Xilinx 擴展生態(tài)系統重塑嵌入式視覺(jué)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 系統設計的未來(lái)

　　擁有前所未有的軟件智能、硬件優(yōu)化和任意互連水平的系統正在重塑嵌入式視覺(jué)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的未來(lái)。賽靈思于今年 2 月在德國紐倫堡舉辦的嵌入式世界大會(huì )上宣布其已強化并擴展了生態(tài)系統，為基于賽靈思 All Programmable 器件的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和嵌入式視覺(jué)系統開(kāi)發(fā)提供更強大的支持。賽靈思及其生態(tài)系統合作伙伴在這次展會(huì )上演示了多種解決方案，這些解決方案讓用戶(hù)各類(lèi)更智能、互聯(lián)互通和高度差異化系統的開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單容易。

　　賽靈思在嵌入式世界大會(huì )所發(fā)布的生態(tài)系統包括賽靈思在去年實(shí)現的三大里程碑。其中包括， 2015 年 3 月 9 日賽靈思宣布推出 SDSoC? 開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持用 C/C++ 語(yǔ)言編寫(xiě)程序的軟件設計人員能夠使用賽靈思 Zynq?-7000 SoC。該設計環(huán)境針對的是那些算法開(kāi)發(fā)人員， 使其無(wú)需深入底層和使用 Verilog 或 VHDL 修改硬件，但又能從賽靈思器件卓越的性能和出眾的性能功耗比中受益;2015 年 9 月 30 日賽靈思宣布其已經(jīng)開(kāi)始發(fā)貨 Zynq UltraScale+? MPSoC;接著(zhù)在 2016 年 2 月 16 日，賽靈思宣布強化和擴展生態(tài)系統，進(jìn)一步支持嵌入式視覺(jué)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的 Zynq 設計。

　　工業(yè)/嵌入式視覺(jué)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 領(lǐng)域新涌現的激動(dòng)人心的應用，涵蓋了工業(yè)、科研、醫療、專(zhuān)業(yè)音/視頻、消費電子、航空航天與軍用，以及汽車(chē)等各個(gè)細分市場(chǎng)。

　　阻礙發(fā)揮賽靈思 All Programmable 器件卓越性能和出色性能功耗比優(yōu)勢的主要障礙，一直都是編程的模式。

　　C/C++ 用戶(hù)更習慣于為 CPU (最近更多為 GPU)編寫(xiě)代碼。借助賽靈思面向軟件定義硬件開(kāi)發(fā)的 Vivado? 高層次綜合 (HLS) 工具和面向軟件定義系統開(kāi)發(fā)的 SDx? 開(kāi)發(fā)環(huán)境，將有更多系統開(kāi)發(fā)人員能夠用上賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列中的軟件定義 All Programmable 器件。通過(guò)擴展生態(tài)系統，賽靈思正在讓自己的 All Programmable 器件的使用和 CPU 以及 GPU 一樣方便，而且性能功耗比更高一籌。

　　嵌入式視覺(jué)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 系統的流水線(xiàn)有很多共同點(diǎn)。兩者都是從感應和數據采集開(kāi)始的。對嵌入式視覺(jué)系統，該數據的形式為一系列圖像或一個(gè)視頻流。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統的感測數據包括視頻，但還覆蓋一長(cháng)串其他感測到的參數，包括加速度和振動(dòng)、聲音/超聲波、化學(xué)與氣體、電/磁、流體、力、負載、扭矩與應變、濕度與水分、泄漏與水平、機器視覺(jué)、光、運動(dòng)、速度與位移、位置、存在與接近度、壓力和溫度。

　　正在興起的傳感器融合需求

　　多類(lèi)嵌入式視覺(jué)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統要求傳感器融合，或將來(lái)自多個(gè)不同類(lèi)型傳感器的數據處理和融合為行動(dòng)信息。 對于嵌入式視頻系統，多個(gè)視頻流可以整合生成更可用或更有用的視頻流。例如車(chē)載視頻系統往往將來(lái)自四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)或更多視頻攝像頭的視頻流結合起來(lái)，生成一個(gè)鳥(niǎo)瞰圖，為駕駛員提供 360 度 2D 平面或 3D 球面全視覺(jué)。視覺(jué)系統既驅動(dòng)本地顯示，也發(fā)送本地處理的視頻到云端中供進(jìn)一步處理，或者與其他視頻流整合，以及存儲等。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) 系統可將視頻與其它感測到的數據整合在一起,以定義必須采取的行動(dòng)。例如片上系統工程(SoC-e;第 14 頁(yè)文章)提供的新型 CPPS-Gate40 智能門(mén)戶(hù)采用工業(yè)控制系統中常見(jiàn)的各種 I/O 端口，結合本地高速數據處理，并將結果數據放置在使用高可用無(wú)縫冗余/并行冗余協(xié)議 (HSR/ PRP) 的雙冗余光學(xué)以太環(huán)網(wǎng)上。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統的典型特性是能夠使用感測到的數據實(shí)現依靠云處理和決策所無(wú)法做到的高速實(shí)時(shí)控制。

　　當然有許多使用 CPU 或 GPU 設計此類(lèi)系統的備選方法，但在用戶(hù)設計差異化系統時(shí)賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 能帶來(lái)多種明顯的優(yōu)勢和好處：

　　1. 最高性能功耗比。賽靈思 All Programmable 器件把硬件、軟件和 I/O 編程功能完美結合在一起，讓用戶(hù)能夠將雙芯片、三芯片或四芯片設計集成為單芯片，在降低功耗的同時(shí)最大化系統性能。

　　2. 傳感器融合。賽靈思 All Programmable 器件提供了一些獨特的功能，能夠獲取并處理多種不同類(lèi)型的信息，從溫度和壓力這樣的低比特率數據到多信道同步高清或超高清視頻流這樣的高比特率數據，無(wú)所不有。

　　3. 任意連接。從多種視頻接口標準(例如 MIPI 和 HDMI)到智能傳感器接口(例如 I2C 和 SPI)以及高速模數轉換器(包括 JESD204B 和 LVDS)，賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 無(wú)與倫比的可編程 I/O 功能可滿(mǎn)足近乎任何可以想象到的傳感器 I/O 要求。

　　4. 多級保密性和多層安全性。Zynq UltraScale+ MPSoC 的四核 ARM? Cortex?-A53 應用處理器和雙核 ARM Cortex-R5 實(shí)時(shí)處理器具備硬件安全特性，能夠獨特地實(shí)現保密性和功能安全協(xié)議。

　　5. “變色龍”All Programmable 平臺。Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 的軟硬件處理和 I/O 靈活性

　　便于用戶(hù)創(chuàng )建出可重用的軟件定義硬件平臺(這些平臺具有可配置、可擴展性，成本在最終產(chǎn)品成本上下浮動(dòng)，從低成本系統到高性能系統不等)，并將自己的品牌打入覆蓋多功能產(chǎn)品線(xiàn)的新市場(chǎng)。這并非是一種假想的優(yōu)勢：許多賽靈思客戶(hù)已經(jīng)將它變?yōu)楝F實(shí)。

　　這里有四個(gè)“變色龍”All Programmable 平臺的實(shí)例，均將賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 運用于不同的目標市場(chǎng)。

　　實(shí)例 1：高級駕駛員輔助系統

　　高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 將來(lái)自多個(gè)視頻攝像頭的視頻數據以及其他車(chē)輛傳感器數據融合在一起(包括慣性導航數據甚至 GPS 地圖數據)，以決定是制動(dòng)、轉向還是發(fā)出駕駛員警告等。圖 1 方框圖顯示了基于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的典型 ADAS 設計。

　　如圖 1 所示，該設計采用賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 中提供的四核 ARM Cortex-A53 應用處理器和雙核 ARM Cortex-R5 實(shí)時(shí)處理器的異構處理功能。該圖中的五個(gè)紅色方框顯示的是賽靈思直接提供的 MIPI 視頻接口 IP。六個(gè)藍色方框顯示的是由賽靈思生態(tài)系統合作伙伴中的其他公司提供的高速 IP 處理模塊，這些模塊可用于實(shí)現行人檢測、駕駛員監控、車(chē)道偏離監測、盲點(diǎn)檢測和傳感器融合等高級功能。

　　所示的 ADAS 系統充分發(fā)揮了 Zynq UltraScale+ MPSoC 任意連接功能的作用，能與任何傳感器接口通信，包括用于視頻攝像頭的 MIPI 在內。來(lái)自競爭廠(chǎng)家的不可編程器件如果不添加用于處理額外 I/O 接口和協(xié)議的 I/O 芯片，

　　就很難滿(mǎn)足新的傳感器接口要求。此外，Zynq UltraScale+ MPSoC 還擁有卓越的硬件視頻處理性能，與競爭對手的標準器件相比，能夠處理更多視頻信道。和這些標準器件不同，Zynq UltraScale+ MPSoC 還能處理視頻流可編程的數量。

　　由于 Zynq UltraScale+ MPSoC 具有高度的 I/O 靈活性和強大的處理能力，除傳感器和外部存儲器外，MPSoC 本身之外基本不需要其它硬件。與主要競爭對手提供的基于 CPU 芯片的可比系統相比，該 MPSoC 系統的性能功耗比是其三倍左右。

　　實(shí)例 2：4K 視頻監控

　　圖 2 顯示了 4K 多信道多傳感器視頻監視系統中與多個(gè)傳感器(包括不同類(lèi)型的視頻攝像頭)連接的 Zynq UltraScale+ MPSoC。該方框圖中紅色方框仍表示賽靈思接口 IP，這些 IP 用于 MIPI 連接的視頻攝像頭和顯示器，以及連接其他類(lèi)型傳感器的不同 I/O 接口。六個(gè)全藍方框代表賽靈思生態(tài)系統公司提供的處理 IP。兩個(gè)紅/藍方框代表賽靈思及其擴展的生態(tài)系統中的公司所提供的 IP 模塊。

　　該“變色龍”All Programmable 系統與主要競爭對手提供的基于 CPU/DSP/GPU 芯片的可比系統相比，性能功耗比高出其將近 5 倍。Zynq UltraScale+ MPSoC 的安全性與保密性，包括 ARM TrustZone? 功能，以及該器件的硬件 AES 加密功能，在像這樣的安全應用中極為有用。

　　實(shí)例 3：智能電網(wǎng)變電站自動(dòng)化

　　我們的第三個(gè)實(shí)例是針對智能電網(wǎng)設計的變電站自動(dòng)化系統，這是一個(gè)用于處理來(lái)自各種負責監控變電站指標的傳感組件的多個(gè)以太網(wǎng)流的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應用。圖 3 是該“變色龍”All Programmable 系統實(shí)例的系統方框圖。

　　該實(shí)例工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統的一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠通過(guò)標準的工業(yè)以太網(wǎng)系統，使用標準化的 IEEE-1588 精確時(shí)間同步協(xié)議 (PTP) 和 IEC 62439 HSR/PRP，連接到大量的接口單元。該功能的實(shí)現方式是使用賽靈思生態(tài)系統合作伙伴 SoC-e 公司提供的 IP，在 Zynq UltraScale+ MPSoC 的可編程邏輯中實(shí)例化一個(gè)兼容的工業(yè)以太網(wǎng)交換機。該以太網(wǎng)交換機在本方框圖中以大藍色方框顯示。來(lái)自各個(gè)傳感器源的數據可使用賽靈思及其生態(tài)系統公司提供的高速 IP 模塊(在圖中分別以紅/藍框表示)處理。根據性能要求，處理算法也可運行在 Zynq UltraScale+ MPSoC 的六個(gè) ARM 處理器內核的一個(gè)或數個(gè)之上。

　　與競爭對手提供的基于 CPU/DSP 芯片的可比系統相比，該系統的性能功耗比是其 1.2 倍。得益于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的大規?？删幊棠芰?、處理容量和高度的 I/O 靈活性，本設計使用的芯片數量得以減半。顯然必須有安全應用來(lái)保護電網(wǎng)免遭惡意攻擊。

　　因此 Zynq UltraScale+ MPSoC 內置的功能安全性和保密性在本應用中尤為重要。

　　實(shí)例 4：工業(yè)自動(dòng)化

　　最后一個(gè)“變色龍”All Programmable 系統實(shí)例是用于工業(yè)控制目的，其形式可以是運動(dòng)控制器、可編程邏輯控制器 (PLC) 或人機界面 (HMI) 系統。該工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例使用 Zynq UltraScale+ MPSoC 把本需要四個(gè)芯片(一個(gè) CPU、一個(gè)功能安全處理器、一個(gè)軸角編碼器和一個(gè)用于高速電源調制和電機控制的 FPGA)的整個(gè)系統集成到單個(gè)器件上，將性能功耗比提升高達 30% 且大幅縮減了系統板級空間。該系統的方框圖見(jiàn)圖 4。

　　和其他三個(gè)實(shí)例一樣，該工業(yè)控制系統也得益于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的任意連接以及集成雙ARM Cortex-R5 核處理器的鎖步功能內嵌的功能安全特性。

　　生態(tài)系統揭秘

　　所有這四個(gè)實(shí)例都大量使用賽靈思及其生態(tài)系統成員公司所提供的硬件和軟件 IP。該 IP 對簡(jiǎn)化用戶(hù)開(kāi)發(fā)高級智能系統的工作十分必要，特別是“變色龍”平臺能夠為用一種硬件平臺構建的每種產(chǎn)品挑選其中使用的具體 IP。

　　賽靈思生態(tài)系統成員提供四大類(lèi)的硬件和軟件 IP：

　　1. 針對嵌入式視覺(jué)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的領(lǐng)域專(zhuān)用硬件和軟件 IP，加上各種實(shí)時(shí)操作系統;

　　2. 設計支持，包括數種高級設計工具;

　　3. 用于快速硬件開(kāi)發(fā)和推廣的基于 Zynq-7000 SoC 或 Zynq UltraScale+ MPSoC 的模塊、評估板和生產(chǎn)就緒型系統級模塊 (SOM);以及

　　4. 設計服務(wù)。

　　即便是在項目要求不斷提高性能水平和日趨復雜化產(chǎn)品特性的情況下，每個(gè)設計團隊依然面臨嚴峻的時(shí)間壓力。沒(méi)有設計團隊能夠迅速地面面俱到。通過(guò)最新宣布的生態(tài)系統擴展，賽靈思讓產(chǎn)品設計團隊能夠更容易地在緊湊的項目日程下完成高水準的項目目標。

　　如需了解更多賽靈思擴展和強化后的生態(tài)系統信息， 請訪(fǎng)問(wèn)以下網(wǎng)址： http://china.xilinx.com/alliance/featured-solution-partners/solutions-by-megatrend.html.