瞄準(zhǔn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)掀起的嵌入式視覺應(yīng)用風(fēng)潮，可編程組件供貨商除備齊完整硬件平臺(tái)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(cái)(IP)、評(píng)估板及設(shè)計(jì)服務(wù)等支持與資源，協(xié)助嵌入式視覺系統(tǒng)開發(fā)商更快達(dá)成上市目標(biāo)。

嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(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(dǎo)體業(yè)者賽靈思(Xilinx)為例，該公司于2016年2月在德國(guó)紐倫堡舉辦的嵌入式電子與工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用展上，宣布已強(qiáng)化并擴(kuò)展其生態(tài)系統(tǒng)，為賽靈思All Programmable組件的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和嵌入式視覺系統(tǒng)開發(fā)提供更強(qiáng)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(jì)算機(jī)應(yīng)用展所宣布的生態(tài)系統(tǒng)包括2015年實(shí)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(shè)計(jì)人員也能使用賽靈思Zynq-7000 SoC。該設(shè)計(jì)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(qiáng)化和拓展生態(tài)系統(tǒng)，并進(jìn)一步支持嵌入式視覺應(yīng)用與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的Zynq設(shè)計(jì)。

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(shì)的主要障礙一直都是程序設(shè)計(jì)模式。原因在于C/C++使用者較習(xí)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(shù)(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(wǎng)(IIoT)系統(tǒng)的管線有諸多共同點(diǎn)，且兩者皆從感應(yīng)和獲取數(shù)據(jù)開始。就嵌入式視覺系統(tǒng)而言，該數(shù)據(jù)的形式為一系列圖像或影音流，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感測(cè)數(shù)據(jù)則包含影音及涵蓋其他感測(cè)到的一長(zhǎng)串參數(shù)，而其包括加速與振動(dòng)、聲音/超音波、化學(xué)與氣體、電/磁、流程、力、負(fù)載量、扭轉(zhuǎn)力與張力、濕度與水分、裂縫與水平高度、機(jī)器視覺、光、運(yùn)動(dòng)、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(wǎng)系統(tǒng)須融合傳感器，或?qū)⒍鄠€(gè)來自不同類型的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并融合為行動(dòng)信息。

加速處理效率　傳感器融合需求漸興

對(duì)嵌入式影音系統(tǒng)而言，多個(gè)影音流可整合成更實(shí)用且有幫助的影音流，如車載影音系統(tǒng)往往將四個(gè)至六個(gè)或更多攝影機(jī)的影音流結(jié)合起來，制成一個(gè)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(dòng)當(dāng)?shù)仫@示外，也發(fā)送當(dāng)?shù)靥幚淼挠耙舻皆贫酥凶鬟M(jìn)一步處理，或與其他影音流整合并存儲(chǔ)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)系統(tǒng)可將影音與其它感測(cè)到的數(shù)據(jù)整合一起，并定義其須采取的行動(dòng)。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(wǎng)關(guān)采用工業(yè)控制系統(tǒng)中常見的各種I/O埠，其結(jié)合當(dāng)?shù)馗咚贁?shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)結(jié)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(xué)以太環(huán)網(wǎng)上。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的典型特征是，其可協(xié)助感測(cè)到的數(shù)據(jù)運(yùn)用于高速實(shí)時(shí)控制上，無法依靠云端處理和決策實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然有許多方法可透過使用CPU或GPU來設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)，但用戶在設(shè)計(jì)差異化系統(tǒng)時(shí)，使用可編程解決方案能帶來多個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)功能結(jié)合在一起，讓用戶能將雙芯片、三芯片或四芯片設(shè)計(jì)整合為單芯片，在將系統(tǒng)效能提升至最大的同時(shí)，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(jù)到利用多信道同步高畫質(zhì)或超高畫質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)(MIPI和HDMI)、智能傳感器接口(I2C和SPI)，以及高速A/D轉(zhuǎn)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(yīng)用處理器和雙核心ARM Cortex-R5實(shí)時(shí)處理器皆具備硬件安全特性，能協(xié)助實(shí)現(xiàn)保密性和功能安全協(xié)議。

．「變色龍」All Programmable平臺(tái)：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(tái)。此平臺(tái)具可配置及可擴(kuò)展特性，其最終產(chǎn)品成本上下浮動(dòng)，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(chǎn)品線的新市場(chǎng)。

All Programmable平臺(tái)滿足不同應(yīng)用市場(chǎng)
下列有四個(gè)「變色龍」All Programmable平臺(tái)的使用案例，均將可編程解決方案運(yùn)用于不同的目標(biāo)市場(chǎng)。

實(shí)例1：先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)
先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)將來自多個(gè)攝影機(jī)的影音數(shù)據(jù)與其他車輛傳感器的數(shù)據(jù)融合一起(包含慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)與GPS地圖數(shù)據(jù))，以決定是煞車、轉(zhuǎn)向還是發(fā)出駕駛警告等。圖1顯示透過可編程方案實(shí)現(xiàn)的典型ADAS設(shè)計(jì)。

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圖1　運(yùn)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(shè)計(jì)采用賽靈思可編程方案中提供的四核心ARM Cortex-A53應(yīng)用處理器及雙核心ARM Cortex-R5實(shí)時(shí)處理器的異質(zhì)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(gè)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(cè)、駕駛監(jiān)控、車道偏離監(jiān)控、盲點(diǎn)偵測(cè)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(jī)的MIPI在內(nèi)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(shè)計(jì)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?jī)?nèi)存外，MPSoC本身亦毋須與其它硬件配合。相較于主要競(jìng)爭(zhēng)廠商所提供的以CPU芯片為基礎(chǔ)的可比系統(tǒng)相比，此方案的功耗效能比高出約三倍。

實(shí)例2：4K影音監(jiān)控
圖2顯示可編程解決方案連結(jié)至多個(gè)傳感器，包含不同類型的影音攝影機(jī)、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(jī)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(gè)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(gè)③/②方塊則代表賽靈思及其擴(kuò)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(jié)至多個(gè)傳感器。

「變色龍」All Programmable系統(tǒng)與主要競(jìng)爭(zhēng)廠商所提供的以CPU/DSP/GPU芯片為基礎(chǔ)的可比系統(tǒng)相比，其功耗效能比高出近五倍。在保密應(yīng)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(dāng)實(shí)用的。

實(shí)例3：智能電網(wǎng)變電所自動(dòng)化
第三個(gè)實(shí)例是針對(duì)智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)的變電所自動(dòng)化系統(tǒng)，此應(yīng)用適用于處理多個(gè)以太網(wǎng)流的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)中，負(fù)責(zé)監(jiān)控變電所指標(biāo)的各種感測(cè)組件。圖3是該「變色龍」All Programmable系統(tǒng)實(shí)例的方塊圖。

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

在該實(shí)例中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵特性是透過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)化的IEEE-1588精確時(shí)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(shè)計(jì)邏輯中產(chǎn)生一個(gè)與實(shí)體兼容的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)。此以太網(wǎng)交換機(jī)在圖3中以大塊②方塊表示。

來自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，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(jù)不同效能要求，在一個(gè)或多個(gè)可編程方案的六個(gè)ARM處理器核心中運(yùn)算。

相較于其他競(jìng)爭(zhēng)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(shè)計(jì)使用芯片數(shù)量也因大規(guī)模可編程設(shè)計(jì)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(yīng)用來保護(hù)電源網(wǎng)絡(luò)免遭惡意攻擊，因此內(nèi)建的安全性和保密性功能在此應(yīng)用中更為重要。

實(shí)例4：工業(yè)自動(dòng)化
最后一個(gè)「變色龍」All Programmable系統(tǒng)實(shí)例為用于工業(yè)控制，其形式可以是運(yùn)動(dòng)控制器、可編程設(shè)計(jì)邏輯控制器(PLC)或人機(jī)接口(HMI)系統(tǒng)。

此一工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例把原本需要四個(gè)芯片(一個(gè)CPU、一個(gè)功能安全處理器、一個(gè)轉(zhuǎn)軸編碼器和一個(gè)用于高速電源調(diào)整和馬達(dá)控制的FPGA)的系統(tǒng)整合到一個(gè)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(gè)實(shí)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(nèi)嵌鎖步功能安全特性。

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圖4　應(yīng)用于工業(yè)控制之「變色龍」All Programmable系統(tǒng)實(shí)例。

上述四個(gè)實(shí)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(duì)簡(jiǎn)化用戶開發(fā)先進(jìn)智能系統(tǒng)的工作相當(dāng)重要，特別是「變色龍」平臺(tái)，能為每一個(gè)建立于單一硬件平臺(tái)上的產(chǎn)品挑選合適的IP。

多種IP簡(jiǎn)化先進(jìn)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(duì)嵌入式視覺及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的專屬硬件和軟件IP，并加上各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
2.支持多種高階設(shè)計(jì)工具。
3.搭載可編程方案的模塊、評(píng)估板和生產(chǎn)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(shè)計(jì)服務(wù)。

在項(xiàng)目不斷要求提高效能和日趨復(fù)雜的產(chǎn)品特性下，每個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨日益嚴(yán)峻的時(shí)間壓力，少有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能迅速地完成目標(biāo)。透過最新宣布生態(tài)系統(tǒng)拓展，賽靈思可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更容易地在緊湊的項(xiàng)目時(shí)程下完成高水平的項(xiàng)目。