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掌握嵌入式系统设计的重大趋势
透过异质架构 打造高效能嵌入式系统

【作者: Carlos Pazos】2014年04月08日 星期二

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随着嵌入式应用渐趋复杂,硬件架构与嵌入式系统设计工具也必须有所改良,才能因应各种严苛需求,同时缩短设计时间。许多传统的嵌入式系统必须配备单一 CPU,因此系统设计工程师得提高CPU的频率速度、改用多核心运算技术,同时透过创新,才能满足复杂应用所需的运算效能。


然而,越来越多的系统设计工程师选用了具有多种不同处理组件的异质运算架构,以便在效能、弹性、成本、延迟时间与其他要素之间取得最佳平衡。这样一来即可因应新一代嵌入式系统的设计需求。


新一代嵌入式系统设计

如要了解异质运算架构的优势,请想象一个由CPU、FPGA、I/O所组成的架构。FPGA可说是平行运算的理想选择,可透过许多平行数据信道来处理讯号。此外,由于FPGA会直接在硬件内执行运算作业,因此可缩短客制化触发与高速闭回路控制等作业的延迟时间。


再者,将FPGA整合至运算架构后还可以加强嵌入式系统的弹性,比固定逻辑的系统更容易升级,也可随时因应不同的I/O需求。只要在同一个异质架构内整合CPU与FPGA,系统设计工程师就可以同时享有FPGA与CPU所带来的优势,堪称鱼与熊掌兼得。


此外,假如单组件解决方案并不适合某项应用,那还不如采用异质架构来得干脆。举例来说,使用单一FPGA来处理低延迟时间的平行工作,其功效可能等同于采用多个CPU的成效。


配备多个处理组件的嵌入式系统设计可提供多重优势,但也可能引起软件开发的相关问题。因为处理组件各有各的特殊架构,而且设定作业需要不同的工具组合与专业技巧,所以设计团队的规模不容小觑。比如说,FPGA设定通常需要VHDL程序设计的相关知识,这又会需要更多员工、大量的培训投资,以及更昂贵的外包成本。


此外,为了支持异质架构而开发软件环境所需的心力也相当可观,包含驱动程序整合、适配卡支持、衔接组件所需的中间件、I/O接口逻辑等多不胜数。系统设计工程师可透过整合式的软硬件平台来解决问题,此平台由标准的异质架构、可互换I/O、高阶系统设计软件所组成。高阶设计工具采用基础硬件的相关知识,可简化系统架构与I/O的开发流程,提高生产力之余,还可以降低繁琐的实作管理需求。


采用异质架构开发嵌入式系统时,高阶系统设计工具有助于简化个别操作数件的架构(例如FPGA),还可提供一致的设定模型,方便工程师在设计嵌入式系统时处理不同的组件并享有其优势。此外,高阶设计软件的抽象化功能可简要说明有效的运作方式,提高程序代码的重复使用率,无论硬件或通讯接口如何改变都没问题。



图一 : 在异质运算架构中整合微处理器与FPGA后,嵌入式系统设计工程师即可发挥每个操作数件的优势,同时有效满足复杂的应用需求。
图一 : 在异质运算架构中整合微处理器与FPGA后,嵌入式系统设计工程师即可发挥每个操作数件的优势,同时有效满足复杂的应用需求。

LabVIEW可重设I/O(RIO)架构

目前采用异质架构的现成嵌入式系统平台已相当普遍,此平台可降低客制化硬件的设计需求。以NI LabVIEW RIO架构为例,当中结合了LabVIEW系统设计软件与NI RIO硬件(采用处理器、FPGA与模块化I/O),并且提供各式各样的机型与效能选项,包含机板层级的NI Single-Board RIO与工业级的NI CompactRIO及PXI。丰富的I/O模块生态系统包含数字量测、工业级总线连接选项与其他产品和功能,皆可协助工程师将此平台用于各种领域,例如电力电子控制与医疗成像等。



图二 : Thales UK的工程师仿真伦敦地下铁路网的客运火车
图二 : Thales UK的工程师仿真伦敦地下铁路网的客运火车

实用的异质运算技术

嵌入式系统设计的异质架构概念深深影响了许多产业。举例来说,Thales UK这家交通运输解决方案公司采用LabVIEW与CompactRIO,针对虚拟测试火车设计出一种自动化传讯系统。这项传讯计划的目标在于提高33%的系统容量(等于每小时多容纳5,000名乘客),同时缩短22%的旅程时间。


为了仿真实际的客运列车并测试铁道状况,Thales UK团队选用FPGA搭配嵌入式处理器,以透过单一系统提供高速控制、数据撷取、数据分析等功能。该公司使用现成的CompactRIO硬件与LabVIEW,打造出完整的监控系统,不但可以仿真实际火车的讯号,还可以量测测试数据、记录信息以便后续审查。Thales UK 不仅改革了传统的测试方法,同时把测试时间从好几天缩短为数小时。而且只要大约一半的人力即可执行全新的虚拟火车测试作业。


Thales UK的设计团队皆采用异质运算架构,打造出创新的高效能嵌入式系统。由此可知,只要有现成硬件与高阶的系统设计工具,小型团队与该领域专家即可充分运用这些架构所带来的优势,不必建置客制化硬件,也不用学习多种特定的设计工具,更不需要像以传统方式设定多种处理组件那么麻烦。由于异质架构对嵌入式系统设计来说越来越重要,各组织与团队都可从中获得包含优异的功能、成效与弹性等好处。


(本文作者为NI嵌入式软件产品营销工程师)


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