂，里面集成了不少东西。这个PRU就可以理解为一个协处理器，就是主处理器ARM或DSP之外的一个小东西，可以处理一些专门的任务，已达到高效快速（Real-Time）的目的，同时也减轻了主处理器的负担。

而且，这个PRU是Programmable，也就是可以给安装一个固件上去。这个固件会干些什么呢，由开发人员设计实现。在Sitara系列SoC里，TI提供了一些现成的固件，像实现EtherCAT（slave）协议的、Profinet通信的等等，这些都是工业通信的。

在没有PRU的情况下，想要做到类似的效果，就需要在外部增加一个ASIC或FPGA部件了。现在整在SoC里的话，就可以把产品做得更小了，也更轻易达到高可靠性。更方便的是，通过内部总线，PRU可以访问到SoC内部的各种资源，包括许多的外设。比如用PRU实现百兆网协议栈，大大扩展一个产品上的网口数量。

如今，我司已经推出了M65x系列核心板，M65x系列系列核心板是ZLG致远电子基于TI公司 AM6526处理器和 AM6548处理器开发的工控核心板，旨在满足工业4.0嵌入式产品的复杂处理需求。核心板使用的AM6548处理器具有四个主频高达1.1GHz的Cortex-A53内核和两个主频400MHz的Cortex-R5F内核，M65x系列核心板可选1GB或2GB DDR3L内存以及可选DDR ECC功能，eMMC存储器可选4GB或8GB。具体型号有M6526-1GF4GLI-T、M6526-2GF8GLI-T、M6548-1GF4GLI-T、M6548-2GF8GLI-T，产品图片如图3 所示。

图3 M65x系列核心板

EPCM5300A-LI（如图4）工控机是广州致远电子有限公司基于M6548系列核心板开发的高性能工控机，标配M6548-2GF8GLI-T工控核心板。它是一台可堆叠、可扩展的工控机，分为上下两层，其中下层是工控机的核心部分，上层则是PRU扩展部分。工控机既可以下层单独工作，也可以和上层扩展一起工作。

图4 EPCM5300A-LI

EPC5300A-LI主机集成了大量的外设和接口资源，正面接口包括电源接口和按键开关、LED指示灯、复位按键、USB接口、SD卡接口和SIM卡接口，背面接口包括CAN-FD接口、千兆以太网、LVDS接口、RS232接口和4G天线接口。在主机内部还有预留MiniPCIe插座接口，支持4G模块或MiniPCI设备（如PCIe转SATA）；扩展PRU模块EPCM5300A-PRU，可用于扩展千兆以太网和串口，最多可扩展6路千兆以太网和18路串口、以及RGB LCD接口和MIPI-CSI摄像头接口。EPCM5300A-LI工控机可以满足5G、大数据和人工智能场景下的工业自动化、智能交通、智慧城市等行业应用。

在未来一段时间里，我司将陆续推出更多的支持PRU的核心板（如：M64x系列、M62x系列）及主板，关于PRU更多的样例及特性请关注后续推文解锁。