軟硬件協(xié)同設計：面向未來的模塊化嵌入式系統(tǒng)

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

此外，現(xiàn)今的核心計算組件還必須滿足網(wǎng)絡安全、應用標準、功耗限制、環(huán)境適應性和體積受限等外部要求，這無疑極具挑戰(zhàn)。

但好消息是：標準化模塊組件能夠提供幫助。這些模塊不僅提升設計的可擴展性與未來適應性，還能簡化生命周期管理、優(yōu)化總擁有成本 (TCO)、并提高投資回報率 (ROI)。

計算機模塊與定制載板配合使用，該載板不僅承載計算機模塊，還集成應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。

硬件設計的現(xiàn)狀

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

計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)。與完全定制的設計相比，這種 COM 模塊與載板的方式簡化了開發(fā)流程，因為功能復雜的 COM模塊是開箱即用的標準產(chǎn)品，適用于各種應用場景。

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。

SoC 的局限與 FPGA 的優(yōu)勢

對于那些從基礎構(gòu)建、使用離散元件的設計，基于微控制器的 SoC 是常見的 CPU 平臺選擇。然而，這些微控制器類型的 SoC 具有固定的外設布局，局限了你的選擇空間。雖然 SoC 有時也可用于標準 COM模塊，但這種單芯片方式在可擴展性方面相對不足。

那么，如何彌合這種差距？如何讓一個平臺具備可擴展性，并創(chuàng)建一個包含多種 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都可以實現(xiàn)這一點。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 功能的復雜性與廣度。芯片廠商通常提供預先設計好的 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

把 FPGA 想象成一塊空白畫布，等待你繪制出各種接口的細節(jié)，例如高速以太網(wǎng)、MIPI、LVDS、USB 等。但 FPGA 的能力遠不止于接口，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 中運行。在某些應用場景下，這種方法比在 CPU，甚至 GPU 上運行同樣的功能具有更高的能效、更好的性能和更低的延遲。通過將一個即用型、可擴展的 COM 模塊與載板上的 FPGA 結(jié)合，你將實現(xiàn)真正的設計靈活性、安全性與可擴展性。這種方法使你能夠通過硬件和軟件共同定義你的系統(tǒng)設計。