賽靈思擴(kuò)展生態(tài)系統(tǒng)重塑嵌入式視覺、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的未來(lái)

擁有前所未有的軟件智能、硬件優(yōu)化和任意互連水平的系統(tǒng)正在重塑嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的未來(lái)。

賽靈思于今年 2 月在德國(guó)紐倫堡舉辦的嵌入式世界大會(huì)上宣布其已強(qiáng)化并擴(kuò)展了生態(tài)系統(tǒng)，為基于賽靈思ALL Programmable器件的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和嵌入式視覺系統(tǒng)開發(fā)提供更強(qiáng)大的支持。賽靈思及其生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴在這次展會(huì)上演示了多種解決方案，這些解決方案讓用戶各類更智能、互聯(lián)互通和高度差異化系統(tǒng)的開發(fā)更加簡(jiǎn)單容易。

賽靈思在嵌入式世界大會(huì)所發(fā)布的生態(tài)系統(tǒng)包括賽靈思在去年實(shí)現(xiàn)的三大里程碑。其中包括， 2015 年 3 月 9 日賽靈思宣布推出 SDSoC 開發(fā)環(huán)境，支持用 C/C++ 語(yǔ)言編寫程序的軟件設(shè)計(jì)人員能夠使用賽靈思 Zynq-7000 SoC。該設(shè)計(jì)環(huán)境針對(duì)的是那些算法開發(fā)人員， 使其無(wú)需深入底層和使用 Verilog 或 VHDL 修改硬件，但又能從賽靈思器件卓越的性能和出眾的性能功耗比中受益；2015 年 9 月 30 日賽靈思宣布其已經(jīng)開始發(fā)貨 Zynq UltraScale+ MPSoC；接著在 2016 年 2 月 16 日，賽靈思宣布強(qiáng)化和擴(kuò)展生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)一步支持嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的 Zynq 設(shè)計(jì)。

工業(yè)/嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 領(lǐng)域新涌現(xiàn)的激動(dòng)人心的應(yīng)用，涵蓋了工業(yè)、科研、醫(yī)療、專業(yè)音/視頻、消費(fèi)電子、航空航天與軍用，以及汽車等各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)。

阻礙發(fā)揮賽靈思 All Programmable 器件卓越性能和出色性能功耗比優(yōu)勢(shì)的主要障礙，一直都是編程的模式。

通過(guò)擴(kuò)展生態(tài)系統(tǒng)，賽靈思正在讓自己 All Programmable 器件的使用和 CPU 以及 GPU 一樣方便，而且性能功耗比更高一籌。

C/C++ 用戶更習(xí)慣于為 CPU （最近更多為 GPU）編寫代碼。借助賽靈思面向軟件定義硬件開發(fā)的 Vivado 高層次綜合 (HLS) 工具和面向軟件定義系統(tǒng)開發(fā)的 SDx 開發(fā)環(huán)境，將有更多系統(tǒng)開發(fā)人員能夠用上賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列中的軟件定義 All Programmable 器件。通過(guò)擴(kuò)展生態(tài)系統(tǒng)，賽靈思正在讓自己的 All Programmable 器件的使用和 CPU 以及 GPU 一樣方便，而且性能功耗比更高一籌。

嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 系統(tǒng)的流水線有很多共同點(diǎn)。兩者都是從感應(yīng)和數(shù)據(jù)采集開始的。對(duì)嵌入式視覺系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)的形式為一系列圖像或一個(gè)視頻流。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感測(cè)數(shù)據(jù)包括視頻，但還覆蓋一長(zhǎng)串其他感測(cè)到的參數(shù)，包括加速度和振動(dòng)、聲音/超聲波、化學(xué)與氣體、電/磁、流體、力、負(fù)載、扭矩與應(yīng)變、濕度與水分、泄漏與水平、機(jī)器視覺、光、運(yùn)動(dòng)、速度與位移、位置、存在與接近度、壓力和溫度。

正在興起的傳感器融合需求

多類嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要求傳感器融合，或?qū)?lái)自多個(gè)不同類型傳感器的數(shù)據(jù)處理和融合為行動(dòng)信息。 對(duì)于嵌入式視頻系統(tǒng)，多個(gè)視頻流可以整合生成更可用或更有用的視頻流。例如車載視頻系統(tǒng)

往往將來(lái)自４個(gè)、５個(gè)、６個(gè)或更多視頻攝像頭的視頻流結(jié)合起來(lái)，生成一個(gè)鳥瞰圖，為駕駛員提供 360 度 2D 平面或 3D 球面全視覺。視覺系統(tǒng)既驅(qū)動(dòng)本地顯示，也發(fā)送本地處理的視頻到云端中供進(jìn)一步處理，或者與其他視頻流整合，以及存儲(chǔ)等。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) 系統(tǒng)可將視頻與其它感測(cè)到的數(shù)據(jù)整合在一起,以定義必須采取的行動(dòng)。例如片上系統(tǒng)工程（SoC-e；第 14 頁(yè)文章）提供的新型 CPPS-Gate40 智能門戶采用工業(yè)控制系統(tǒng)中常見的各種 I/O 端口，結(jié)合本地高速數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果數(shù)據(jù)放置在使用高可用無(wú)縫冗余/并行冗余協(xié)議 (HSR/ PRP) 的雙冗余光學(xué)以太環(huán)網(wǎng)上。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的典型特性是能夠使用感測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)依靠云處理和決策所無(wú)法做到的高速實(shí)時(shí)控制。

當(dāng)然有許多使用 CPU 或 GPU 設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)的備選方法，但在用戶設(shè)計(jì)差異化系統(tǒng)時(shí)賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 能帶來(lái)多種明顯的優(yōu)勢(shì)和好處：

最高性能功耗比。賽靈思 All Programmable 器件把硬件、軟件和 I/O 編程功能完美結(jié)合在一起，讓用戶能夠?qū)㈦p芯片、三芯片或四芯片設(shè)計(jì)集成為單芯片，在降低功耗的同時(shí)最大化系統(tǒng)性能。

傳感器融合。賽靈思 All Programmable 器件提供了一些獨(dú)特的功能，能夠獲取并處理多種不同類型的信息，從溫度和壓力這樣的低比特率數(shù)據(jù)到多信道同步高清或超高清視頻流這樣的高比特率數(shù)據(jù)，無(wú)所不有。

任意連接。從多種視頻接口標(biāo)準(zhǔn)（例如 MIPI 和 HDMI）到智能傳感器接口（例如 I2C 和 SPI）以及高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（包括 JESD204B 和 LVDS），賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 無(wú)與倫比的可編程 I/O 功能可滿足近乎任何可以想象到的傳感器 I/O 要求。

多級(jí)保密性和多層安全性。Zynq UltraScale+ MPSoC 的四核 ARM Cortex-A53 應(yīng)用處理器和雙核 ARM Cortex-R5 實(shí)時(shí)處理器具備硬件安全特性，能夠獨(dú)特地實(shí)現(xiàn)保密性和功能安全協(xié)議。

“變色龍”All Programmable 平臺(tái)。Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 的軟硬件處理和 I/O 靈活性，便于用戶創(chuàng)建出可重用的軟件定義硬件平臺(tái)（這些平臺(tái)具有可配置、可擴(kuò)展性，成本在最終產(chǎn)品成本上下浮動(dòng)，從低成本系統(tǒng)到高性能系統(tǒng)不等），并將自己的品牌打入覆蓋多功能產(chǎn)品線的新市場(chǎng)。這并非是一種假想的優(yōu)勢(shì)：許多賽靈思客戶已經(jīng)將它變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

這里有四個(gè)“變色龍”All Programmable 平臺(tái)的實(shí)例，均將賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 運(yùn)用于不同的目標(biāo)市場(chǎng)。

1 高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)

高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 將來(lái)自多個(gè)視頻攝像頭的視頻數(shù)據(jù)以及其他車輛傳感器數(shù)據(jù)融合在一起（包括慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)甚至 GPS 地圖數(shù)據(jù)），以決定是制動(dòng)、轉(zhuǎn)向還是發(fā)出駕駛員警告等。圖 1 方框圖顯示了基于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的典型 ADAS 設(shè)計(jì)。

圖 1 - 該高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 設(shè)計(jì)采用了 Zynq UltraScale+ MPSoC 中 ARM Cortex 內(nèi)核的異構(gòu)處理功能。

如圖 1 所示，該設(shè)計(jì)采用賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 中提供的四核 ARM Cortex-A53 應(yīng)用處理器和雙核 ARM Cortex-R5 實(shí)時(shí)處理器的異構(gòu)處理功能。該圖中的五個(gè)紅色方框顯示的是賽靈思直接提供的 MIPI 視頻接口 IP。六個(gè)藍(lán)色方框顯示的是由賽靈思生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴中的其他公司提供的高速 IP 處理模塊，這些模塊可用于實(shí)現(xiàn)行人檢測(cè)、駕駛員監(jiān)控、車道偏離監(jiān)測(cè)、盲點(diǎn)檢測(cè)和傳感器融合等高級(jí)功能。

所示的 ADAS 系統(tǒng)充分發(fā)揮了 Zynq UltraScale+ MPSoC 任意連接功能的作用，能與任何傳感器接口通信，包括用于視頻攝像頭的 MIPI 在內(nèi)。來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)廠家的不可編程器件如果不添加用于處理額外 I/O 接口和協(xié)議的 I/O 芯片，就很難滿足新的傳感器接口要求。此外，Zynq UltraScale+ MPSoC 還擁有卓越的硬件視頻處理性能，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的標(biāo)準(zhǔn)器件相比，能夠處理更多視頻信道。和這些標(biāo)準(zhǔn)器件不同，Zynq UltraScale+ MPSoC 還能處理視頻流可編程的數(shù)量。

由于 Zynq UltraScale+ MPSoC 具有高度的 I/O 靈活性和強(qiáng)大的處理能力，除傳感器和外部存儲(chǔ)器外，MPSoC 本身之外基本不需要其它硬件。與主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供的基于 CPU 芯片的可比系統(tǒng)相比，該 MPSoC 系統(tǒng)的性能功耗比是其三倍左右。

2 4K 視頻監(jiān)控

圖 2 顯示了 4K 多信道多傳感器視頻監(jiān)視系統(tǒng)中與多個(gè)傳感器（包括不同類型的視頻攝像頭）連接的 Zynq UltraScale+ MPSoC。該方框圖中紅色方框仍表示賽靈思接口 IP，這些 IP 用于 MIPI 連接的視頻攝像頭和顯示器，以及連接其他類型傳感器的不同 I/O 接口。6 個(gè)全藍(lán)方框代表賽靈思生態(tài)系統(tǒng)公司提供的處理 IP。兩個(gè)紅/藍(lán)方框代表賽靈思及其擴(kuò)展的生態(tài)系統(tǒng)中的公司所提供的 IP 模塊。

圖 2 - 該 4K 多信道/多傳感器視頻監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)用了 Zynq UltraScale+ MPSoC 的安全性和保密性功能。

該“變色龍”All Programmable 系統(tǒng)與主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供的基于 CPU/DSP/GPU 芯片的可比系統(tǒng)相比，性能功耗比高出其將近 5 倍。Zynq UltraScale+ MPSoC 的安全性與保密性，包括 ARM TrustZone 功能，以及該器件的硬件 AES 加密功能，在像這樣的安全應(yīng)用中極為有用。

3 智能電網(wǎng)變電站自動(dòng)化

我們的第三個(gè)實(shí)例是針對(duì)智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，

這是一個(gè)用于處理來(lái)自各種負(fù)責(zé)監(jiān)控變電站指標(biāo)的傳感組件的多個(gè)以太網(wǎng)流的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用。圖 3 是該“變色龍”All Programmable 系統(tǒng)實(shí)例的系統(tǒng)方框圖。

圖 3 - 在本智能電網(wǎng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)例化在賽靈思工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)公司 SoC-e 提供的 Zynq UltraScale+ MPSoC 可編程邏輯源 IP 中。

該實(shí)例工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)化的 IEEE-1588 精確時(shí)間同步協(xié)議 (PTP) 和 IEC 62439 HSR/PRP，連接到大量的接口單元。

該功能的實(shí)現(xiàn)方式是使用賽靈思生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴 SoC-e 公司提供的 IP，在 Zynq UltraScale+ MPSoC 的可編程邏輯中實(shí)例化一個(gè)兼容的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。該以太網(wǎng)交換機(jī)在本方框圖中以大藍(lán)色方框顯示。來(lái)自各個(gè)傳感器源的數(shù)據(jù)可使用賽靈思及其生態(tài)系統(tǒng)公司提供的高速 IP 模塊（在圖中分別以紅/藍(lán)框表示）處理。根據(jù)性能要求，處理算法也可運(yùn)行在 Zynq UltraScale+ MPSoC 的六個(gè) ARM 處理器內(nèi)核的一個(gè)或數(shù)個(gè)之上。

與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供的基于 CPU/DSP 芯片的可比系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的性能功耗比是其 1.2 倍。得益于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的大規(guī)?？删幊棠芰Α⑻幚砣萘亢透叨鹊?I/O 靈活性，本設(shè)計(jì)使用的芯片數(shù)量得以減半。顯然必須有安全應(yīng)用來(lái)保護(hù)電網(wǎng)免遭惡意攻擊。

通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)展，賽靈思讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在緊湊的項(xiàng)目日程下更容易地完成高標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目目標(biāo)。

因此 Zynq UltraScale+ MPSoC 內(nèi)置的功能安全性和保密性在本應(yīng)用中尤為重要。

4 工業(yè)自動(dòng)化

最后一個(gè)“變色龍”All Programmable 系統(tǒng)實(shí)例是用于工業(yè)控制目的，其形式可以是運(yùn)動(dòng)控制器、可編程邏輯控制器 (PLC) 或人機(jī)界面 (HMI) 系統(tǒng)。該工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例使用 Zynq UltraScale+ MPSoC 把本需要四個(gè)芯片（一個(gè) CPU、一個(gè)功能安全處理器、一個(gè)軸角編碼器和一個(gè)用于高速電源調(diào)制和電機(jī)控制的 FPGA）的整個(gè)系統(tǒng)集成到單個(gè)器件上，將性能功耗比提升高達(dá) 30% 且大幅縮減了系統(tǒng)板級(jí)空間。該系統(tǒng)的方框圖見圖 4。

和其他三個(gè)實(shí)例一樣，該工業(yè)控制系統(tǒng)也得益于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的任意連接以及集成雙ARM Cortex-R5 核處理器的鎖步功能內(nèi)嵌的功能安全特性。

生態(tài)系統(tǒng)揭秘

所有這四個(gè)實(shí)例都大量使用賽靈思及其生態(tài)系統(tǒng)成員公司所提供的硬件和軟件 IP。該 IP 對(duì)簡(jiǎn)化用戶開發(fā)高級(jí)智能系統(tǒng)的工作十分必要，特別是“變色龍”平臺(tái)能夠?yàn)橛靡环N硬件平臺(tái)構(gòu)建的每種產(chǎn)品挑選其中使用的具體 IP。

賽靈思生態(tài)系統(tǒng)成員提供四大類的硬件和軟件 IP：

針對(duì)嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)Ｓ糜布蛙浖?IP，加上各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；

設(shè)計(jì)支持，包括數(shù)種高級(jí)設(shè)計(jì)工具；

用于快速硬件開發(fā)和推廣的基于 Zynq-7000 SoC 或 Zynq UltraScale+ MPSoC 的模塊、評(píng)估板和生產(chǎn)就緒型系統(tǒng)級(jí)模塊 (SOM)；

設(shè)計(jì)服務(wù)。

圖 4 — 這個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)采用賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 集成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。采用其他方案可能需要四個(gè)芯片才能完成。

即便是在項(xiàng)目要求不斷提高性能水平和日趨復(fù)雜化產(chǎn)品特性的情況下，每個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)依然面臨嚴(yán)峻的時(shí)間壓力。沒有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠迅速地面面俱到。通過(guò)最新宣布的生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展，賽靈思讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更容易地在緊湊的項(xiàng)目日程下完成高水準(zhǔn)的項(xiàng)目目標(biāo)。