作者：Steve Leibson

很多嵌入式設(shè)計使用基于微處理器和微控制器的單板計算機 (SBC) 和系統(tǒng)級模塊 (SoM)（例如，請參閱“使用 Raspberry Pi 3 構(gòu)建低成本工業(yè)控制器”）。但是，更多嵌入式應(yīng)用無法忍受與軟件相關(guān)的響應(yīng)時間所帶來的延遲。

這些應(yīng)用需要只有定制硬件方可實現(xiàn)的額外性能，而開發(fā)定制硬件的最快捷方法就是使用 FPGA。

本文將討論使用 SoM 來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢，這些系統(tǒng)需要借由 FPGA 提供更高的處理能力。本文還將介紹各種不同的 FPGA SoM，并討論它們在嵌入式設(shè)計開發(fā)中的使用。

FPGA 系統(tǒng)級模塊的角色
系統(tǒng)級模塊 (SoM) 可以幫助設(shè)計人員開發(fā)帶有定制接口的特定外形尺寸的嵌入式系統(tǒng)，而無需從頭開始開發(fā)內(nèi)核處理系統(tǒng)。設(shè)計人員可將預(yù)先設(shè)計且經(jīng)過測試的 SoM 插入到預(yù)先設(shè)計或定制的載卡中，以創(chuàng)建嵌入式設(shè)計，其功能與完全定制的設(shè)計相同，但硬件開發(fā)所需的時間要少得多。

與從頭開始開發(fā)硬件相比，使用 SoM 具有幾大優(yōu)勢，其中包括：

• 節(jié)省成本（在開發(fā)和調(diào)試基于 SoC 的電路板的過程中，會產(chǎn)生很高的非經(jīng)常性工程成本）

• 降低設(shè)計風(fēng)險

• 多種 SoC 選擇（得益于 SoM 的可插拔性）

• 小封裝

• 并行的硬件和軟件開發(fā)

曾經(jīng)由微處理器和微控制器占領(lǐng)的市場現(xiàn)在由 SoM 取而代之，通孔和插座式元件失去了主導(dǎo)地位。引腳兼容性讓設(shè)計人員得以從一系列的兼容處理器中進行選擇，挑選具有正確的時鐘速率和適當(dāng)?shù)钠d存儲器容量的處理器。但是，隨著引腳數(shù)的增加和表面貼裝封裝技術(shù)的采用，這種設(shè)計方法已經(jīng)過時，SoM 隨之應(yīng)運而生，其外形尺寸和封裝與先前的引腳兼容式微控制器系列具有相同的作用。

若使用 SoM 作為項目的計算平臺，設(shè)計工程師能夠集中精力和資源來開發(fā)最終應(yīng)用，而不會迷失在設(shè)計計算平臺時的繁瑣細節(jié)中。例如，在幾百兆赫 (MHz) 的時鐘速率下，由于差分走線延遲、噪聲、串?dāng)_和其他諸多挑戰(zhàn)，連接到應(yīng)用處理器的 SDRAM 的電路板布局變得日益艱難。然而，SoM 供應(yīng)商在項目開始之前就已經(jīng)完成了很多設(shè)計工作，從而能夠解決這些難題，縮短產(chǎn)品面世時間。

要為嵌入式開發(fā)項目選擇合適的 SoM 系列，必須對各種因素進行認真分析，包括預(yù)期的嵌入式資源需求，以及對設(shè)計可擴展性、未來適應(yīng)性和易用性的需求。這有助于選擇合適的 SoM 外形尺寸和封裝大小，提供豐富的替代方案選擇，以應(yīng)對已知的挑戰(zhàn)和無法預(yù)期的未來挑戰(zhàn)。若選擇的 SoM 系列包含多個產(chǎn)品成員并具有可兼容的外形尺寸和連接器封裝，則可以擴大設(shè)計團隊的選擇范圍，讓產(chǎn)品能夠更好地經(jīng)受未來的考驗。

基于帶處理器和 FPGA 的 SoC 的新型 SoM
SoM 通常采用帶有多個應(yīng)用處理器的 SoC，但有一種新型嵌入式處理器 SoC 集成了 FPGA，也適用于 SoM 設(shè)計，例如 Xilinx 完全可編程的 Zynq?-7000 SoC。Xilinx Zynq-7000 SoC 將 Arm? Cortex?-A9 應(yīng)用處理器的軟件可編程性與 FPGA 的硬件可編程性結(jié)合在一起。Zynq SoC 的內(nèi)置 Arm 微處理器，結(jié)合強化外設(shè)和 SDRAM 存儲器控制器（稱為 Zynq SoC 的“處理系統(tǒng)”或“PS”），執(zhí)行通常由嵌入式微處理器或微控制器處理的所有基于軟件的任務(wù)，而集成的 FPGA（稱為 Zynq SoC 的“PL”，也就是“可編程邏輯”）則為需要更快執(zhí)行速度的嵌入式任務(wù)提供硬件 I/O 響應(yīng)時間和硬件加速。

Xilinx Zynq SoC 提供多種不同的處理器配置和速度，就芯片上的 FPGA 結(jié)構(gòu)而言，提供的選擇甚至更多。選擇基于混合處理器/FPGA SoC（例如 Xilinx Zynq-7000 系列）的 SoM 系列，可以擴大選擇范圍，提高產(chǎn)品的未來適應(yīng)性。

此類 SoM 系列示例之一是來自 Trenz Electronic 的 TE0720 系列（圖 1）和配套 SoM 載板 TE0703。所有 SoM 都基于 4 x 5 cm 的通用外形尺寸。Trenz Electronic TE0720 系列的模塊采用了 Xilinx Zynq-7000 SoC 系列的兩個成員之一：

• TE0720-03-2IF基于 Xilinx Zynq Z-7020 SoC

• TE0720-03-1QF基于 Xilinx Zynq Z-7020 SoC

• TE0720-03-1CR基于 Xilinx Zynq Z-7020 SoC

• TE0720-03-1CFA基于 Xilinx Zynq Z-7020 SoC

• TE0720-03-2IFC3基于 Xilinx Zynq Z-7020 SoC

• TE0720-03-L1IF基于 Xilinx Zynq Z-7020 SoC

• TE0720-03-14S-1C基于 Xilinx Zynq Z-7014S SoC

所有這些 SoM 都具有相同的連接器封裝，包括三個 Samtec LSHM 無極性連接器，帶有數(shù)百個 I/O 引腳，另外在 SoM 和載板之間還有電源和接地引腳。

Trenz Electronic 的 TE0720 SoM 采用 Xilinx Zynq Z-7020 或 Z-7014S SoC，還提供 1 GB 的 SDRAM 和其他非易失性存儲器。（圖片來源：Trenz Electronic）

要見識 SoM 設(shè)計方法的靈活性，也許最好的方式是先看一下 TE0720 SoM 系列的 TE0703 載板，然后通過 I/O 引腳回到 SoM，看一下 SoM 的資源（圖 2）。

Trenz TE0703 載板將眾多 I/O 引腳從相關(guān) 4 x 5 cm SoM 板分接到嵌入式系統(tǒng)的其他部分。（圖片來源：Trenz Electronic）

TE0703 的方框圖顯示了從 SoM 板分拆的眾多重要 I/O 功能，包括：

1 Gbit/s 以太網(wǎng)

USB 和小型 USB

微型 SD 卡

數(shù)百個 I/O 引腳（可配置為單個數(shù)字 I/O 引腳，或者配置為低壓差分信號對 (LVDS)）

SoM 和 SBC 各有各的用途
處理速度、響應(yīng)時間、I/O 能力是 SoM 的顯著特征。但是，嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常也會集成 SBC，例如 Arduino Uno 和 Raspberry Pi 系列，因為這些產(chǎn)品同樣擁有廣泛的支持基礎(chǔ)。因此，Trenz Electronic 也提供相應(yīng)版本的 Arduino 和 Raspberry Pi 開發(fā)板：基于 Xilinx Zynq-7000 SoC 的 TE0723-03M ArduZynq 和 TE0726-03M ZynqBerry。這些 SBC 為連接很多現(xiàn)有插件卡搭建了橋梁，例如 Arduino 盾板和各種 Raspberry HAT 和 Bonnet 開發(fā)板。

與內(nèi)置于 TE0720 系列 Trenz Electronic SoM（采用 Zynq Z-7014S 和 Zynq Z-7020 器件）中的 FPGA 容量相比，集成到 TE0723-03M ArduZynq 和 TE0726-03M ZynqBerry SBC 中的 Zynq Z-7010 SoC 的 FPGA 容量存在顯著差異。雖然所有 Zynq-7000 SoC 都采用雙核 Arm Cortex-A9 處理器，但該器件上的 FPGA 數(shù)量存在差別，如表 1 所示：

表 1：Trenz Electronic 的 SoM 中使用的 Xilinx Zynq-7000 SoC（Z-7014S 和 Z-7020）所提供的 FPGA 資源多于 Trenz Electronic ArduZynq 和 ZynqBerry SBC 中使用的 Zynq Z-7010。（數(shù)據(jù)來源：Digi-Key Electronics）

此外，TE0723-03M ArduZynq 和 TE0726-03M ZynqBerry SBC 僅提供 512 MB 的板載 SDRAM，而 TE0720 SoM 提供了 1 GB。

Trenz Electronic 為其 SoM 提供多種載板，包括 TE0703-05、TE0706-02、TE0701-06 和 TEB0745-02。這些載板提供很多標準化 I/O 功能。其中某種載卡可能適合某個特定嵌入式應(yīng)用，但也可以將嵌入式系統(tǒng)設(shè)計拆分到可接受 SoM 程度產(chǎn)品的定制設(shè)計載板中，以滿足不同的處理需求。這種靈活性突顯了將 SoM 系列作為嵌入式設(shè)計基礎(chǔ)的設(shè)計方法優(yōu)勢。SoM 一致的標準化連接器封裝使得 SoM 能夠簡單地互換，以適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)格的變化。

總結(jié)
SoM 可以大幅縮短為嵌入式系統(tǒng)進行原型開發(fā)所需的時間，并降低項目風(fēng)險。只要 SoM 外形尺寸和連接器封裝受支持，就可以插入具有更多 FPGA 資源的 SoM，從而滿足不斷增長的需求。此外，各種各樣基于 Xilinx Zynq-7000 SoC 的兼容型 SoM 可將雙核 Arm Cortex-A9 處理器的處理能力與 FPGA 資源結(jié)合在一起，也有助于加快嵌入式設(shè)計的開發(fā)。

這種采用 SoM 的嵌入式設(shè)計方法不僅可以縮短開發(fā)硬件部分所需的時間，還允許在項目中更早階段開始軟件開發(fā)，從而降低設(shè)計風(fēng)險。如果項目范圍和要求在擴展，它還能夠提供良好的靈活性。

關(guān)于作者：
Steve Leibson 是 HP 和 Cadnetix 的系統(tǒng)工程師、《EDN》和《Microprocessor Report》雜志主編以及 Xilinx 和 Cadence 的技術(shù)博主，并擔(dān)任過兩集“The Next Wave with Leonard Nimoy”的技術(shù)專家。33 年來，他一直致力于幫助設(shè)計工程師們開發(fā)出更好、更快、更可靠的系統(tǒng)。