隨著嵌入式應(yīng)用漸趨復(fù)雜，硬體架構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工具也必須有所改良，才能因應(yīng)各種嚴(yán)苛需求，同時縮短設(shè)計時間。
圖一: 在異質(zhì)運算架構(gòu)中整合微處理器與FPGA后，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師即可發(fā)揮每個運算元件的優(yōu)勢，同時有效滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求。
隨著嵌入式應(yīng)用漸趨復(fù)雜，硬體架構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工具也必須有所改良，才能因應(yīng)各種嚴(yán)苛需求，同時縮短設(shè)計時間。許多傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)必須配備單一CPU，因此系統(tǒng)設(shè)計工程師得提高CPU的時脈速度、改用多核心運算技術(shù)，同時透過創(chuàng)新，才能滿足復(fù)雜應(yīng)用所需的運算效能。
然而，越來越多的系統(tǒng)設(shè)計工程師選用了具有多種不同處理元件的異質(zhì)運算架構(gòu)，以便在效能、彈性、成本、延遲時間與其他要素之間取得最佳平衡。這樣一來即可因應(yīng)新一代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計需求。
新一代嵌入式系統(tǒng)設(shè)計
如要了解異質(zhì)運算架構(gòu)的優(yōu)勢，請想像一個由CPU、FPGA、I/O所組成的架構(gòu)。FPGA可說是平行運算的理想選擇，可透過許多平行資料通道來處理訊號。此外，由于FPGA會直接在硬體內(nèi)執(zhí)行運算作業(yè)，因此可縮短客制化觸發(fā)與高速閉回路控制等作業(yè)的延遲時間。
再者，將FPGA整合至運算架構(gòu)后還可以加強嵌入式系統(tǒng)的彈性，比固定邏輯的系統(tǒng)更容易升級，也可隨時因應(yīng)不同的I/O需求。只要在同一個異質(zhì)架構(gòu)內(nèi)整合CPU與FPGA，系統(tǒng)設(shè)計工程師就可以同時享有FPGA與CPU所帶來的優(yōu)勢，堪稱魚與熊掌兼得。
此外，假如單元件解決方案并不適合某項應(yīng)用，那還不如采用異質(zhì)架構(gòu)來得干脆。舉例來說，使用單一FPGA來處理低延遲時間的平行工作，其功效可能等同于采用多個CPU的成效。
配備多個處理元件的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計可提供多重優(yōu)勢，但也可能引起軟體開發(fā)的相關(guān)問題。因為處理元件各有各的特殊架構(gòu)，而且設(shè)定作業(yè)需要不同的工具組合與專業(yè)技巧，所以設(shè)計團隊的規(guī)模不容小覷。比如說，F(xiàn)PGA設(shè)定通常需要VHDL程式設(shè)計的相關(guān)知識，這又會需要更多員工、大量的培訓(xùn)投資，以及更昂貴的外包成本。
此外，為了支援異質(zhì)架構(gòu)而開發(fā)軟體環(huán)境所需的心力也相當(dāng)可觀，包含驅(qū)動程式整合、介面卡支援、銜接元件所需的中介軟體、I/O介面邏輯等多不勝數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計工程師可透過整合式的軟硬體平臺來解決問題，此平臺由標(biāo)準(zhǔn)的異質(zhì)架構(gòu)、可互換I/O、高階系統(tǒng)設(shè)計軟體所組成。高階設(shè)計工具采用基礎(chǔ)硬體的相關(guān)知識，可簡化系統(tǒng)架構(gòu)與I/O的開發(fā)流程，提高生產(chǎn)力之余，還可以降低繁瑣的實作管理需求。
采用異質(zhì)架構(gòu)開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時，高階系統(tǒng)設(shè)計工具有助于簡化個別運算元件的架構(gòu)(例如FPGA)，還可提供一致的設(shè)定模型，方便工程師在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時處理不同的元件并享有其優(yōu)勢。此外，高階設(shè)計軟體的抽象化功能可簡要說明有效的運作方式，提高程式碼的重復(fù)使用率，無論硬體或通訊介面如何改變都沒問題。
LabVIEW可重設(shè)I/O(RIO)架構(gòu)
目前采用異質(zhì)架構(gòu)的現(xiàn)成嵌入式系統(tǒng)平臺已相當(dāng)普遍，此平臺可降低客制化硬體的設(shè)計需求。以NILabVIEW RI??O架構(gòu)為例，當(dāng)中結(jié)合了LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟體與NI RIO硬體(采用處理器、FPGA與模組化I/O)，并且提供各式各樣的機型與效能選項，包含機板層級的NI Single-Board RIO與工業(yè)級的NI CompactRIO及PXI。豐富的I/O模組生態(tài)系統(tǒng)包含數(shù)位量測、工業(yè)級匯流排連接選項與其他產(chǎn)品和功能，皆可協(xié)助工程師將此平臺用于各種領(lǐng)域，例如電力電子控制與醫(yī)療成像等。
圖二: Thales UK的工程師模擬倫敦地下鐵路網(wǎng)的客運火車
實用的異質(zhì)運算技術(shù)
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的異質(zhì)架構(gòu)概念深深影響了許多產(chǎn)業(yè)。舉例來說，Thales UK這家交通運輸解決方案公司采用LabVIEW與CompactRIO，針對虛擬測試火車設(shè)計出一種自動化傳訊系統(tǒng)。這項傳訊計畫的目標(biāo)在于提高33%的系統(tǒng)容量(等于每小時多容納5,000名乘客)，同時縮短22%的旅程時間。
為了模擬實際的客運列車并測試鐵道狀況，Thales UK團隊選用FPGA搭配嵌入式處理器，以透過單一系統(tǒng)提供高速控制、資料擷取、資料分析等功能。該公司使用現(xiàn)成的CompactRIO硬體與LabVIEW，打造出完整的監(jiān)控系統(tǒng)，不但可以模擬實際火車的訊號，還可以量測測試資料、記錄資訊以便后續(xù)審查。Thales UK 不僅改革了傳統(tǒng)的測試方法，同時把測試時間從好幾天縮短為數(shù)小時。而且只要大約一半的人力即可執(zhí)行全新的虛擬火車測試作業(yè)。
Thales UK的設(shè)計團隊皆采用異質(zhì)運算架構(gòu)，打造出創(chuàng)新的高效能嵌入式系統(tǒng)。由此可知，只要有現(xiàn)成硬體與高階的系統(tǒng)設(shè)計工具，小型團隊與該領(lǐng)域?qū)＜壹纯沙浞诌\用這些架構(gòu)所帶來的優(yōu)勢，不必建置客制化硬體，也不用學(xué)習(xí)多種特定的設(shè)計工具，更不需要像以傳統(tǒng)方式設(shè)定多種處理元件那么麻煩。由于異質(zhì)架構(gòu)對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計來說越來越重要，各組織與團隊都可從中獲得包含優(yōu)異的功能、成效與彈??性等好處。
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