圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)加速實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用

成功的產(chǎn)品制造銷售公司會(huì)在不同的方面突顯自己的優(yōu)勢以吸引客戶，例如：極佳的性能、好看的外觀、簡單易用性，甚至便宜的價(jià)格等。在這個(gè)全球化的時(shí)代，我們常常會(huì)看到一些公司或企業(yè)，他們的產(chǎn)品能夠同時(shí)兼具多方面的優(yōu)勢，從而獲得市場的認(rèn)可和推寵。為了在這種激烈的產(chǎn)品競爭中脫穎而出，工程師們肩負(fù)著如何將最初的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的重任，同時(shí)市場的瞬息萬變也使得他們必須利用一系列高效的工具，來更快更好地實(shí)現(xiàn)他們的想法和創(chuàng)新。

但是，類似的高效工具與技術(shù)通常需要大量的資金投入，同時(shí)還需要安排人員參加學(xué)習(xí)培訓(xùn)以及實(shí)際操作調(diào)試。如此一來，這筆不小的投入就可能阻礙工程師利用這些工具和技術(shù)來達(dá)到他們的目標(biāo)或者實(shí)現(xiàn)期望的優(yōu)勢。這樣就會(huì)與高效工具和技術(shù)的初衷背道而馳，不應(yīng)該讓工具限制了技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式

工程師們需要一個(gè)靈活的方法來幫助他們縮短新技術(shù)的學(xué)習(xí)周期，無須花費(fèi)過多的時(shí)間和精力。對于測試測量和控制的系統(tǒng)來說，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式能夠幫助工程師利用開放的軟硬件平臺(tái)借助圖形化優(yōu)勢快速實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用。同時(shí)，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以顯著降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，讓工程師們可以更加容易地集成新技術(shù)，通過交互式的界面來加速從設(shè)計(jì)、原型再到部署至多類硬件對象的過程。

1 充分利用商業(yè)可用技術(shù)

圖1展示了圖形化系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)是如何簡化FPGA的開發(fā)。在常規(guī)的開發(fā)方式下，實(shí)現(xiàn)該示例中的功能也許需要上千行的VHDL代碼，而在圖形化系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)中，僅用了一個(gè)簡單明了的圖形框圖就實(shí)現(xiàn)了相同的系統(tǒng)功能。同樣，該平臺(tái)還通過抽象各種商業(yè)可用的新技術(shù)來簡化編程的復(fù)雜性，例如： 多核處理器和DSP等技術(shù)的使用。其他一些諸如通信技術(shù)和協(xié)議等的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，也通過同樣的方法在平臺(tái)中進(jìn)行了抽象和簡化。通過這樣的簡化，不管是在設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)還是嵌入式系統(tǒng)，工程師們都可以將更多的注意力放在如何充分利用這些技術(shù)來更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上。如果沒有這樣的開發(fā)平臺(tái)，工程們一邊在尋求更好的系統(tǒng)效率和更低的開發(fā)成本的同時(shí)，還需要花一部分精力去了解如何將各部分有效地集成在一起或與專家進(jìn)行交流和學(xué)習(xí)借鑒。這無疑都會(huì)增加系統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)通過充分地抽象系統(tǒng)各部分的復(fù)雜性，可以提供直接對硬件引腳進(jìn)行定義和操作的靈活性，工程師們可以借助圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)輕松地實(shí)現(xiàn)實(shí)際的系統(tǒng)功能，加速系統(tǒng)的開發(fā)。通過圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合各種商業(yè)可用技術(shù)，工程師們可以獲得性能和成本上的雙重優(yōu)勢。

圖1 通過圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)來開發(fā)原來需要上千行VHDL代碼才能實(shí)現(xiàn)的FPGA嵌入式系統(tǒng)功能，兼容多種軟件編程模式

2 多種軟件實(shí)現(xiàn)方式的集成

圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程師可以快速地獲取多種方法來解決問題，從而更快地找出最佳的解決方案。當(dāng)工程師們實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中不同的系統(tǒng)組件可能需要不同的方法或者不同的運(yùn)算模型才能更好地描述其功能。例如，當(dāng)需要并行編程時(shí)，最佳的實(shí)現(xiàn)方法是通過圖形化方式來實(shí)現(xiàn)，而考慮公式方程時(shí)，由文本來實(shí)現(xiàn)則會(huì)更好。

圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的架構(gòu)可以是狀態(tài)結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)或者基于數(shù)據(jù)流的并行結(jié)構(gòu)，甚至還會(huì)是多種結(jié)構(gòu)的組合。如圖2所示，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)將各種軟件計(jì)算模型結(jié)合在一起，工程師們可以在同一個(gè)平臺(tái)中使用所有的編程模式，從而更快地找到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的最佳方法。通過這樣的兼容，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)也將開發(fā)的復(fù)雜性抽象至系統(tǒng)級(jí)，這樣，基于不同運(yùn)算模型的系統(tǒng)組件就可以集合于同一個(gè)開發(fā)環(huán)境中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得不僅直觀還更為有效。

圖2 圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件兼容多種運(yùn)算模型和編程模式，幫助工程師找到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的最佳途徑

3 可定制的商業(yè)現(xiàn)成可用硬件

圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)中囊括了軟件工具和硬件產(chǎn)品。因?yàn)楣こ處熃?jīng)常遇到這樣的情況，雖然擁有高級(jí)的軟件工具，但一旦他們想將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)到原型樣機(jī)或者最終產(chǎn)品的時(shí)候，由于工具鏈不夠完善，就會(huì)大大影響產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度。

圖形化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過將軟件和可自定制的商業(yè)現(xiàn)成硬件進(jìn)行集成，幫助工程師徹底克服從開發(fā)到實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。無論是風(fēng)機(jī)控制器、手機(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)、又或者外科手術(shù)機(jī)器人等測控系統(tǒng)，通過這種途徑都可以對其最終的應(yīng)用進(jìn)行一個(gè)全面地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。測量和控制的系統(tǒng)需要基于硬件來實(shí)現(xiàn)。圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式為各種硬件設(shè)備提供了同一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，給予工程師們可自定制的，商業(yè)現(xiàn)成的選擇來實(shí)現(xiàn)各種可行的解決方案。從通信、處理（處理器、DSP、FPGA），再到模塊化的硬件I/O等硬件組件在這里會(huì)和運(yùn)算模型以及編程模式一樣，被抽象到了系統(tǒng)層面。這樣，一旦工程師使用這一系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，就可以快速構(gòu)建開發(fā)周期中的各個(gè)階段。

實(shí)踐中的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，全球有超過110多個(gè)國家的6000多所大學(xué)在使用圖形化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。而圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)的高效率優(yōu)勢也影響著與測試測量、控制系統(tǒng)相關(guān)的各個(gè)行業(yè)。以Biorep Technologies公司為例，工程師們使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)控制復(fù)雜的自動(dòng)化醫(yī)療儀器（如圖3所示）。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)使Biorep的工程師們只需要很短的時(shí)間就能完全掌握軟硬件的開發(fā)技術(shù)，將公司預(yù)計(jì)的開發(fā)時(shí)間從一年減少到三個(gè)月。

圖3 通過使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)， Biorep Technologies將Perifusion系統(tǒng)（新一代細(xì)胞分泌物分析儀器）的開發(fā)時(shí)間從一年縮減到三個(gè)月

圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)可以滿足自動(dòng)化測試對系統(tǒng)的需求，其軟件平臺(tái)抽象了圖形用戶界面、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析以及硬件I/O等，使得功能集成更加方便，同時(shí)也帶來了更好的可擴(kuò)展性。例如Texas Instruments公司使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)開發(fā)了他們的電源管理IC產(chǎn)品的自動(dòng)化測試平臺(tái)，將測試時(shí)間縮減了70%，并且同時(shí)將測試系統(tǒng)的測試產(chǎn)品覆蓋率提高了一倍。

通過圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工程師們可以在一個(gè)開發(fā)平臺(tái)下設(shè)計(jì)各種解決方案，滿足各種應(yīng)用需求。根據(jù)系統(tǒng)摩爾定律，當(dāng)工程師向平臺(tái)添加新的技術(shù)以后，基于這個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)可以利用這新技術(shù)的引入帶來性能和成本效率幾何級(jí)數(shù)的提高。西班牙Instituto de Astrofisica de Canarias的科學(xué)家們在為歐洲巨型望遠(yuǎn)鏡 （VLT） 陣列開發(fā)定位執(zhí)行器的時(shí)候，就利用了這個(gè)優(yōu)勢。通過選擇可自定制的商業(yè)現(xiàn)成開發(fā)平臺(tái)，他們實(shí)現(xiàn)了最初預(yù)期的性能，如果完全使用自定制的設(shè)計(jì)，就可能無法滿足這些需求。事實(shí)上，他們在顯著減少開發(fā)時(shí)間的同時(shí)，達(dá)到了比系統(tǒng)要求更好的性能。

完善的合作生態(tài)體系加速了創(chuàng)新

使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)的工程師可以通過一個(gè)完全開放的生態(tài)平臺(tái)，學(xué)習(xí)并借鑒其他工程師分享的成果來加速自己的開發(fā)。這樣會(huì)將數(shù)以千計(jì)的分享成果（無論軟件還是硬件）集合起來，幫助工程師們更高效地解決任何應(yīng)用中的問題?；谄脚_(tái)途徑開發(fā)的優(yōu)勢之一是可以使用社區(qū)中工程師分享的IP以及應(yīng)用程序。在計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，由平臺(tái)帶動(dòng)的周邊創(chuàng)新是非常顯著的。PC、Linux、iPhone和Android平臺(tái)的背后，都是由無數(shù)的開發(fā)者、IP和應(yīng)用程序所組成的社區(qū)在支持。事實(shí)上，測試測量行業(yè)中的虛擬儀器技術(shù)（由PC軟件和硬件I/O周邊組成）的生態(tài)體系也很好說明了圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)如何幫助工程師以更低的成本工程師獲得具體應(yīng)用領(lǐng)域更高的性能。

盡管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各個(gè)部分都很重要，很多工程設(shè)計(jì)工具還是只能側(cè)重于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的某些的環(huán)節(jié)。通常這樣的工具平臺(tái)不是側(cè)重于軟件，就是側(cè)重于硬件，而系統(tǒng)的整體集成反而被忽略了。工程師可能會(huì)因此耗費(fèi)更多的精力和時(shí)間去選擇另一個(gè)工具來幫助其完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整合。但是借助圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工程師們可以得到一個(gè)開放并可重配置的平臺(tái)，從更高的層次來使用各種技術(shù)和工具，獲得更好的軟硬件集成度，從而有效縮短系統(tǒng)開發(fā)過程中最耗時(shí)的整體集成環(huán)節(jié)。同時(shí)，開放的平臺(tái)還可以提供IP，這樣開發(fā)者或者開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以在不耗費(fèi)額外資源的情況下，復(fù)用已有的資源。無數(shù)的工程師們通過圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)不斷實(shí)踐和創(chuàng)新，通過這個(gè)平臺(tái)，他們可以利用最新的技術(shù)和IP來完成全新的系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。然而，對于還未嘗試過這個(gè)平臺(tái)的工程師和科學(xué)家們來說，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)將是他們實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，獲得競爭優(yōu)勢的有效途徑。