生態(tài)系統(tǒng)擴展為嵌入式視覺系統(tǒng)開發(fā)提供更強化的支持 - 全文

瞄準工業(yè)物聯(lián)網掀起的嵌入式視覺應用風潮，可編程組件供貨商除備齊完整硬件平臺及軟件開發(fā)工具外，亦積極與第三方第三方合作，提供更完善的軟件硅智財(IP)、評估板及設計服務等支持與資源，協(xié)助嵌入式視覺系統(tǒng)開發(fā)商更快達成上市目標。

嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)的未來正在被前所未有的軟件智能、硬件優(yōu)化和任意互聯(lián)的系統(tǒng)重塑。以半導體業(yè)者賽靈思(Xilinx)為例，該公司于2016年2月在德國紐倫堡舉辦的嵌入式電子與工業(yè)計算機應用展上，宣布已強化并擴展其生態(tài)系統(tǒng)，為賽靈思All Programmable組件的工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)和嵌入式視覺系統(tǒng)開發(fā)提供更強化的支持。

打破語言藩籬　FPGA向軟件人招手

該公司于嵌入式電子與工業(yè)計算機應用展所宣布的生態(tài)系統(tǒng)包括2015年實現(xiàn)的三大里程碑，包含2015年3月9日推出的SDSoC開發(fā)環(huán)境，讓使用C/C++語言編寫程序的軟件設計人員也能使用賽靈思Zynq-7000 SoC。該設計環(huán)境允許上述算法開發(fā)人員，使其在毋須深入底層及使用Verilog或VHDL等硬件描述語言修改硬件。

另外，2015年9月30日該公司宣布Zynq UltraScale+ MPSoC已正式出貨；接著于2016年2月16日宣布強化和拓展生態(tài)系統(tǒng)，并進一步支持嵌入式視覺應用與工業(yè)物聯(lián)網領域的Zynq設計。

然而，阻礙All Programmable組件發(fā)揮高效能和較佳的功耗效能比優(yōu)勢的主要障礙一直都是程序設計模式。原因在于C/C++使用者較習慣于編寫CPU(最近更多為GPU)代碼。

不過，憑借該公司軟件定義硬件開發(fā)的Vivado高階合成技術(HLS)及軟件定義系統(tǒng)開發(fā)的SDx開發(fā)環(huán)境，將使更多系統(tǒng)開發(fā)人員能利用Zynq-7000 SoC和Zynq UltraScale+ MPSoC系列中的軟件定義All Programmable組件。透過拓展生態(tài)系統(tǒng)，該公司正使其All Programmable組件的使用如同CPU及GPU一樣方便，且功耗效能比更勝一籌。

嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)系統(tǒng)的管線有諸多共同點，且兩者皆從感應和獲取數(shù)據開始。就嵌入式視覺系統(tǒng)而言，該數(shù)據的形式為一系列圖像或影音流，而工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)的感測數(shù)據則包含影音及涵蓋其他感測到的一長串參數(shù)，而其包括加速與振動、聲音/超音波、化學與氣體、電/磁、流程、力、負載量、扭轉力與張力、濕度與水分、裂縫與水平高度、機器視覺、光、運動、速率與位移、位置、存在度與接近度、壓力及溫度。

多款嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)須融合傳感器，或將多個來自不同類型的傳感器數(shù)據進行處理，并融合為行動信息。

加速處理效率　傳感器融合需求漸興

對嵌入式影音系統(tǒng)而言，多個影音流可整合成更實用且有幫助的影音流，如車載影音系統(tǒng)往往將四個至六個或更多攝影機的影音流結合起來，制成一個鳥瞰檢視模式，為駕駛提供360度2D平面或3D球面的全方位視覺。視覺系統(tǒng)除了帶動當?shù)仫@示外，也發(fā)送當?shù)靥幚淼挠耙舻皆贫酥凶鬟M一步處理，或與其他影音流整合并存儲。

工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)系統(tǒng)可將影音與其它感測到的數(shù)據整合一起，并定義其須采取的行動。如系統(tǒng)芯片上的系統(tǒng)工程(SoC-e)所提供的新型CPPS-Gate40智能網關采用工業(yè)控制系統(tǒng)中常見的各種I/O埠，其結合當?shù)馗咚贁?shù)據處理，并將數(shù)據結果透過高可用性無縫冗余/平行冗余通訊協(xié)議(HSR/PRP)放置在雙冗余光學以太環(huán)網上。工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)的典型特征是，其可協(xié)助感測到的數(shù)據運用于高速實時控制上，無法依靠云端處理和決策實現(xiàn)。

當然有許多方法可透過使用CPU或GPU來設計此類系統(tǒng)，但用戶在設計差異化系統(tǒng)時，使用可編程解決方案能帶來多個重要的優(yōu)勢與好處：

．最高功耗效能比：All Programmable組件把硬件、軟件和I/O程序設計功能結合在一起，讓用戶能將雙芯片、三芯片或四芯片設計整合為單芯片，在將系統(tǒng)效能提升至最大的同時，也一并降低功耗。

．傳感器融合：All Programmable組件可吸收及處理多種不同類型的信息，包含從溫度和壓力等低比特率數(shù)據到利用多信道同步高畫質或超高畫質影音流的高比特率資料。

．所有形式鏈接功能：可編程方案的I/O功能非常彈性，可幾乎滿足任何傳感器I/O的要求，如多種影音接口標準(MIPI和HDMI)、智能傳感器接口(I2C和SPI)，以及高速A/D轉換器(包含JESD204B與LVDS)。

．多層保密性和安全性：可編程解決方案之四核心ARM Cortex-A53應用處理器和雙核心ARM Cortex-R5實時處理器皆具備硬件安全特性，能協(xié)助實現(xiàn)保密性和功能安全協(xié)議。

．「變色龍」All Programmable平臺：可編程解決方案的軟硬件處理及I/O靈活性，可讓用戶創(chuàng)造可重用的軟件定義硬件平臺。此平臺具可配置及可擴展特性，其最終產品成本上下浮動，涵蓋從低成本系統(tǒng)到高效能系統(tǒng)不等，并將自身品牌打入至多功能產品線的新市場。

All Programmable平臺滿足不同應用市場
下列有四個「變色龍」All Programmable平臺的使用案例，均將可編程解決方案運用于不同的目標市場。

實例1：先進駕駛輔助系統(tǒng)
先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)將來自多個攝影機的影音數(shù)據與其他車輛傳感器的數(shù)據融合一起(包含慣性導航數(shù)據與GPS地圖數(shù)據)，以決定是煞車、轉向還是發(fā)出駕駛警告等。圖1顯示透過可編程方案實現(xiàn)的典型ADAS設計。

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圖1　運用Zynq UltraScale+ MPSoC的ADAS系統(tǒng)，可發(fā)揮與任何傳感器接口的所有形式鏈接功能。

如圖1所示，該設計采用賽靈思可編程方案中提供的四核心ARM Cortex-A53應用處理器及雙核心ARM Cortex-R5實時處理器的異質處理功能。圖1中的③方塊顯示為賽靈思直接提供的MIP影音接口IP；六個②方塊則顯示為由賽靈思生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴中所提供的高速IP處理模塊。此模塊可用于協(xié)助行人偵測、駕駛監(jiān)控、車道偏離監(jiān)控、盲點偵測和傳感器融合等高階功能。

如圖1所示的ADAS系統(tǒng)充分發(fā)揮可編程解決方案的I/O彈性。任何傳感器接口的鏈接功能，包含用于影音攝影機的MIPI在內等，都可完整支持。若改用不可編程組件，須添加用于處理額外I/O接口和協(xié)議的I/O芯片，才能滿足新傳感器接口的要求。此外，此一可編程方案還具備卓越硬件影音處理效能，能處理更多影音通道，還可處理影音流可編程設計的數(shù)量。

由于可編程解決方案具有較佳的I/O靈活性和處理能力，除了傳感器和外部內存外，MPSoC本身亦毋須與其它硬件配合。相較于主要競爭廠商所提供的以CPU芯片為基礎的可比系統(tǒng)相比，此方案的功耗效能比高出約三倍。

實例2：4K影音監(jiān)控
圖2顯示可編程解決方案連結至多個傳感器，包含不同類型的影音攝影機、4K多通道，以及多傳感器影音監(jiān)視系統(tǒng)。③方塊仍表示賽靈思用于MIPI連接的影音攝影機和顯示器的接口IP，以及連接其他不同類型傳感器的I/O接口；六個②方塊則為賽靈思生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴所提供的處理IP；而兩個③/②方塊則代表賽靈思及其擴展的生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴所提供的IP模塊。

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圖2　Zynq UltraScale+ MPSoC可連結至多個傳感器。

「變色龍」All Programmable系統(tǒng)與主要競爭廠商所提供的以CPU/DSP/GPU芯片為基礎的可比系統(tǒng)相比，其功耗效能比高出近五倍。在保密應用中，可編程方案的安全性與保密性，與其包含的ARM TrustZone功能及硬件AES加密功能是相當實用的。

實例3：智能電網變電所自動化
第三個實例是針對智能電網設計的變電所自動化系統(tǒng)，此應用適用于處理多個以太網流的工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)中，負責監(jiān)控變電所指標的各種感測組件。圖3是該「變色龍」All Programmable系統(tǒng)實例的方塊圖。

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圖3　「變色龍」All Programmable系統(tǒng)實例方塊圖。

在該實例中，工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)的一個關鍵特性是透過標準的工業(yè)以太網絡系統(tǒng)，使用標準化的IEEE-1588精確時間協(xié)議(PTP)和IEC 62439 HSR/PRP，連接到大量的接口單元。該功能透過賽靈思生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴SoC-e公司所提供的IP，在可編程設計邏輯中產生一個與實體兼容的工業(yè)以太網交換機來實現(xiàn)。此以太網交換機在圖3中以大塊②方塊表示。

來自各個傳感器的數(shù)據，可透過賽靈思及其生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴所提供的高速IP模塊來處理。處理算法可依據不同效能要求，在一個或多個可編程方案的六個ARM處理器核心中運算。

相較于其他競爭廠商所提供的CPU/DSP芯片可比系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功耗效能比是其1.2倍。此設計使用芯片數(shù)量也因大規(guī)模可編程設計能力、處理容量和較佳的I/O靈活性而得以減半。此外，顯然也必須有安全應用來保護電源網絡免遭惡意攻擊，因此內建的安全性和保密性功能在此應用中更為重要。

實例4：工業(yè)自動化
最后一個「變色龍」All Programmable系統(tǒng)實例為用于工業(yè)控制，其形式可以是運動控制器、可編程設計邏輯控制器(PLC)或人機接口(HMI)系統(tǒng)。

此一工業(yè)物聯(lián)網實例把原本需要四個芯片(一個CPU、一個功能安全處理器、一個轉軸編碼器和一個用于高速電源調整和馬達控制的FPGA)的系統(tǒng)整合到一個組件上，并將功耗效能比提升30%，且大幅縮減系統(tǒng)板空間。圖4為此系統(tǒng)的方塊圖。如同其他三個實例一樣，該工業(yè)控制系統(tǒng)也受益于可編程方案的I/O彈性及整合ARM Cortex-R5雙核心處理器的內嵌鎖步功能安全特性。

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圖4　應用于工業(yè)控制之「變色龍」All Programmable系統(tǒng)實例。

上述四個實例皆大量使用賽靈思及其生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴所提供的軟硬件IP。此IP對簡化用戶開發(fā)先進智能系統(tǒng)的工作相當重要，特別是「變色龍」平臺，能為每一個建立于單一硬件平臺上的產品挑選合適的IP。

多種IP簡化先進智能系統(tǒng)開發(fā)
賽靈思生態(tài)系統(tǒng)成員提供四大類的硬件和軟件IP：
1.針對嵌入式視覺及工業(yè)物聯(lián)網應用領域的專屬硬件和軟件IP，并加上各種實時操作系統(tǒng)。
2.支持多種高階設計工具。
3.搭載可編程方案的模塊、評估板和生產就緒型系統(tǒng)模塊(SOM)，可協(xié)助快速開發(fā)硬件和推廣。
4.設計服務。

在項目不斷要求提高效能和日趨復雜的產品特性下，每個設計團隊面臨日益嚴峻的時間壓力，少有設計團隊能迅速地完成目標。透過最新宣布生態(tài)系統(tǒng)拓展，賽靈思可使產品設計團隊更容易地在緊湊的項目時程下完成高水平的項目。