軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)：面向未來的模塊化嵌入式系統(tǒng)

你是否曾想過構(gòu)建一個(gè)模塊化且具備 FPGA 加速能力，并包含所有必要功能的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但卻很快被其復(fù)雜性壓得喘不過氣？ 通常也會(huì)擔(dān)心初始規(guī)格太過狹隘，無法滿足最終需求，或者某些設(shè)計(jì)決策會(huì)限制后續(xù)適應(yīng)能力。

此外，現(xiàn)今的核心計(jì)算組件還必須滿足網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、功耗限制、環(huán)境適應(yīng)性和體積受限等外部要求，這無疑極具挑戰(zhàn)。

但好消息是：標(biāo)準(zhǔn)化模塊組件能夠提供幫助。這些模塊不僅提升設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性與未來適應(yīng)性，還能簡(jiǎn)化生命周期管理、優(yōu)化總擁有成本 (TCO)、并提高投資回報(bào)率 (ROI)。

計(jì)算機(jī)模塊與定制載板配合使用，該載板不僅承載計(jì)算機(jī)模塊，還集成應(yīng)用特定的輸入輸出接口和電路。該載板可以采用任何形狀和尺寸。

硬件設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

以計(jì)算模塊(COM)為例。這些多功能模塊基于不同的開放標(biāo)準(zhǔn)，早在十多年前就已提供類似 PC 的功能 ; 而這段時(shí)間，也是芯片廠商支持某一專用 CPU 的典型時(shí)期，例如 COM Express，已在市場(chǎng)上存在了 20 年。因此，借助COM模塊，你可以通過更換模塊來將應(yīng)用升級(jí)為新一代處理器，而無需更改原始設(shè)計(jì)。

計(jì)算模塊與載板配合使用，載板上集成了客戶特定的 IP 和所需的輸入輸出接口(I/O)。與完全定制的設(shè)計(jì)相比，這種 COM 模塊與載板的方式簡(jiǎn)化了開發(fā)流程，因?yàn)楣δ軓?fù)雜的 COM模塊是開箱即用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。

此外，COM模塊具備的多核技術(shù)可支持硬件整合，并帶來虛擬化的好處。在軟件方面，支持主流操作系統(tǒng)，如 Microsoft Windows、各種 Linux 發(fā)行版，以及如 VxWorks 或 QNX …等專用選項(xiàng)。

SoC 的局限與 FPGA 的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于那些從基礎(chǔ)構(gòu)建、使用離散元件的設(shè)計(jì)，基于微控制器的 SoC 是常見的 CPU 平臺(tái)選擇。然而，這些微控制器類型的 SoC 具有固定的外設(shè)布局，局限了你的選擇空間。雖然 SoC 有時(shí)也可用于標(biāo)準(zhǔn) COM模塊，但這種單芯片方式在可擴(kuò)展性方面相對(duì)不足。

那么，如何彌合這種差距？如何讓一個(gè)平臺(tái)具備可擴(kuò)展性，并創(chuàng)建一個(gè)包含多種 CPU 架構(gòu)的異構(gòu)系統(tǒng)？答案是：將安裝在載板上的 FPGA 與 COM 模塊配合使用。

來自如 AMD、Altera 等知名芯片廠商的各種選項(xiàng)都可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。FPGA 的能力由邏輯單元數(shù)量、內(nèi)存、DSP 塊等參數(shù)定義，這些因素決定了可配置 FPGA 功能的復(fù)雜性與廣度。芯片廠商通常提供預(yù)先設(shè)計(jì)好的 IP 組件，你也可以使用你選擇的硬件描述語言（如 VHDL 或 Verilog）自定義功能。

FPGA 轉(zhuǎn)譯及性能優(yōu)勢(shì)

把 FPGA 想象成一塊空白畫布，等待你繪制出各種接口的細(xì)節(jié)，例如高速以太網(wǎng)、MIPI、LVDS、USB 等。但 FPGA 的能力遠(yuǎn)不止于接口，它們還可以集成多核 ARM CPU、RISC-V 架構(gòu)、用于 AI/ML 任務(wù)的 DSP 核心、專用的推理模式，甚至是諸如安全島（safety island）這樣的功能安全特性。

此外，你還可以將軟件代碼轉(zhuǎn)換為硬件功能，并作為 IP 組件在 FPGA 中運(yùn)行。在某些應(yīng)用場(chǎng)景下，這種方法比在 CPU，甚至 GPU 上運(yùn)行同樣的功能具有更高的能效、更好的性能和更低的延遲。通過將一個(gè)即用型、可擴(kuò)展的 COM 模塊與載板上的 FPGA 結(jié)合，你將實(shí)現(xiàn)真正的設(shè)計(jì)靈活性、安全性與可擴(kuò)展性。這種方法使你能夠通過硬件和軟件共同定義你的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。