生态系统扩展为嵌入式视觉系统开发提供更强化的支持

瞄准工业物联网掀起的嵌入式视觉应用风潮，可编程组件供货商除备齐完整硬件平台及软件开发工具外，亦积极与第三方第三方合作，提供更完善的软件硅智财(IP)、评估板及设计服务等支持与资源，协助嵌入式视觉系统开发商更快达成上市目标。

嵌入式视觉和工业物联网(IIoT)的未来正在被前所未有的软件智能、硬件优化和任意互联的系统重塑。以半导体业者赛灵思(Xilinx)为例，该公司于2016年2月在德国纽伦堡举办的嵌入式电子与工业计算机应用展上，宣布已强化并扩展其生态系统，为赛灵思All Programmable组件的工业物联网(IIoT)和嵌入式视觉系统开发提供更强化的支持。

打破语言藩篱　FPGA向软件人招手

该公司于嵌入式电子与工业计算机应用展所宣布的生态系统包括2015年实现的三大里程碑，包含2015年3月9日推出的SDSoC开发环境，让使用C/C++语言编写程序的软件设计人员也能使用赛灵思Zynq-7000 SoC。该设计环境允许上述算法开发人员，使其在毋须深入底层及使用Verilog或VHDL等硬件描述语言修改硬件。

另外，2015年9月30日该公司宣布Zynq UltraScale+ MPSoC已正式出货；接着于2016年2月16日宣布强化和拓展生态系统，并进一步支持嵌入式视觉应用与工业物联网领域的Zynq设计。

然而，阻碍All Programmable组件发挥高效能和较佳的功耗效能比优势的主要障碍一直都是程序设计模式。原因在于C/C++使用者较习惯于编写CPU(最近更多为GPU)代码。

不过，凭借该公司软件定义硬件开发的Vivado高阶合成技术(HLS)及软件定义系统开发的SDx开发环境，将使更多系统开发人员能利用Zynq-7000 SoC和Zynq UltraScale+ MPSoC系列中的软件定义All Programmable组件。透过拓展生态系统，该公司正使其All Programmable组件的使用如同CPU及GPU一样方便，且功耗效能比更胜一筹。

嵌入式视觉和工业物联网(IIoT)系统的管线有诸多共同点，且两者皆从感应和获取数据开始。就嵌入式视觉系统而言，该数据的形式为一系列图像或影音流，而工业物联网系统的感测数据则包含影音及涵盖其他感测到的一长串参数，而其包括加速与振动、声音/超音波、化学与气体、电/磁、流程、力、负载量、扭转力与张力、湿度与水分、裂缝与水平高度、机器视觉、光、运动、速率与位移、位置、存在度与接近度、压力及温度。

多款嵌入式视觉和工业物联网系统须融合传感器，或将多个来自不同类型的传感器数据进行处理，并融合为行动信息。

加速处理效率　传感器融合需求渐兴

对嵌入式影音系统而言，多个影音流可整合成更实用且有帮助的影音流，如车载影音系统往往将四个至六个或更多摄影机的影音流结合起来，制成一个鸟瞰检视模式，为驾驶提供360度2D平面或3D球面的全方位视觉。视觉系统除了带动当地显示外，也发送当地处理的影音到云端中作进一步处理，或与其他影音流整合并存储。

工业物联网(IIoT)系统可将影音与其它感测到的数据整合一起，并定义其须采取的行动。如系统芯片上的系统工程(SoC-e)所提供的新型CPPS-Gate40智能网关采用工业控制系统中常见的各种I/O埠，其结合当地高速数据处理，并将数据结果透过高可用性无缝冗余/平行冗余通讯协议(HSR/PRP)放置在双冗余光学以太环网上。工业物联网系统的典型特征是，其可协助感测到的数据运用于高速实时控制上，无法依靠云端处理和决策实现。

当然有许多方法可透过使用CPU或GPU来设计此类系统，但用户在设计差异化系统时，使用可编程解决方案能带来多个重要的优势与好处：

．最高功耗效能比：All Programmable组件把硬件、软件和I/O程序设计功能结合在一起，让用户能将双芯片、三芯片或四芯片设计整合为单芯片，在将系统效能提升至最大的同时，也一并降低功耗。

．传感器融合：All Programmable组件可吸收及处理多种不同类型的信息，包含从温度和压力等低比特率数据到利用多信道同步高画质或超高画质影音流的高比特率资料。

．所有形式链接功能：可编程方案的I/O功能非常弹性，可几乎满足任何传感器I/O的要求，如多种影音接口标准(MIPI和HDMI)、智能传感器接口(I2C和SPI)，以及高速A/D转换器(包含JESD204B与LVDS)。

．多层保密性和安全性：可编程解决方案之四核心ARM Cortex-A53应用处理器和双核心ARM Cortex-R5实时处理器皆具备硬件安全特性，能协助实现保密性和功能安全协议。

．「变色龙」All Programmable平台：可编程解决方案的软硬件处理及I/O灵活性，可让用户创造可重用的软件定义硬件平台。此平台具可配置及可扩展特性，其最终产品成本上下浮动，涵盖从低成本系统到高效能系统不等，并将自身品牌打入至多功能产品线的新市场。

All Programmable平台满足不同应用市场
下列有四个「变色龙」All Programmable平台的使用案例，均将可编程解决方案运用于不同的目标市场。

实例1：先进驾驶辅助系统
先进驾驶辅助系统(ADAS)将来自多个摄影机的影音数据与其他车辆传感器的数据融合一起(包含惯性导航数据与GPS地图数据)，以决定是煞车、转向还是发出驾驶警告等。图1显示透过可编程方案实现的典型ADAS设计。

 

图1　运用Zynq UltraScale+ MPSoC的ADAS系统，可发挥与任何传感器接口的所有形式链接功能。

如图1所示，该设计采用赛灵思可编程方案中提供的四核心ARM Cortex-A53应用处理器及双核心ARM Cortex-R5实时处理器的异质处理功能。图1中的③方块显示为赛灵思直接提供的MIP影音接口IP；六个②方块则显示为由赛灵思生态系统合作伙伴中所提供的高速IP处理模块。此模块可用于协助行人侦测、驾驶监控、车道偏离监控、盲点侦测和传感器融合等高阶功能。

如图1所示的ADAS系统充分发挥可编程解决方案的I/O弹性。任何传感器接口的链接功能，包含用于影音摄影机的MIPI在内等，都可完整支持。若改用不可编程组件，须添加用于处理额外I/O接口和协议的I/O芯片，才能满足新传感器接口的要求。此外，此一可编程方案还具备卓越硬件影音处理效能，能处理更多影音通道，还可处理影音流可编程设计的数量。

由于可编程解决方案具有较佳的I/O灵活性和处理能力，除了传感器和外部内存外，MPSoC本身亦毋须与其它硬件配合。相较于主要竞争厂商所提供的以CPU芯片为基础的可比系统相比，此方案的功耗效能比高出约三倍。

实例2：4K影音监控
图2显示可编程解决方案连结至多个传感器，包含不同类型的影音摄影机、4K多通道，以及多传感器影音监视系统。③方块仍表示赛灵思用于MIPI连接的影音摄影机和显示器的接口IP，以及连接其他不同类型传感器的I/O接口；六个②方块则为赛灵思生态系统合作伙伴所提供的处理IP；而两个③/②方块则代表赛灵思及其扩展的生态系统合作伙伴所提供的IP模块。

 

图2　Zynq UltraScale+ MPSoC可连结至多个传感器。

「变色龙」All Programmable系统与主要竞争厂商所提供的以CPU/DSP/GPU芯片为基础的可比系统相比，其功耗效能比高出近五倍。在保密应用中，可编程方案的安全性与保密性，与其包含的ARM TrustZone功能及硬件AES加密功能是相当实用的。

实例3：智能电网变电所自动化
第三个实例是针对智能电网设计的变电所自动化系统，此应用适用于处理多个以太网流的工业物联网(IIoT)中，负责监控变电所指标的各种感测组件。图3是该「变色龙」All Programmable系统实例的方块图。

 

图3　「变色龙」All Programmable系统实例方块图。

在该实例中，工业物联网系统的一个关键特性是透过标准的工业以太网络系统，使用标准化的IEEE-1588精确时间协议(PTP)和IEC 62439 HSR/PRP，连接到大量的接口单元。该功能透过赛灵思生态系统合作伙伴SoC-e公司所提供的IP，在可编程设计逻辑中产生一个与实体兼容的工业以太网交换机来实现。此以太网交换机在图3中以大块②方块表示。

来自各个传感器的数据，可透过赛灵思及其生态系统合作伙伴所提供的高速IP模块来处理。处理算法可依据不同效能要求，在一个或多个可编程方案的六个ARM处理器核心中运算。

相较于其他竞争厂商所提供的CPU/DSP芯片可比系统，该系统的功耗效能比是其1.2倍。此设计使用芯片数量也因大规模可编程设计能力、处理容量和较佳的I/O灵活性而得以减半。此外，显然也必须有安全应用来保护电源网络免遭恶意攻击，因此内建的安全性和保密性功能在此应用中更为重要。

实例4：工业自动化
最后一个「变色龙」All Programmable系统实例为用于工业控制，其形式可以是运动控制器、可编程设计逻辑控制器(PLC)或人机接口(HMI)系统。

此一工业物联网实例把原本需要四个芯片(一个CPU、一个功能安全处理器、一个转轴编码器和一个用于高速电源调整和马达控制的FPGA)的系统整合到一个组件上，并将功耗效能比提升30%，且大幅缩减系统板空间。图4为此系统的方块图。如同其他三个实例一样，该工业控制系统也受益于可编程方案的I/O弹性及整合ARM Cortex-R5双核心处理器的内嵌锁步功能安全特性。

 

图4　应用于工业控制之「变色龙」All Programmable系统实例。

上述四个实例皆大量使用赛灵思及其生态系统合作伙伴所提供的软硬件IP。此IP对简化用户开发先进智能系统的工作相当重要，特别是「变色龙」平台，能为每一个建立于单一硬件平台上的产品挑选合适的IP。

多种IP简化先进智能系统开发
赛灵思生态系统成员提供四大类的硬件和软件IP：
1.针对嵌入式视觉及工业物联网应用领域的专属硬件和软件IP，并加上各种实时操作系统。
2.支持多种高阶设计工具。
3.搭载可编程方案的模块、评估板和生产就绪型系统模块(SOM)，可协助快速开发硬件和推广。
4.设计服务。

在项目不断要求提高效能和日趋复杂的产品特性下，每个设计团队面临日益严峻的时间压力，少有设计团队能迅速地完成目标。透过最新宣布生态系统拓展，赛灵思可使产品设计团队更容易地在紧凑的项目时程下完成高水平的项目。