恩智浦FRDM平台如何助力开发者创建真正可扩展的开发环境

2012年，恩智浦推出了FRDM开发板，作为面向新一代MCU产品的可扩展、低成本开发平台。首批FRDM开发板配备了板载调试器、实用的板载传感器以及标准化IO接口 (Header Interface)，可与现有的扩展板 (Shield) 生态系统配合使用。凭借强大的功能和亲民的价格，FRDM-KL5Z等产品迅速赢得工业界、学术界及创客群体的广泛青睐。随后几年，FRDM生态系统不断发展，增加了MCX系列MCU，如今更是迎来了i.MX应用处理器的加入。

本文节选自恩智浦白皮书《从MCU扩展到MPU：面向应用处理器的恩智浦FRDM平台》，获取更丰富的FRDM平台相关技术资讯，请下载并阅读完整版本白皮书。

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FRDM i.MX 93

赋能先进边缘AI/ML应用

FRDM i.MX 93开发平台是恩智浦将强大的i.MX应用处理器引入FRDM生态系统的首款产品。

FRDM i.MX 93平台的核心是i.MX 9352应用处理器，配备双核Arm Cortex-A55处理器 (主频1.7GHz) 以及一个专用Cortex-M33实时内核 (主频250MHz)。i.MX 93 MPU的一大特色是搭载了Arm Ethos-U65神经处理单元 (NPU)，可提供高达0.5 TOPS的AI/ML加速能力。该NPU使开发者能够直接在边缘设备上实现机器学习推理，支持从计算机视觉到语音识别的多种应用，且能效表现出色。

在连接方面，该板卡提供的选项包括搭载恩智浦IW612三频无线功能的u-blox MAYA-W276模块，支持WiFi 6、蓝牙5.2以及用于Thread和Zigbee应用的IEEE 802.15.4。它配备双千兆以太网端口，其中一个支持时间敏感网络 (TSN) 功能。TSN支持对于需要确定性通信和保证延迟的工业自动化应用尤为重要，使FRDM i.MX 93成为工业4.0开发的理想选择。

图1：FRDM i.MX 93开发平台

除了行业标准的40脚扩展接口外，FRDM i.MX 93还配备一个专用的2x5脚恩智浦接口。该接口通过一个板载收发器提供直接CAN总线支持、双ADC通道以及I2C/I3C扩展功能。原生CAN总线功能的引入对于工业、机器人及汽车应用尤为重要，可直接集成至现有CAN网络，而无需额外的接口硬件。面向工业应用的I/O设计使FRDM i.MX 93不同于其他通用应用处理器开发板。

图2：FRDM i.MX 93开发平台框图

对于计算机视觉应用，该板卡提供多种显示接口选项，包括MIPI-DSI、LVDS转HDMI输出以及用于摄像头输入的MIPI-CSI接口。FRDM i.MX 93延续了FRDM平台强大的扩展能力，使开发者能够利用包括LCD显示屏、摄像头模块和音频HAT在内的兼容扩展板生态系统。

图3：连接了扩展配件的FRDM i.MX 93

FRDM i.MX 91

面向入门级工业物联网应用

FRDM i.MX 91是该系列的第二款产品，将恩智浦FRDM平台扩展至入门级嵌入式Linux应用领域，涵盖从智能家居控制器、联网家电到工业控制系统和医疗平台的多种应用。

i.MX 91配备单核Arm Cortex-A55处理器，主频最高达1.4GHz，可在保持高能效的同时提供运行Linux应用所需的性能。该板卡是理想的入门级低成本Linux平台，同时为现有i.MX 6ULL设计提供了升级迁移路径。

FRDM i.MX 91保留了与FRDM i.MX 93相同的扩展接口，包括标准的40脚接口和2x5脚恩智浦专用接口。这种兼容性使开发者可在任一开发板上进行原型设计，然后根据不断变化的项目需求轻松迁移至另一平台，而无需重新设计硬件或更换连接器。

在连接方面，FRDM i.MX 91配备u-blox MAYA-W476模块，集成恩智浦IW610三频无线功能，支持WiFi 6、蓝牙以及用于Thread和Zigbee应用的IEEE 802.15.4协议。

与FRDM i.MX 93类似，它同样配备双千兆以太网端口，其中一个支持时间敏感网络 (TSN)。

图4：i.MX 91开发平台框图

跨FRDM i.MX平台的可扩展软件开发

FRDM i.MX平台支持Yocto Project，这是一个开源协作项目，提供为嵌入式产品创建定制Linux系统所需的模板、工具和方法。Yocto使开发者能够构建量身定制的Linux系统，仅包含具体应用所需的元器件，因此可以最小化系统占用空间并优化性能。

恩智浦为FRDM i.MX 91和FRDM i.MX 93开发板提供全面的Yocto板级支持包 (BSP)。这些BSP包含针对i.MX硬件专门配置的Linux内核修改、设备驱动程序和引导加载程序。FRDM i.MX 91和FRDM i.MX 93开发板共享相同的基础软件架构。这种一致性意味着开发者只需学习一次构建系统、配置流程和开发流程。各平台的构建命令和环境设置几乎完全一致。

对于偏好传统Linux开发体验的开发者，FRDM i.MX平台提供了全面的Debian支持。恩智浦Debian Linux SDK发行版将恩智浦提供的内核和引导程序与基于Debian的用户空间相结合，提供一个熟悉的环境，而且可以访问数千个预构建软件包。

恩智浦的Flexbuild工具简化了Debian镜像的创建和定制，使开发者能够快速生成包含项目所需基础系统、多媒体组件和附加应用精确组合的SD卡镜像。使得Debian的稳定性和软件易用性与针对i.MX硬件优化的驱动程序及BSP组件相结合。

预构建镜像与通用更新工具

FRDM i.MX软件平台通过预构建的Linux镜像加速开发进程。开发者在开箱后即可立即开始应用原型设计，并灵活选择多种操作系统以满足特定需求和偏好。这些镜像提供一个具备基本功能的典型系统，适用于硬件评估和应用开发，而无需进行定制构建。

通用更新工具 (UUU) 进一步简化了部署流程，使开发者能够通过简单命令将镜像烧录至SD卡或板载eMMC。这不仅提供了便捷的入门路径，同时也支持根据需求变化对Linux镜像进行高级定制。

适用于i.MX应用处理器的GoPoint

FRDM i.MX 93的预构建镜像包括面向i.MX应用处理器的GoPoint——一款用户友好的应用启动器 (launcher)， 旨在突显i.MX 93的特殊功能。它提供对预构建演示程序的即时访问，涵盖从机器学习推理到多媒体处理的各种用例。

当前展示平台能力的演示包括图像分类、物体检测、智能健身 (含姿态估计) 和驾驶员监控系统。每个演示都包含存放于GitHub上的源代码和实现方法，使开发者能够理解其实现细节，并将其调整用于自己的应用。

图5：GoPoint界面中的图像分类示例

应用代码中心与扩展板中心

恩智浦的应用代码中心是一个集中存储库，提供由恩智浦专家开发的大量软件示例、应用演示和代码片段。在这里，工程师能够快速找到针对特定硬件功能或应用领域的相关示例。

扩展板中心重点展示可与应用演示配套使用的兼容扩展板。

FRDM i.MX平台的软件组件通过开源渠道提供，源代码可通过恩智浦GitHub代码库获取。这种开放方式确保开发者能够全面了解系统运行情况，并可在从内核驱动到应用框架的任何层级进行修改。

可扩展平台允许以循序渐进的方式逐步扩展功能。项目可从任一开发板上的基础Linux功能起步，随后逐步添加更复杂的功能，如图形界面、网络协议或AI处理能力。

由于整个平台的底层软件架构保持一致，每项新学到的或集成的能力都可作为未来项目中可复用的资产，无论其具体针对哪款开发板。

图6：应用代码中心界面，包含用于MCU和MPU开发的多种应用演示与代码片段

全面且一致的安全功能

安全功能在各FRDM i.MX平台中的实施保持一致，为保护连接的边缘设备奠定了坚实基础。

FRDM i.MX 91和FRDM i.MX 93均支持恩智浦EdgeLock Secure Enclave高级配置，提供硬件加速的安全功能和安全密钥存储。该方案通过EdgeLock 2GO支持OTA密钥管理、加密更新及运行时设备保护，确保网络韧性。整个平台采用一致的安全框架，使开发者能够实现稳健的数据保护和安全通信，而且在不同平台间迁移时无需重新设计安全架构。

先进的快速启动能力

FRDM i.MX平台集成了先进的快速启动技术，这对需要快速启动的应用至关重要。恩智浦在整个启动链中实施了多项优化措施，以显著缩短应用启动时间。FRDM i.MX平台中最重要的启动时间优化措施之一是Falcon模式；该模式允许次级程序加载器 (SPL) 直接加载并启动Linux内核，完全跳过完整的U-Boot加载与初始化过程。与标准启动序列相比，此方法可将启动时间缩短至数秒。

结合文档中提供的其他优化措施，FRDM i.MX 93从上电到用户应用的启动时间可低至2.3秒，非常适合汽车系统和工业控制器等对启动时间有严苛要求的应用场景。

实现从MCU到MPU开发的平滑扩展

虽然FRDM平台历来主要面向微控制器开发，但FRDM i.MX开发板的推出实现了从微控制器开发到应用处理器开发的无缝过渡。这种统一方法使开发者能够利用熟悉的工具和方法，同时逐步进行扩展以满足更复杂的处理需求。

FRDM i.MX 93通过集成的250MHz Cortex-M33内核与双核Cortex-A55应用处理器提供了一种独特的混合架构。这种异构架构为开发者带来了双重优势:基于Linux的应用处理能力与实时确定性控制能力相结合。Cortex-M33内核由熟悉的MCUXpresso SDK支持，为开发者提供与传统MCU项目一致的开发体验。

开发团队可立即应用现有MCU专业知识，在M33内核上开发实时应用，同时逐步探索A55应用处理器提供的附加能力。

图7：MCUXpresso SDK构建器 (builder) 支持在FRDM生态系统中共享的M33内核上进行可扩展开发

ZephyrRTOS:连接MCU与MPU的桥梁

i.MX生态系统现已开始支持Zephyr RTOS。Zephyr是一种现代化、可扩展的实时操作系统 (RTOS)，既能运行在微控制器 (MCU) 上，也能运行在应用处理器 (MPU) 上，从而在MCU开发模式和MPU开发模式之间架起了一座桥梁。

灵活的开发路径

这种多功能环境使开发团队能根据特定需求和技术专长选择不同的开发路径:

1传统MCU到MPU迁移

开发团队可从Cortex-M33上熟悉的MCU开发起步，随着应用复杂度提升逐步扩展至在A55核心上运行Linux。

2注重实时性的MPU开发

开发者可在A55内核上利用Zephyr构建具有确定性行为的高性能应用，而无需适用Linux系统。

3混合开发模式

项目可在A55内核上运行Linux以支持丰富的应用，同时在M33内核上运行裸机或RTOS代码以处理关键实时任务。另一种范式是支持更先进的低功耗实现方案: 当A55处于低功耗睡眠状态时，由M33处理传感和控制任务。

4渐进式RTOS扩展

开发团队可基于Zephyr构建初始运行于FRDM-MCXN947等MCU的应用，随后扩展至i.MX 91和i.MX 93等更强大的处理器，同时保持相同的RTOS环境。

FRDM i.MX平台打破了传统MCU开发与MPU开发之间的界限，为嵌入式系统设计者创造了前所未有的机会。通过在统一的硬件生态系统中提供多种编程模型，恩智浦使开发者能够根据每个项目的性能需求、确定性与开发复杂度，选择最优平衡方案，同时在整个平台上复用现有代码、工具与专业知识。

不断扩展的FRDM i.MX生态系统

FRDM i.MX 91和FRDM i.MX 93的推出标志着恩智浦FRDM 开发生态系统的重大演进，将其经过验证的微控制器开发方法延伸至应用处理器领域。这些开发板成功兑现了公司承诺：创建真正可扩展的开发环境，弥合MCU与MPU设计之间的鸿沟，为开发者提供前所未有的灵活性，帮助正确匹配计算资源与应用需求。

当前的FRDM i.MX产品系列为快速开发广泛应用奠定了坚实基础。FRDM i.MX 91是开发者从MCU设计过渡到Linux应用设计的理想入门平台，具备工业物联网与连接边缘设备所需的基本处理能力。

FRDM i.MX 93则在此基础上更进一步，配备双核Cortex-A55处理器、专用Cortex-M33实时处理器，以及用于AI/ML加速的Arm Ethos-U65 NPU，可支持计算机视觉、语音识别和复杂控制系统等更高级应用。

这两个平台均秉承FRDM开放硬件与软件的传统，提供全面的文档和丰富的示例应用。针脚兼容性、一致的扩展接口以及可扩展的软件支持相结合，打造卓越的开发体验，显著加快基于i.MX应用处理器的嵌入式系统上市进程。

更多资源

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