O número de máquinas de café, frigoríficos, máquinas de venda automática e outros eletrodomésticos equipados com ecrãs TFT deverá aumentar significativamente nos próximos anos. Recentemente, reparei que, em muitas lojas, o comprovativo de pagamento em plástico, onde normalmente se coloca o recibo para assinar, foi substituído por um ecrã TFT de 7 polegadas exibindo anúncios de produtos disponíveis na loja. A ascensão da "publicidade em casas de banho" por parte de empresas de toda a Europa e do mundo demonstra que, em breve, não haverá como escapar aos ecrãs TFT.
Então, o que precisa para a sua aplicação?
Vamos começar por analisar a questão principal. O que precisa realmente para controlar um display TFT? A maioria dos painéis TFT atuais utiliza uma interface RGB digital, seja RGB888 ou RGB565. O valor RGB é um padrão pelo qual são representadas as cores vermelha, verde e azul de cada pixel, com o número correspondente de bits. Assim, para 888, cada cor recebe 8 bits de dados (totalizando 24 bits por pixel), enquanto que em 565, o vermelho e o azul são representados por 5 bits cada, e o verde por 6 bits (totalizando 16 bits por pixel). Em alternativa, em vez de uma interface de ecrã digital padrão, pode utilizar um conector LVDS, que se está a tornar cada vez mais o padrão para ecrãs grandes. Neste caso, os sinais RGB são transferidos através de um sinal diferencial, mas o formato dos dados permanece o mesmo. Assim, para começar, necessita de um dispositivo que suporte a geração de um sinal RGB e/ou de uma interface LVDS.
Em segundo lugar, os dados RGB devem ser provenientes de um buffer de quadros, que é normalmente armazenado na RAM. Este buffer de fotogramas é uma imagem bitmap armazenada no formato desejado. Assim sendo, um ecrã com uma resolução como WVGA (480x800) irá requerer pouco mais de 1 MB de RAM para armazenar uma imagem RGB888 (480 x 800 x 24 bits = 1,125 MB).
Além do buffer de fotogramas que armazena a imagem atual a ser apresentada no ecrã, uma aplicação típica terá um "buffer traseiro" que armazena a próxima imagem a ser apresentada. Isto permite que a CPU processe a imagem seguinte sem que o utilizador veja uma imagem parcialmente processada a piscar no ecrã antes de a CPU terminar. Este sistema de duplo buffer é muito comum e proporciona uma maior qualidade global à interface homem-máquina (IHM), mas também significa que o seu monitor WVGA necessita de 1,125 MB adicionais de RAM para armazenar o buffer.
A história da RAM, no entanto, infelizmente não se ficou por aqui. Numa aplicação HMI típica, nem sempre é necessário manipular o ecrã inteiro. Por exemplo, se um ícone ou botão for premido, pode animar, brilhar, rodar ou reagir de alguma forma antes da ação ser executada. Neste caso, o que um designer de HMI faria seria definir uma camada separada da camada da imagem. Haveria uma camada de fundo que permaneceria inalterada, e o ícone ou botão seria uma camada de primeiro plano que seria animada. Isto, obviamente, também requer RAM adicional — não a RAM do ecrã inteiro, mas uma parte. A quantidade necessária depende do tamanho da imagem, mas digamos, por exemplo, que é um botão de 200 x 200 pixels. Assim, precisaríamos de 100 KB adicionais de RAM. O que também seria necessário aqui é a capacidade de combinar todas estas diferentes camadas entre si e, talvez, aplicar um nível de transparência a algumas destas imagens. Isto pode ser feito em software, se o CPU for suficientemente rápido, ou em hardware, se disponível.
Assim, para concluir a visão geral dos requisitos de RAM, uma aplicação HMI razoável pode utilizar aproximadamente 3 MB de dados de imagem para um ecrã WVGA. Se o código for executado a partir da RAM, como acontece com a maioria dos processadores, serão necessários mais 0,5 MB. Assim, o ponto de partida mínimo para um monitor WVGA deve ser de 3,5 MB de RAM.
É claro que a velocidade de acesso à RAM também é muito importante. Como provavelmente já percebeu, a RAM está a ser escrita e lida por diversas fontes em simultâneo. Por exemplo, o buffer frontal (os dados da imagem original) está a ser lido pelo bloco IP para enviar os dados para o ecrã. Ao mesmo tempo, o buffer traseiro pode estar a ser atualizado pela CPU ou por uma transferência DMA de uma imagem diferente. Simultaneamente, o CPU pode estar a manipular o ícone mencionado e a ler o seu próprio código da RAM. Isto exerce muita pressão sobre a largura de banda do barramento de RAM. Este barramento é muitas vezes o gargalo da aplicação, pelo que é necessária uma boa arquitetura de barramento para mitigar o risco de sobrecarga, o que poderia resultar em imagens incompletas para o utilizador ou, pior, numa interface gráfica de utilizador não funcional.
Deve também ser dada especial atenção à capacidade da CPU. Um sistema que apresente 24 frames por segundo no ecrã terá de manipular e criar dados (no nosso exemplo, um ecrã WVGA) a uma taxa superior a 24 MB por segundo. Isto pode ser feito inteiramente por software ou parcialmente por hardware, mas, de qualquer forma, a CPU precisa de ser suficientemente rápida para satisfazer estes requisitos.
Como estamos agora claramente a discutir uma solução de processador, que provavelmente não terá memória flash integrada, o próximo requisito é a ligação à memória flash externa. O método típico é atualmente utilizar uma memória flash NOR paralela externa para armazenar o código e, em seguida, durante o arranque, transferir esse código para a RAM para permitir uma execução rápida. No entanto, os dispositivos mais modernos suportam outras tecnologias de memória para permitir aos arquitetos de sistemas reduzir os custos do sistema sem a sobrecarga de uma memória flash NOR integrada na placa de circuito impresso (PCB), que é dispendiosa.
A maioria destas aplicações faz normalmente mais do que apenas controlar um visor. Também precisam de estar conectadas ao restante sistema. As aplicações automóveis são geralmente ligadas a um barramento CAN ou MOST. Os dispositivos industriais e de consumo exigem agora ligações Ethernet e USB. Estas ligações também significam que o produto mais adequado não só precisará de incorporar propriedade intelectual de hardware, mas também de ter desempenho suficiente para gerir o seu funcionamento e espaço de código suficiente para suportar as suas camadas de processamento.
Sobre o RZ/A:
A família RZ/A é uma solução de microprocessador incorporada baseada num núcleo ARM Cortex A9 que oferece inúmeras vantagens para o mercado de aplicações HMI. O RZ/A oferece até 10 MB de SRAM integrada, o que o torna o dispositivo com a maior quantidade de RAM integrada disponível. Existem três variações na família: o RZ/A1H, que inclui os 10 MB de RAM; o RZ/A1M, que possui apenas 5 MB de RAM; e o RZ/A1L, o dispositivo mais pequeno com 3 MB de RAM.
Assim, com base na discussão anterior, onde foi calculado que a aplicação HMI necessitaria de aproximadamente 3,5 MB de RAM, o RZ/A1M parece ideal para satisfazer estes requisitos. É claro que existem outras soluções disponíveis no mercado que utilizam RAM externa, seja DDR SDRAM ou até quantidades superiores, mas a família RZ/A é o único produto que o autor conhece que oferece este elevado nível de RAM interna.
O RZ/A1H oferece ao projetista do sistema a liberdade de aumentar ou diminuir o tamanho do ecrã de acordo com as suas necessidades e de criar uma versão com um custo otimizado para produtos de resolução mais baixa.
O desempenho de 400 MHz da CPU é mais do que suficiente para executar uma aplicação HMI simples e manter a comunicação através de qualquer protocolo que o seu sistema exija, uma vez que todas as versões da família RZ/A incluem CAN (até 5 canais), Ethernet, USB (até 2 canais) e até suporte MOST para aplicações automóveis.
Na verdade, o processador de 400 MHz é mais do que suficiente devido a duas características únicas do RZ/A. O primeiro recurso é o VDC (Video Controller). O controlador de vídeo da Renesas oferece suporte de hardware para muitas das funções necessárias para criar a imagem final no ecrã. O VDC suporta até quatro camadas gráficas diferentes, duas das quais podem ser entradas de uma câmara externa. Também possui hardware para suportar a mistura alfa. A mistura alfa é um processo através do qual cada pixel recebe um valor alfa adicional de 8 bits. Este valor alfa determina a transparência do pixel, permitindo que este seja sobreposto a outro pixel para criar a imagem resultante. O VDC também suporta operações de chroma key, cuja utilização mais conhecida é em videografia para efeitos de "ecrã verde", em que uma cor específica é definida como transparente para que um objeto possa ser sobreposto a outra imagem. Em alguns sistemas, tudo isto seria feito via software, mas o RZ/A fá-lo via hardware; portanto, os 400 MHz representam, na realidade, um nível de desempenho muito superior. O VDC também suporta não só a ligação RGB digital a um display TFT, mas também LVDS.
O segundo factor da família RZ/A que aumenta o desempenho da CPU é a eliminação do problema de largura de banda que já abordámos anteriormente. Um processador quad-core de Tera-Hertz é tão rápido quanto consegue aceder aos dados e, quando os dados são armazenados num único bloco de RAM que precisa de ser acedido por um único barramento, isso obriga o núcleo a abrandar. O RZ/A, no entanto, possui cinco bancos de RAM separados.
Cada banco está ligado ao seu próprio barramento dedicado de 128 bits, pelo que é possível escrever no buffer traseiro, ler a partir do buffer frontal, manipular um ícone e completar uma transferência DMA, tudo isto enquanto executa código a partir da RAM interna. Isto resulta num aumento significativo de desempenho.
Naturalmente, como mencionado anteriormente, também é necessária uma ligação à memória flash externa, e o RZ/A é compatível com todas as ligações de memória não volátil comuns, tais como NOR, NAND, SDIO, MMC, etc., mas também possui uma ligação flash série SPI Multi-I/O especial que suporta o novo protocolo quad SPI.
Este QSPI pode atingir níveis de desempenho semelhantes ou superiores aos de uma memória flash paralela, mas com as vantagens económicas de uma memória flash série, como a poupança de pinos do microprocessador e a redução do tamanho da placa de circuito impresso.
Resumindo: O RZ/A é simples.
O dispositivo RZ/A, lançado recentemente pela Renesas, foi concebido especificamente para o mercado das interfaces homem-máquina. Existem vários requisitos neste mercado que, embora não sejam exclusivos individualmente, se combinam para o tornar muito difícil de satisfazer com os sistemas tradicionais. A necessidade de RAM é significativa, mas não tão significativa como a de um microprocessador com 128 MB de RAM DDR3. Os requisitos operacionais são baixos, desde que o dispositivo seja compatível com um controlador de ecrã, mas não são suficientemente baixos
para que um microcontrolador a funcionar a, digamos, 100 MHz possa atendê-los.
O RZ/A oferece uma ampla conectividade para todas as aplicações HMI, um desempenho mais do que suficiente e uma quantidade generosa de RAM para maior flexibilidade. É uma solução dedicada e com um custo otimizado que não só beneficiará o crescente mercado da tecnologia de ecrãs, como também ajudará a impulsionar o seu crescimento.
Autor: Robert Kalman. Responsável de Marketing de Produto
do Grupo de Negócios de Comunicações Industriais. Renesas Electronics Europe GmbH
