探索AMD Kria K24 SOM：高性能嵌入式平台的卓越之选

在嵌入式系统设计领域，不断追求高性能、高集成度和灵活性是工程师们的目标。AMD Kria K24 SOM（System-on-Module）作为一款紧凑的嵌入式平台，为众多应用场景提供了强大的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

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一、K24 SOM 概述

1.1 产品简介

AMD Kria K24 SOM 集成了定制的 AMD Zynq UltraScale+ MPSoC，搭配 LPDDR4 内存、非易失性存储设备、安全模块和铝制散热外壳。它设计为可插入带有特定解决方案外设的载卡，适用于电机控制、工业通信和机器人等关键应用。

1.2 订购信息

K24 SOM 有两种型号可供选择，具体信息如下表所示：	部件编号	设备	温度等级	LPDDR4 ECC	描述
SM - K24 - XCL2GC	XCK24 - C	商用	无 ECC	K24C SOM
SM - K24 - XCL2GI	XCK24 - 1	工业	有 ECC	K24I SOM

二、功能概述与框图

2.1 硬件特性

• Zynq UltraScale+ MPSoC：提供商用（C）级或工业（I）级的 XCK24 芯片。
• 内存：配备 2GB 32 位宽、1066 Mb/s 的 LPDDR4 内存，工业级支持 ECC，商业级不支持。
• 非易失性存储：集成 512 Mb QSPI、32 GB eMMC 和 64 Kb EEPROM。
• 安全模块：具备 TPM2.0 安全模块。
• 连接器：一个 240 针连接器和一个 40 针连接器，可访问用户可配置的 I/O。240 针连接器与 K26 SOM 240_1 连接器向后兼容。
• 电源设计：SOC 电源由单个 +5V 输入提供，PL I/O 电源可通过载卡定义的电源轨进行定制。
• 机械尺寸：紧凑的机械尺寸，集成了热界面板。

2.2 功能接口

K24 SOM 提供了固定和用户定义的功能接口组合，每个接口都由 MPSoC 内的主要系统之一实现。以下是接口的简要总结：	接口	物理位置	关联子系统	功能描述
QSPI	MIO 银行 500 MIO[5:0]	PS	SOM QSPI 内存
SD	MIO 银行 500 MIO[23:13]	PS	SOM eMM 内存
I2C	MIO 银行 500 MIO[25:24]	PS	SOM 电源管理、EPROM 和载卡可扩展 I2C 总线
SPI	MIO 银行 500 MIO[11:9], MIO[6]	PS	用于 TPM 2.0 安全模块的隔离 SPI 接口
电源管理	MIO 银行 501 MIO[34:32]	PS	基于 SOM 的固定 PMU 电源管理
电源管理	MIO 银行 501 MIO[31], MIO[35]	PS	可选的 PMU I/O 信号
MIO - 用户定义 I/O	MIO 银行 501 MIO[30:26], MO[51:38]	PS	19 个用户定义的复用 CPU 连接 I/O 引脚
MIO - 用户定义 I/O	MIO 银行 502 MIO[77:52]	PS	26 个用户定义的复用 CPU 连接 I/O 引脚
LPDDR4 内存控制器	MIO 银行 504	PS	SOM LPDDR4 内存
HDA	HDIO 银行 26	PL	24 个引脚，23 个可用的用户定义高密度输入/输出引脚
HPA	HPIO 银行 66	PL	用户定义的高性能输入/输出引脚，18 个差分引脚对和一个单端引脚
HPA	HPIO 银行 65	PL	用户定义的高性能输入/输出引脚，8 个差分引脚对和三个单端引脚
PS - GTR 收发器	PS GTR 505	PS	四个用户定义的高速串行收发器通道

三、处理系统

3.1 处理资源

• APU：基于 Arm Cortex - A53 的应用处理单元，四核 Cortex - A53 处理器，$F_{MAX}=1333 MHz$，具有 L2 缓存、SIMD、VFP4 浮点和加密扩展。
• RPU：基于 Arm Cortex - R5F 的实时处理单元，双核 Cortex - R5F 处理器，支持浮点单元，$F_{MAX}=533 MHz$，可独立和锁定步长运行。
• PMU：平台管理单元，用于专用的 SOM 电源和子系统管理功能。
• DDRC：DDR 内存控制器，具有可配置的服务质量配置功能。
• GPU：基于 Arm Mali - 400 MP2 的图形处理单元，$F_{MAX}=600 MHz$。
• 系统监视器：内置模数转换器（ADC），用于监测和报告电源和温度条件。
• RTC：实时时钟，可通过载卡引脚提供可选的电池备份。

3.2 MIO 银行

MPSoC 共有三个 MIO 银行，SOM 使用第一个银行用于板载外设，另外两个 MIO 银行可通过 SOM 连接器接口进行定制。所有三个 MIO 银行均由 SOM 提供 1.8V 电源轨。具体的 MIO 分配可参考 Zynq UltraScale+ 设备技术参考手册（UG1085）中的 MIO 表。

3.3 MIO 外设

MIO 中提供了许多外设接口，可用于各种应用配置，包括 PS - GTR 收发器、千兆以太网 MAC、DisplayPort 控制器、CAN 控制器、USB 控制器、PCI Express 控制器、SD/SDIO/eMMC 控制器、UART 控制器、SPI 控制器、SATA 主机控制器和 I2C 控制器等。

四、可编程逻辑

K24 SOM 包含定制的 Zynq UltraScale+ MPSoC（XCK24），其中集成了灵活可扩展的可编程逻辑系统（PL）。PL 资源如下表所示：	资源	K24 SOM 描述
系统逻辑单元	154,350 个可编程逻辑单元
CLB 触发器	141,120 个
CLB LUTs	70,560 个
分布式 RAM（Mb）	1.8
块 RAM	216 个（36 Kb）
块 RAM（Mb）	7.6
UltraRAM 块	0
DSP 切片	360 个
视频编解码器	0
HDIO	23 个，支持 1.2V 至 3.3V 电源轨
HPIO	56 个差分对，支持 1.0V 至 1.8V 电源轨

五、启动源和存储设备

K24 SOM 包含两个非易失性存储启动设备：QSPI 闪存和 eMMC 闪存。主启动设备可通过将 MODE[3:0] 引脚连接到载卡上的所需值来选择。启动模式配置如下表所示：	启动模式	PS_Mode 引脚[3:0]	物理引脚位置
四通道 SPI（32 位）	0010	MIO[5:0]
eMMC	0110	MIO[22:13]

通过这种设计，K24 SOM 可以实现主/次启动过程，将启动固件和操作系统（OS）存储隔离，或进行类似的设备固件分段。

六、安全特性

K24 SOM 提供了两级安全保护，包括 MPSoC 内置的专用硬件和板载可信平台模块（TPM）设备。这些安全特性包括：

• 配置文件的加密和认证
• 为用户应用提供强化的加密加速器
• 通过 eFUSE 安全存储加密密钥
• 检测和响应设备篡改事件的方法

MPSoC 具有专用的配置安全单元（CSU），用于支持安全启动、篡改监测、安全密钥存储和加密硬件加速。此外，TPM 2.0 设备符合可信计算组（TCG）TPM 2.0 标准，可实现基于硬件的安全远程认证、测量启动和其他安全加密功能。

七、电气规格

7.1 SOM 连接器概述

K24 SOM 使用一个 240 针连接器（SOM240_1）和一个 40 针连接器（SOM40）与载卡提供电气连接。SOM240_1 连接器与 K26 SOM 的 SOM240_1 连接器向后兼容，两个连接器支持控制和状态信号、复用 I/O（MIO）银行、PS - GTR 高速串行收发器信号、高性能 I/O（HPIO）银行信号、高密度 I/O（HDIO）银行信号和电源系统等接口。

7.2 支持的 I/O 标准

K24 SOM 支持连接信号的相应银行支持的所有 I/O 标准，但需要参考电压（$V_{REF}$）的 I/O 标准除外。在加电和配置期间，内部上拉电阻禁用，每个 SelectIO™ 引脚设置为三态。

7.3 DCI - VRP 终端

K24 SOM 采用了 AMD Zynq UltraScale+ MPSoCs 与 InFO 封装（XCK24UBVA530 - 2LV），通过内部控制 I/O 引脚的阻抗，减少了对外部终端电阻的需求。DCI 配置仅用于 MPSoCs 内的 HP I/O 银行。

7.4 信号命名约定

SOM240 和 SOM40 连接器采用了特定的信号命名约定，包括模块（M）、载卡（C）、信号方向（C2M 和 M2C）、差分信号对的正负分量（_P 和 _N）以及单端信号的有效低电平（_L 或 _B）等。具体的信号命名约定可参考文档中的表格。

八、电源管理和排序

8.1 电源引脚

K24 SOM 的主要电源由载卡提供的单个 +5V 电源轨，PL HPIO 和 HDIO 银行的 $V_{CCO}$ 电源轨也由载卡供电。载卡还可以为 VCC_BATT 引脚提供外部电池电源轨，用于 RTC 电池备份电源。所需的电源轨如下表所示：	电源轨名称	支持电压范围	最大电流	描述
Vcc.SoM	5V(4.75V - 5.25V)，最大 50mV p - p 噪声	4A	SOM 的主电源输入，为板载电源调节器供电
VCC BATT	1.20 - 1.50V	150 nA - 3650 nA	RTC 的外部电池输入
Vcco HPA	1.00V - 1.80V	1.0A	HPIO 银行 65 和 66 的电压轨
Vcco HDA	1.20V - 3.30V	1.0A	HDIO 银行 26 的电压轨

8.2 电源排序

载卡的电源管理电路必须按照以下顺序为 K24 SOM 上电：

1. 当 $V_{CC_SOM}$ 电压在指定范围内时，载卡释放 POWER_OFF_C2M_L 信号。
2. K24 SOM 启动板载电源排序。
3. K24 SOM 置位 VCCOEN_PS_M2C 信号，指示载卡开启 PS 外设的电源轨。
4. K24 SOM 置位 VCCOEN_PLM2C 信号，指示载卡开启 PL 外设和 HPIO、HDIO 银行的所有 $V{CCO}$ 电源轨。

8.3 PL 电源域控制

K24 提供了一种通过板载 PMU 动态开启或关闭 PL 电源域的机制。通过切换 MIO33 引脚（PL_PWR_EN）可以改变 PL 电源域的状态。

8.4 软件控制的电源关闭

K24 SOM 提供了从专用引脚、载板输入和软件通过 Zynq UltraScale+ MPSoC 电源管理单元（PMU）关闭所有 SOM 电源轨（包括 PL 电源域）的机制。

九、机械和热设计

9.1 温度规格

K24 SOM 有商用和工业温度等级可供选择，其温度规格如下：	规格	条件
商用级 K24C SOM 工作温度	0°C 至 85°C（MPSoC 结温测量） 0°C 至 70°C（铝制接口板顶面测量）

9.2 热设计

K24 SOM 配备了铝制热界面板，可将模块产生的不均匀热分布转移到热界面板上，使热通量更加均匀，并通过更大的表面积进行散热。用户需要设计系统冷却解决方案，直接连接到热界面板，以确保在工作条件下将温度保持在规定范围内。

9.3 机械尺寸

K24 SOM 的机械规格如下表所示：	参数	规格
SOM 长度	60mm
SOM 宽度	41.3 mm
SOM 高度（无散热解决方案）	11.4 mm
质量	49 克

此外，K24 SOM 还提供 3D CAD 文件，可用于平台或载卡设计参考。

十、可靠性和合规性

10.1 可靠性测试

K24 SOM 进行了一系列可靠性测试，包括温度循环、电源循环、应力电源循环、温度和湿度、正弦振动、机械振动、机械冲击和连接器插入寿命等测试。具体的测试条件可参考文档中的表格。

10.2 合规性

K24 SOM 符合多项安全、电磁兼容性（EMC）和环保标准，包括 IEC 62368 - 1、FCC Part 15、CAN ICES - 3(A)/NMB - 3(A)、CISPR 32、EN55032、EN55035、EMC Directive 2014/30/EU 等标准。产品还提供了相应的认证标记，如 UL 标记、CE 标记、UKCA 标记、FCC 标记等。

总结

AMD Kria K24 SOM 是一款功能强大、集成度高且安全可靠的嵌入式平台，适用于各种工业和商业应用。其丰富的功能接口、高性能的处理系统、灵活的可编程逻辑、可靠的安全特性以及良好的热设计和机械规格，为工程师们提供了一个优秀的设计选择。在使用过程中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择启动源和存储设备，正确进行电源管理和排序，并注意热设计和可靠性测试等方面的问题。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地了解和应用 K24 SOM。你在使用类似的 SOM 产品时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。