小型化是當(dāng)今大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。每個(gè)人都希望口袋里有更多的計(jì)算能力。大多數(shù)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)也遵循相同的趨勢(shì)。消費(fèi)者需要更小的工業(yè)和專業(yè)攝像頭、醫(yī)療手持設(shè)備、更小的可編程邏輯控制器 （PLC） 和汽車中的駕駛員輔助模塊。小型化也帶來了額外的挑戰(zhàn)——最大的挑戰(zhàn)可以濃縮為一個(gè)術(shù)語，即“節(jié)能性能”。通常，如果系統(tǒng)性能提高，其功耗也會(huì)提高，這反過來又會(huì)增加散熱。在較小的模塊中，散熱是設(shè)計(jì)人員每天都要應(yīng)對(duì)的令人頭疼的系統(tǒng)。冷卻模塊以使其能夠在散熱受限的環(huán)境中運(yùn)行通常會(huì)成為性能的瓶頸。

這篇博文重點(diǎn)介紹了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）如何通過為每個(gè)行業(yè)的許多新的大批量應(yīng)用提供高能效性能來實(shí)現(xiàn)下一代技術(shù)革命。小型攝像頭可用于許多不同的事情，例如運(yùn)行人工智能算法通過無人機(jī)圖像引導(dǎo)農(nóng)民，在零售連鎖店中提供視頻分析，計(jì)算運(yùn)輸中的乘客，以及在收費(fèi)站讀取車牌。在醫(yī)療領(lǐng)域，便攜式超聲機(jī)正在使該領(lǐng)域的護(hù)理服務(wù)民主化。內(nèi)窺鏡和手術(shù)輔助智能眼鏡為醫(yī)生提供比以往任何時(shí)候都更高分辨率的圖像。旨在保護(hù)邊境免受入侵者的基于熱成像的監(jiān)控系統(tǒng)也變得越來越智能。這些系統(tǒng)通常部署在遠(yuǎn)程位置，必須在保持隱藏的同時(shí)自主運(yùn)行。

即使是業(yè)余內(nèi)容創(chuàng)作者也在推動(dòng)對(duì)基于 FPGA 的流視頻轉(zhuǎn)換器的需求，因?yàn)樗麄冃枰x擇在 HDMI、SDI、USB 或 PCIe 等任何格式之間轉(zhuǎn)換 4K 視頻流。

工業(yè)自動(dòng)化還受益于基于 FPGA 的架構(gòu)的靈活性以及 Microchip FPGA 超過 20 年的使用壽命。如今，汽車中的駕駛員輔助系統(tǒng)可確保駕駛員和乘客在汽車中的安全。

FPGA架構(gòu)已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路。從在性能和功耗之間進(jìn)行選擇，到僅用作昂貴的ASIC的原型平臺(tái)，F(xiàn)PGA現(xiàn)在被認(rèn)為是主流，提供高度可靠和成本優(yōu)化的架構(gòu)，以及靈活易用的軟件。

讓我們來看看PolarFire FPGA或PolarFire? SoC及其硬化的RISC-V處理器系統(tǒng)發(fā)揮至關(guān)重要作用的各種示例用例。

1） 專業(yè)無人機(jī)

專業(yè)無人機(jī)對(duì)飛行安全有嚴(yán)格的要求：

精確控制和定位，包括防撞

安全的通信和控制頻率

可預(yù)測(cè)的飛行時(shí)間

為了在大型無人機(jī)市場(chǎng)取得成功，無人機(jī)制造商需要通過提供高分辨率成像和人工智能等附加功能來區(qū)分自己。無人機(jī)通常需要多個(gè)傳感器，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理或融合，并通過無線連接傳輸數(shù)據(jù)，使其成為復(fù)雜的系統(tǒng)。

應(yīng)用范圍非常廣泛，包括監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)中的作物健康和生長(zhǎng)狀態(tài)、物體檢測(cè)以及警務(wù)、軍事或消防部門或警察緊急情況下的遠(yuǎn)程判斷中的潛在跟蹤。

飛行控制電子設(shè)備必須能夠在尺寸、重量和功率受限的環(huán)境中處理電機(jī)控制和旋翼速度，與傳感器交互并與遠(yuǎn)程設(shè)備連接。

此類系統(tǒng)的框圖可能類似于以下內(nèi)容：

利用靈活的FPGA架構(gòu)，電機(jī)由磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法驅(qū)動(dòng)，由于FPGA的性能，控制可以時(shí)域多路復(fù)用。多個(gè)電機(jī)由一個(gè)通用電機(jī)控制 IP 控制，電機(jī)的確切數(shù)量取決于所選的 FPGA 架構(gòu)。

FOC的高精度允許電機(jī)上的恒定扭矩，從而更平穩(wěn)地運(yùn)行，振動(dòng)更少，噪音產(chǎn)生更少，最重要的是，與使用簡(jiǎn)單微控制器的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)控制器相比，飛行時(shí)間延長(zhǎng)了約10%或更多。

用于支持機(jī)器視覺等增強(qiáng)功能的其他接口（如視覺、運(yùn)動(dòng)或紅外傳感器）需要仔細(xì)考慮，并且歷來需要專業(yè)知識(shí)。Microchip的VectorBlox? SDK和矩陣處理器IP可幫助新手FPGA開發(fā)人員在FPGA結(jié)構(gòu)中部署復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。這允許以非常低的功耗封裝進(jìn)行分類或檢測(cè)。在這個(gè)加速器-IP上運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是使用TensorFlow或Caffe等標(biāo)準(zhǔn)框架設(shè)計(jì)的。

所有結(jié)果都緩沖在本地板載存儲(chǔ)器中，然后傳輸?shù)桨遢d無線模塊。這與接收收集的數(shù)據(jù)以供存儲(chǔ)和進(jìn)一步使用的操作員進(jìn)行通信。PolarFire 設(shè)備的一流安全功能可保護(hù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和無人機(jī)本身免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。

由于復(fù)雜的無人機(jī)架構(gòu)需要多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域、電機(jī)控制、飛行控制和成像，使用 FPGA 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)各個(gè)“任務(wù)”的并行運(yùn)行。

專業(yè)無人機(jī)系統(tǒng)通常需要在 5 瓦或更低的緊張功率預(yù)算下運(yùn)行。使用 PolarFire FPGA 管理多個(gè)應(yīng)用，預(yù)計(jì) FPGA 的功耗（包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行）將低于 1.5 W。

2） 便攜式超聲波

由于小型化的驅(qū)動(dòng)力，加上高能效的邊緣計(jì)算資源和增強(qiáng)的散熱考慮，低功耗醫(yī)學(xué)成像創(chuàng)新正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展。領(lǐng)先的是即時(shí)診斷，例如便攜式超聲設(shè)備，包括手持式換能器、讀取超聲數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)。傳輸可以通過簡(jiǎn)單的電纜或無線方式進(jìn)行。這些系統(tǒng)正在徹底改變和民主化事故現(xiàn)場(chǎng)事故現(xiàn)場(chǎng)急救人員的診斷能力，并幫助醫(yī)療專業(yè)人員在傳統(tǒng)醫(yī)院環(huán)境之外做出診斷決策。

以下框圖顯示了一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)：

在手持式醫(yī)療設(shè)備中利用 PolarFire FPGA 可提供最低的總系統(tǒng)功耗，從而實(shí)現(xiàn)高效的散熱，并保持換能器頭冷卻，允許直接接觸皮膚。這些效率在僅 11x11 mm2 的緊湊封裝尺寸中延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間，支持非常小的探頭外殼。

3） 視頻轉(zhuǎn)換器

另一個(gè)靈活性與低功耗和小物理占用空間相結(jié)合至關(guān)重要的領(lǐng)域是視頻轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。高性能專業(yè)相機(jī)通常提供單個(gè)數(shù)據(jù)接口，從而限制了支持該特定接口的后處理設(shè)備的選擇。視頻轉(zhuǎn)換器提供了與多個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)的橋梁，從而可以靈活地選擇后處理設(shè)備。由于眾多千兆位收發(fā)器支持多協(xié)議，支持高達(dá) 12.7 Gbps 的優(yōu)化線速，支持 HDMI、CoaXPress?、SDI 和以太網(wǎng)協(xié)議，因此性能不會(huì)受到影響。轉(zhuǎn)換器外形緊湊，不再需要散熱器和風(fēng)扇?；赑olarFire技術(shù)的視頻轉(zhuǎn)換器估計(jì)需要不到兩瓦的功耗。

下面是一個(gè)視頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)示例：

4） 工業(yè)自動(dòng)化

以兩種不同的用例為例，工業(yè)相機(jī)和可編程邏輯控制器（PLC）。

工業(yè)相機(jī)通常需要高幀率、高分辨率和小尺寸，這使得熱成像設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。得益于優(yōu)化的封裝布局和高效的熱特性，可以輕松應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。低靜態(tài)功耗使器件保持低溫，從而增強(qiáng)了熱管理設(shè)計(jì)考慮因素。分辨率不受影響，MIPI CSI-4接收器接口本地支持高達(dá)60.2 Gbps/線路，可以輕松處理高達(dá)1K和5幀/秒的圖像數(shù)據(jù)。

盡管作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，PLC在物理上更大，但它與相機(jī)一樣受到空間和功率的限制。

這些基于機(jī)架的系統(tǒng)是模塊化的，允許最終用戶定制他們的系統(tǒng)并提供標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱寬度。處理性能仍然是支持工業(yè)以太網(wǎng)、人機(jī)界面、電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器控制和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） 的必要條件。

下圖顯示了此類系統(tǒng)的通用框圖，映射到PolarFire SoC，這是第一個(gè)基于四核RISC-V處理器構(gòu)建的FPGA-SoC。PolarFire SoC 原生支持非對(duì)稱多處理 （AMP），以及向各個(gè)處理器固定、細(xì)粒度分配緩存方式。這種原生 AMP 支持允許多任務(wù)處理。例如，可以為工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧分配單個(gè)處理器內(nèi)核，而第二個(gè)內(nèi)核可以運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)。相應(yīng)的緩存是固定的，Linux 與其他硬件資源分離。此外，其他兩個(gè)可用內(nèi)核可用于處理電機(jī)控制或逆變器所需的算法。

同樣，低功耗在保持葉片模塊內(nèi)部電子元件的低溫方面起著重要作用，即使在環(huán)境溫度為60°C等具有挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中也是如此。

工業(yè)自動(dòng)化涵蓋了廣泛的應(yīng)用和要求。工業(yè)產(chǎn)品中常見的是需要提供20年或更長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)備支持和可用性。Microchip完全致力于滿足這一長(zhǎng)壽命要求，并通過強(qiáng)大的“供應(yīng)保證”計(jì)劃提供支持。

5） 汽車

當(dāng)今汽車市場(chǎng)中的許多不同的應(yīng)用都需要FPGA的靈活性，從LIDAR、成像雷達(dá)或攝像頭等傳感器到更隱藏的功能，例如通過高壓驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)高精度和緊密同步的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。一個(gè)新興的應(yīng)用是使用攝像頭進(jìn)行碰撞警告。這些攝像頭允許通過向駕駛員反饋來檢測(cè)危險(xiǎn)情況，或者還可以直接控制車輛，例如自動(dòng)激活制動(dòng)器。這些系統(tǒng)對(duì)功能安全、安保和低延遲處理有很高的要求，并能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)熱量和陽光引起的高溫環(huán)境中可靠運(yùn)行。

下圖顯示了使用 PolarFire MPF050T 的系統(tǒng)設(shè)置，安全元件以黃色繪制，安全元素以綠色繪制：

集成的安全非易失性存儲(chǔ)器 （sNVM） 允許存儲(chǔ)車隊(duì)密鑰，以便在車輛網(wǎng)絡(luò)中的攝像頭模塊內(nèi)進(jìn)行身份驗(yàn)證。接收到的圖像幀使用FPGA的并行特性在流模式下進(jìn)行處理，并額外提供額外的安全信息，如幀數(shù)和CRC，以實(shí)現(xiàn)通信的端到端保護(hù)。圖像數(shù)據(jù)的流處理避免了使用內(nèi)存中“凍結(jié)圖像”的危險(xiǎn)，并允許以固定的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行處理，直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)做出反應(yīng)的更多時(shí)間。根據(jù)確切的OEM要求，F(xiàn)PGA還提供了所需的靈活性，以支持與各種已建立的專有串行器的接口。

所有應(yīng)用程序共有，但上面未詳述的是將成功產(chǎn)品推向市場(chǎng)的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)因素。要考慮如何降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的客戶，并在實(shí)現(xiàn)利潤的同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)成本，需要仔細(xì)考慮您的系統(tǒng)架構(gòu)和供應(yīng)合作伙伴。全面的Microchip產(chǎn)品組合提供了全面的系統(tǒng)解決方案合作伙伴關(guān)系。受益于關(guān)鍵組件和參考設(shè)計(jì)解決方案，以降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和組件數(shù)量。設(shè)計(jì)人員還可以節(jié)省時(shí)間和金錢，因?yàn)榻鉀Q方案經(jīng)過交叉功能驗(yàn)證，并在許多情況下提供保修。

審核編輯：郭婷