賽靈思擴展生態(tài)系統(tǒng)重塑嵌入式視覺、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的未來

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(tǒng)正在重塑嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的未來。

賽靈思于今年 2 月在德國紐倫堡舉辦的嵌入式世界大會上宣布其已強化并擴展了生態(tài)系統(tǒng)，為基于賽靈思ALL Programmable器件的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和嵌入式視覺系統(tǒng)開發(fā)提供更強大的支持。賽靈思及其生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴在這次展會上演示了多種解決方案，這些解決方案讓用戶各類更智能、互聯(lián)互通和高度差異化系統(tǒng)的開發(fā)更加簡單容易。

賽靈思在嵌入式世界大會所發(fā)布的生態(tài)系統(tǒng)包括賽靈思在去年實現(xiàn)的三大里程碑。其中包括， 2015 年 3 月 9 日賽靈思宣布推出 SDSoC 開發(fā)環(huán)境，支持用 C/C++ 語言編寫程序的軟件設(shè)計人員能夠使用賽靈思 Zynq-7000 SoC。該設(shè)計環(huán)境針對的是那些算法開發(fā)人員， 使其無需深入底層和使用 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)開始發(fā)貨 Zynq UltraScale+ MPSoC；接著在 2016 年 2 月 16 日，賽靈思宣布強化和擴展生態(tài)系統(tǒng)，進一步支持嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的 Zynq 設(shè)計。

工業(yè)/嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 領(lǐng)域新涌現(xiàn)的激動人心的應(yīng)用，涵蓋了工業(yè)、科研、醫(yī)療、專業(yè)音/視頻、消費電子、航空航天與軍用，以及汽車等各個細分市場。

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。

通過擴展生態(tài)系統(tǒng)，賽靈思正在讓自己 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。

C/C++ 用戶更習(xí)慣于為 CPU （最近更多為 GPU）編寫代碼。借助賽靈思面向軟件定義硬件開發(fā)的 Vivado 高層次綜合 (HLS) 工具和面向軟件定義系統(tǒng)開發(fā)的 SDx 開發(fā)環(huán)境，將有更多系統(tǒng)開發(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。通過擴展生態(tài)系統(tǒng)，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。

嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 系統(tǒng)的流水線有很多共同點。兩者都是從感應(yīng)和數(shù)據(jù)采集開始的。對嵌入式視覺系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)的形式為一系列圖像或一個視頻流。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感測數(shù)據(jù)包括視頻，但還覆蓋一長串其他感測到的參數(shù)，包括加速度和振動、聲音/超聲波、化學(xué)與氣體、電/磁、流體、力、負載、扭矩與應(yīng)變、濕度與水分、泄漏與水平、機器視覺、光、運動、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

多類嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要求傳感器融合，或?qū)碜远鄠€不同類型傳感器的數(shù)據(jù)處理和融合為行動信息。 對于嵌入式視頻系統(tǒng)，多個視頻流可以整合生成更可用或更有用的視頻流。例如車載視頻系統(tǒng)

往往將來自４個、５個、６個或更多視頻攝像頭的視頻流結(jié)合起來，生成一個鳥瞰圖，為駕駛員提供 360 度 2D 平面或 3D 球面全視覺。視覺系統(tǒng)既驅(qū)動本地顯示，也發(fā)送本地處理的視頻到云端中供進一步處理，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(tǒng)可將視頻與其它感測到的數(shù)據(jù)整合在一起,以定義必須采取的行動。例如片上系統(tǒng)工程（SoC-e；第 14 頁文章）提供的新型 CPPS-Gate40 智能門戶采用工業(yè)控制系統(tǒng)中常見的各種 I/O 端口，結(jié)合本地高速數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果數(shù)據(jù)放置在使用高可用無縫冗余/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(tǒng)的典型特性是能夠使用感測到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)依靠云處理和決策所無法做到的高速實時控制。

當(dāng)然有許多使用 CPU 或 GPU 設(shè)計此類系統(tǒng)的備選方法，但在用戶設(shè)計差異化系統(tǒng)時賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 能帶來多種明顯的優(yōu)勢和好處：

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(jié)合在一起，讓用戶能夠?qū)㈦p芯片、三芯片或四芯片設(shè)計集成為單芯片，在降低功耗的同時最大化系統(tǒng)性能。

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型的信息，從溫度和壓力這樣的低比特率數(shù)據(jù)到多信道同步高清或超高清視頻流這樣的高比特率數(shù)據(jù)，無所不有。

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(shù)轉(zhuǎn)換器（包括 JESD204B 和 LVDS），賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 無與倫比的可編程 I/O 功能可滿足近乎任何可以想象到的傳感器 I/O 要求。

多級保密性和多層安全性。Zynq UltraScale+ MPSoC 的四核 ARM Cortex-A53 應(yīng)用處理器和雙核 ARM Cortex-R5 實時處理器具備硬件安全特性，能夠獨特地實現(xiàn)保密性和功能安全協(xié)議。

“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，從低成本系統(tǒng)到高性能系統(tǒng)不等），并將自己的品牌打入覆蓋多功能產(chǎn)品線的新市場。這并非是一種假想的優(yōu)勢：許多賽靈思客戶已經(jīng)將它變?yōu)楝F(xiàn)實。

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

1 高級駕駛員輔助系統(tǒng)

高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 將來自多個視頻攝像頭的視頻數(shù)據(jù)以及其他車輛傳感器數(shù)據(jù)融合在一起（包括慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)甚至 GPS 地圖數(shù)據(jù)），以決定是制動、轉(zhuǎn)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(shè)計。

圖 1 - 該高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 設(shè)計采用了 Zynq UltraScale+ MPSoC 中 ARM Cortex 內(nèi)核的異構(gòu)處理功能。

如圖 1 所示，該設(shè)計采用賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 中提供的四核 ARM Cortex-A53 應(yīng)用處理器和雙核 ARM Cortex-R5 實時處理器的異構(gòu)處理功能。該圖中的五個紅色方框顯示的是賽靈思直接提供的 MIPI 視頻接口 IP。六個藍色方框顯示的是由賽靈思生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴中的其他公司提供的高速 IP 處理模塊，這些模塊可用于實現(xiàn)行人檢測、駕駛員監(jiān)控、車道偏離監(jiān)測、盲點檢測和傳感器融合等高級功能。

所示的 ADAS 系統(tǒng)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(nèi)。來自競爭廠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(shù)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(tǒng)相比，該 MPSoC 系統(tǒng)的性能功耗比是其三倍左右。

2 4K 視頻監(jiān)控

圖 2 顯示了 4K 多信道多傳感器視頻監(jiān)視系統(tǒng)中與多個傳感器（包括不同類型的視頻攝像頭）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，以及連接其他類型傳感器的不同 I/O 接口。6 個全藍方框代表賽靈思生態(tài)系統(tǒng)公司提供的處理 IP。兩個紅/藍方框代表賽靈思及其擴展的生態(tài)系統(tǒng)中的公司所提供的 IP 模塊。

圖 2 - 該 4K 多信道/多傳感器視頻監(jiān)視系統(tǒng)運用了 Zynq UltraScale+ MPSoC 的安全性和保密性功能。

該“變色龍”All Programmable 系統(tǒng)與主要競爭對手提供的基于 CPU/DSP/GPU 芯片的可比系統(tǒng)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(yīng)用中極為有用。

3 智能電網(wǎng)變電站自動化

我們的第三個實例是針對智能電網(wǎng)設(shè)計的變電站自動化系統(tǒng)，

這是一個用于處理來自各種負責(zé)監(jiān)控變電站指標的傳感組件的多個以太網(wǎng)流的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用。圖 3 是該“變色龍”All Programmable 系統(tǒng)實例的系統(tǒng)方框圖。

圖 3 - 在本智能電網(wǎng)變電站自動化系統(tǒng)中，一個工業(yè)以太網(wǎng)交換機實例化在賽靈思工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)公司 SoC-e 提供的 Zynq UltraScale+ MPSoC 可編程邏輯源 IP 中。

該實例工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵特性是能夠通過標準的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，使用標準化的 IEEE-1588 精確時間同步協(xié)議 (PTP) 和 IEC 62439 HSR/PRP，連接到大量的接口單元。

該功能的實現(xiàn)方式是使用賽靈思生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴 SoC-e 公司提供的 IP，在 Zynq UltraScale+ MPSoC 的可編程邏輯中實例化一個兼容的工業(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。來自各個傳感器源的數(shù)據(jù)可使用賽靈思及其生態(tài)系統(tǒng)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(jù)性能要求，處理算法也可運行在 Zynq UltraScale+ MPSoC 的六個 ARM 處理器內(nèi)核的一個或數(shù)個之上。

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

通過生態(tài)系統(tǒng)的擴展，賽靈思讓產(chǎn)品設(shè)計團隊能夠在緊湊的項目日程下更容易地完成高標準的項目目標。

因此 Zynq UltraScale+ MPSoC 內(nèi)置的功能安全性和保密性在本應(yīng)用中尤為重要。

4 工業(yè)自動化

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

和其他三個實例一樣，該工業(yè)控制系統(tǒng)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(nèi)嵌的功能安全特性。

生態(tài)系統(tǒng)揭秘

所有這四個實例都大量使用賽靈思及其生態(tài)系統(tǒng)成員公司所提供的硬件和軟件 IP。該 IP 對簡化用戶開發(fā)高級智能系統(tǒng)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(gòu)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(tǒng)成員提供四大類的硬件和軟件 IP：

針對嵌入式視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)Ｓ糜布蛙浖?IP，加上各種實時操作系統(tǒng)；

設(shè)計支持，包括數(shù)種高級設(shè)計工具；

用于快速硬件開發(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(tǒng)級模塊 (SOM)；

設(shè)計服務(wù)。

圖 4 — 這個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)自動化設(shè)計采用賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 集成了一個完整的系統(tǒng)。采用其他方案可能需要四個芯片才能完成。

即便是在項目要求不斷提高性能水平和日趨復(fù)雜化產(chǎn)品特性的情況下，每個設(shè)計團隊依然面臨嚴峻的時間壓力。沒有設(shè)計團隊能夠迅速地面面俱到。通過最新宣布的生態(tài)系統(tǒng)擴展，賽靈思讓產(chǎn)品設(shè)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。