嵌入式計算技術(shù)的進(jìn)步，正在以前所未有的程度影響和改變著我們的生活，嵌入式系統(tǒng)盡管不是“無處不在”，但也已經(jīng)是廣泛應(yīng)用于航天航空、智能交通、網(wǎng)絡(luò)、電子、通訊、儀器儀表、工業(yè)自動控制等領(lǐng)域。據(jù)IDC調(diào)查，目前全球嵌入式產(chǎn)業(yè)的智能設(shè)備和智能系統(tǒng)每年有23%的年復(fù)合增長率，持續(xù)到2020年將會達(dá)到250億臺的市場份額。

鑒于嵌入式系統(tǒng)的各個應(yīng)用領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，為應(yīng)對這一市場需求，并期望加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程，日前賽靈思公司（Xilinx）面向全可編程SoC和MPSoC推出了一款軟件定義SoC的開發(fā)環(huán)境SDSoC。這款開發(fā)環(huán)境極大地簡化了SoC的編程體驗，讓嵌入式控制領(lǐng)域的系統(tǒng)架構(gòu)師和軟件工程師可以利用C/C++來同時做算法和功能的開發(fā)，并且在基礎(chǔ)的硬件平臺搭建好之后，便可以自由發(fā)揮，不再需要去求助于硬件工程師。這對于嵌入式軟件工程師開發(fā)SoC應(yīng)用來說無異于開發(fā)利器，對于整體的產(chǎn)品開發(fā)而言，亦可極大的加快開發(fā)進(jìn)程。

而據(jù)賽靈思全球銷售與市場亞太區(qū)副總裁楊飛先生透露，賽靈思一直以來都非常關(guān)注嵌入式領(lǐng)域，之前在這一領(lǐng)域也投入了很多，有一系列的相關(guān)產(chǎn)品推出，在嵌入式領(lǐng)域有很多應(yīng)用。而自賽靈思公司全球總裁兼CEO Moshe Gavrielov提出All Programmable Imperative（全可編程勢在必行）的行業(yè)趨勢后，我們便一直在引領(lǐng)這個趨勢——首先是取代標(biāo)準(zhǔn)芯片和定制芯片，其次是進(jìn)入更廣闊的嵌入式應(yīng)用藍(lán)海。



圖1：賽靈思全球銷售與市場亞太區(qū)副總裁楊飛

當(dāng)前，激烈的市場競爭和技術(shù)競爭，要求產(chǎn)品的開發(fā)周期越來越短，顯然，嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)和開發(fā)手段，正日益受到重視，成為各領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。那么，如何才能夠在激烈的競爭中脫穎而出？怎樣才能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的快速開發(fā)？怎么樣才能讓更多的人更便捷的使用賽靈思的產(chǎn)品呢？為此，賽靈思推出了SDx的戰(zhàn)略。



圖2：SDx三大法寶將FPGA運用拓展到軟件工程師人群。

據(jù)我們了解，賽靈思自2014年4月開始先后發(fā)布了三款面向軟件和系統(tǒng)工程師的軟件定義開發(fā)環(huán)境SDx，首先是針對網(wǎng)絡(luò)推出的SDnet（“軟件”定義網(wǎng)絡(luò)）。SD net是針對網(wǎng)絡(luò)推出的設(shè)計環(huán)境，也是對無線和有線領(lǐng)域設(shè)計的，它使得無線和有線的人群也能夠進(jìn)行創(chuàng)新；能夠讓廠商用行為模型級的描述，把通信系統(tǒng)迅速實現(xiàn)出來。其次是11月份針對數(shù)據(jù)中心推出的SDAccel（軟件定義加速器），SDAccel使得數(shù)據(jù)中心的軟件設(shè)計人員也能夠應(yīng)用。在數(shù)據(jù)中心里要解決性能和功耗的問題，有很多應(yīng)用場景要通過X86加FPGA的加速處理能力來做加速算法，SDAccel可以協(xié)助軟件工程師把創(chuàng)意快速實現(xiàn)到整個X86和FPGA的流程中。

而此次推出的針對嵌入式設(shè)計SoC應(yīng)用的SDSoC（軟件定義SoC）意義更大，因為嵌入式控制無處不在，很多系統(tǒng)的設(shè)計和創(chuàng)新都是基于SoC平臺進(jìn)行設(shè)計的。這款設(shè)計環(huán)境將能使軟件工程師也能夠做硬件工程師的工作，能夠利用SDSoC進(jìn)行更多的創(chuàng)新，帶來更大的影響力。



圖3：全可編程SoC和MPSoC通過軟件、硬件和I/O 可編程性實現(xiàn)高度的靈活性

面向全可編程SoC和MPSoC的SDSoC™ 開發(fā)環(huán)境作為賽靈思SDx™系列開發(fā)環(huán)境的第三大成員，SDSoC開發(fā)環(huán)境讓更廣闊的系統(tǒng)和軟件開發(fā)者群體也能獲益于“全可編程”SoC和MPSoC器件的強大優(yōu)勢。SDSoC環(huán)境可提供大大簡化的類似ASSP的編程體驗，其中包括簡便易用的Eclipse集成設(shè)計環(huán)境（IDE）以及用于異構(gòu)Zynq® 全可編程SoC和MPSoC部署的綜合開發(fā)平臺。SDSoC結(jié)合使用業(yè)界首款C/C++全系統(tǒng)優(yōu)化編譯器，可提供系統(tǒng)級特性描述、利用可編程邏輯實現(xiàn)軟件自動加速、自動系統(tǒng)連接生成，以及各種庫以加速編程工作。此外，它還能幫助最終用戶和第三方平臺開發(fā)人員快速定義、集成和驗證系統(tǒng)級解決方案，并可通過定制編程環(huán)境為最終客戶提供支持。

打破軟件工程師的創(chuàng)新限制

我們知道，嵌入式系統(tǒng)是軟硬結(jié)合的東西，涉及的層面比較多，流程復(fù)雜，這極大限制的開發(fā)設(shè)計進(jìn)程。比如偏硬件專業(yè)出身的人，他們主要是搞硬件設(shè)計，有時要開發(fā)一些與硬件關(guān)系最密切的最底層軟件，如BootLoader、Board Support Package（像PC的BIOS一樣，往下驅(qū)動硬件，往上支持操作系統(tǒng)），最初級的硬件驅(qū)動程序等。他們的優(yōu)勢是對硬件原理非常清楚，他們更擅長定義各種硬件接口，但對復(fù)雜軟件系統(tǒng)往往力不從心（例如嵌入式操作系統(tǒng)原理和復(fù)雜應(yīng)用軟件等）。另一類是軟件專業(yè)出身的人，主要從事嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的開發(fā)。軟件專業(yè)的人對硬件原理和接口通常難以有較好的掌握，最多也只能寫部分BSP和硬件驅(qū)動程序。嵌入式硬件設(shè)計完后，各種功能就全靠軟件來實現(xiàn)，嵌入式設(shè)備的增值很大程度上取決于嵌入式軟件。

楊飛先生表示，很多公司在人員配備上也是偏軟件，但是嵌入式本身所特有的軟硬結(jié)合特性，使得硬件基礎(chǔ)是不可或缺的，這是一大限制條件?，F(xiàn)階段，很多智能系統(tǒng)的智能性是有賴于里頭的硬件，但更多的是上面的應(yīng)用軟件，包括它的一些算法，用軟件和算法來實現(xiàn)智能性。所以我們想通過SDSoC這個開發(fā)環(huán)境，讓做軟件的人員直接參與到產(chǎn)品的設(shè)計中來，這樣就可以把軟件人員的創(chuàng)意通過這個工具很快的把創(chuàng)意實現(xiàn)，變成一個真實的產(chǎn)品。這就是為什么我們要做SDSoC這個開發(fā)環(huán)境的最主要的理由，面向全可編程SoC和MPSoC的SDSoC 開發(fā)環(huán)境使得軟件工程師可以在基礎(chǔ)的硬件平臺充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新思路，而不需要時刻都去尋求硬件工程師的配合。

SDSoC是在設(shè)計方法論上的一大創(chuàng)新，它使得軟件工程師和所有熟悉SDSoC環(huán)境的工程師可以有效地把FPGA給利用起來，SDx開發(fā)環(huán)境的推出，也是賽靈思認(rèn)為很重要的一個策略方向，因為如果沒有相關(guān)的設(shè)計方法論，整個設(shè)計進(jìn)程和生產(chǎn)力就達(dá)不到用戶想要的效果，簡單而熟悉的軟件開發(fā)環(huán)境使得系統(tǒng)和嵌入式軟件工程師有類似ASSP的編程體驗。[!--empirenews.page--]



圖4：SDSoC開發(fā)環(huán)境與軟件工程師習(xí)慣開發(fā)的ASSP完全相同，可以用C/C++來做算法和功能的開發(fā)。

工程師在做嵌入式設(shè)計的時候，可以用不同的方法論來解決相關(guān)問題——可以用CPU解決，也可以用ASSP來解決。CPU是純軟件編程的技術(shù)，有很多人會寫C代碼，因此CPU利用起來是比較靈活的。標(biāo)準(zhǔn)的ASSP是基于ARM和硬加速內(nèi)核設(shè)計的，沒有CPU這么靈活，但是也比較簡單、比較容易。全可編程SoC性能很高、功能很好，但是其局限性是對硬件描述語言有認(rèn)識的工程師才能開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。因此，其以前的應(yīng)用環(huán)境沒有CPU的開發(fā)環(huán)境這么好，賽靈思推出的SDSoC就改變了這一現(xiàn)狀。

據(jù)楊飛先生強調(diào)，SDSoC跟其他習(xí)慣開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)器件是一模一樣的，可以用C/C++來做算法和功能的開發(fā)。它提供的系統(tǒng)級的特性描述功能可以做一些描述，比如有哪些函數(shù)希望用硬件來做，有哪些是希望用處理器來做，其中可以設(shè)計一些加速用的C和C++函數(shù)，最后是一個全系統(tǒng)優(yōu)化的編譯器。我們這次做的工作就是克服業(yè)界出現(xiàn)的問題，把整個SoC和MPSoC產(chǎn)品的開發(fā)環(huán)境做成跟平時習(xí)慣開發(fā)ASSP的軟件工程師所習(xí)慣的環(huán)境，這樣可以拉齊跟它們開發(fā)的關(guān)系。

值得一提的是，目前賽靈思SDK的高級軟件系統(tǒng)描述功能可對Zynq平臺上運行的完整設(shè)計進(jìn)行軟硬件性能測量，SDSoC以此為基礎(chǔ)，可以快速估算系統(tǒng)性能。不僅僅是具備系統(tǒng)級的特性描述，SDSoC還可針對ARM處理器和可編程邏輯提供全系統(tǒng)優(yōu)化的編譯器。SDSoC通過自動化系統(tǒng)連接生成功能可支持軟件團(tuán)隊快速配置、生成宏/微架構(gòu)，從而提供最佳的系統(tǒng)連接和存儲器接口，并以更短的設(shè)計迭代時間實現(xiàn)對性能、吞吐量和延遲的快速系統(tǒng)探索。



圖5：全系統(tǒng)優(yōu)化的編譯器

SDSoC支持創(chuàng)建完整的異構(gòu)多處理系統(tǒng)，包括將傳統(tǒng)HDLIP模塊重復(fù)用作可用C語言調(diào)用的庫。傳統(tǒng)的分別以硬件和軟件為中心、彼此分離的流程可能導(dǎo)致開發(fā)延遲、系統(tǒng)架構(gòu)和性能的不確定性，與傳統(tǒng)不同，SDSoC經(jīng)過精心架構(gòu)設(shè)計，可提供快速系統(tǒng)特性描述、利用可編程邏輯實現(xiàn)軟件加速，以及在熟悉的框架中進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)探索。

楊飛先生透露，有了硬件跟軟件的整體化、全系統(tǒng)化優(yōu)化的過程，跟純軟件的設(shè)計來比，整個性能可以提升一百倍以上。為了加快開發(fā)的進(jìn)度，賽靈思還提供了很多庫，有賽靈思的庫，還有其他第三方的庫。有DSP、視頻的、定點、線性代數(shù)、BLAS、openCV的算法，你不需要現(xiàn)做很多計算，有很多現(xiàn)成的庫可以利用。

SDSoC是一個綜合的開發(fā)環(huán)境。接下來，賽靈思還將在該開發(fā)環(huán)境下，陸陸續(xù)續(xù)地提供一些針對某些特定應(yīng)用場景的工具，即瞄準(zhǔn)特定應(yīng)用場景的庫和支持。比如做視頻、做圖像、做軟件無線電等相關(guān)應(yīng)用的場景，賽靈思將會推出相關(guān)的配套元素。



聚焦領(lǐng)域：圖像、視頻、SDR

最后我們可以來看看現(xiàn)場的演示和合作伙伴的態(tài)度，從中我們可以一窺究竟。

賽靈思亞太地區(qū)Zynq業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理羅霖先生演示的例子是視頻監(jiān)控——對前后兩人的圖像分別做一次濾波；然后把這兩幅圖像相減，得到一個差分圖像；再做一次中值濾波，合并輸出。在整個畫面上如果有運動物體的話，可以用紅線把邊緣勾勒出來。整個開發(fā)的例子是C代碼和SDSoC開發(fā)工具。整個設(shè)計，包括優(yōu)化多次迭代，在兩個禮拜內(nèi)就能完成；過去做完優(yōu)化可能需要兩個月的時間。因此，這樣對大家的生產(chǎn)力是一個極大的提高。



圖6：賽靈思亞太區(qū)Zynq業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理羅霖詳細(xì)展示了面向系統(tǒng)架構(gòu)師和平臺開發(fā)人員的生產(chǎn)力優(yōu)勢

最后，在演示效果時，羅霖先生對著攝像頭揮手，詳細(xì)講解到：“如果我不動，我手上是沒有這個紅色的邊緣；如果我手稍微動一下，我手運動的輪廓都會有紅色的邊緣出來?，F(xiàn)在這是硬件演示效果，大家可以看到非常流暢，是實時的。下面來看一下軟件的效果。軟件特別卡，一秒鐘大概可以做到還不到一幀，非常不流暢。而硬件可以做到每秒60幀，就是可以看到系統(tǒng)的性能通過我們的SDSoC工具可以完全釋放出來，有上百倍性能的提升。同時，在開發(fā)效率方面，可能過去要用兩個月做的事情，現(xiàn)在用兩個星期就可以做完。這就是SDSoC給開發(fā)者帶來的價值。我們提供給軟件工程師一個他們非常熟悉、非常易用的開發(fā)工具，這樣他們能從第一天就上手，可以做SDSoC的開發(fā)。同時，他不用管上面的硬件細(xì)節(jié)，他只專注于他本身的算法和核心技術(shù)的開發(fā)。這樣對于他來說，可以充分釋放他的想象力跟創(chuàng)造力，打造出非常差異化的產(chǎn)品。”

通過這個演示我們可以看得到純軟件和硬件加速的效果差別，而且整個流程做起來也是比較簡單的，非常有利于加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。

據(jù)羅霖先生透露，在圖像與視頻的相關(guān)應(yīng)用場景里，諸如智能視頻監(jiān)控、車牌識別等，都非常有優(yōu)勢，而且已經(jīng)有相關(guān)的合作客戶在大量使用，包括SDR這幾大類是目前的重點方向。

在加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程方面，羅霖先生還表示，SDSoC目前支持的主流操作系統(tǒng)有Linux、FreeRTOS和裸機(jī)三種，今后賽靈思還會繼續(xù)增加操作系統(tǒng)列表。過去如果你用Zynq，光是把linux弄到Zynq上就需要很長時間?，F(xiàn)在不需要擔(dān)心要驅(qū)動任何程序，在這一部分就節(jié)省了大量的時間。

據(jù)悉，賽靈思SDSoC目前已有一些和客戶合作的成功案例。賽靈思與ADI公司合作開發(fā)了一款Zynq SDR系統(tǒng)開發(fā)套件，通過SDSoC的開發(fā)環(huán)境，可以很快地把SDR平臺的開發(fā)做出來。

另外一家做醫(yī)療和無人機(jī)開發(fā)的公司叫Van Gogh Imaging，目前正在做3D計算機(jī)視覺的開發(fā)。ARM架構(gòu)在智能性視覺方面優(yōu)勢很大，因為其中有算法和很高的數(shù)據(jù)帶寬，通過硬加速可以做到很高性能的視頻分析。有了SDSoC，在一個月之內(nèi)就能把3D對象識別從概念變成現(xiàn)實的加速Zynq設(shè)計。

DAVE也是做嵌入式系統(tǒng)的公司，該公司的BORA模塊采用賽靈思Zynq-7000 SoC，非常適用于醫(yī)療器械、高級通信系統(tǒng)、關(guān)鍵實時操作和安全等高端應(yīng)用。該公司利用SDSoC將Zynq SoC運用在一些醫(yī)療器械里，也是用很短的時間就把這些事情給做了出來。