基于FPGA的設(shè)計(jì)解決物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的核心挑戰(zhàn)

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)已成為一個(gè)廣受歡迎的名詞，幾乎每一個(gè)電子設(shè)備相互連接到互聯(lián)網(wǎng)上加以使用，都被大家稱為物聯(lián)網(wǎng)。它包含了一個(gè)從智能家電、汽車到可穿戴設(shè)備相關(guān)的各種應(yīng)用程序列表，并且這一列表仍在持續(xù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。但這種增長(zhǎng)卻恰恰帶來(lái)了它的實(shí)戰(zhàn)挑戰(zhàn)，需要找到解決方案。

智能，連接的設(shè)備，和物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)，他們正在幫助創(chuàng)造，致力于改變?nèi)粘Ｉ?。?duì)于個(gè)別的消費(fèi)者，可能意味著使設(shè)備更有效和成本效益的日常任務(wù)，讓他們更安全，甚至有助于確保他們過(guò)上更健康的生活。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)的承諾技術(shù)在自動(dòng)化、能源效率、資產(chǎn)跟蹤和庫(kù)存控制、運(yùn)輸和位置、安全、個(gè)人跟蹤和節(jié)能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

但要實(shí)現(xiàn)將百億量級(jí)設(shè)備組成物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)師必須克服重大的實(shí)戰(zhàn)挑戰(zhàn)。其中的一些關(guān)鍵，例如提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能源效率，處理不兼容的接口，以及提供一個(gè)處理增長(zhǎng)路徑來(lái)處理不可避免的設(shè)備性能增長(zhǎng)要求。一個(gè)基于FPGA的設(shè)計(jì)方法可以幫助解決這些挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：能源效率

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)強(qiáng)大的概念，有希望如字面所述改變社會(huì)生活和工作的能力。事實(shí)上，目前很多領(lǐng)域都正在向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，這將使很多物(things)看起來(lái)與今天大不相同，從消費(fèi)者的角度考慮只是其中的一部分。例如，可穿戴設(shè)備像耐克FuelBand常常需要八九個(gè)組件，包括處理器、無(wú)線模塊、存儲(chǔ)器、顯示器、八個(gè)傳感器和一個(gè)USB接口。在接下來(lái)的幾年中，組件數(shù)量可能會(huì)下降，但三或四個(gè)剩余的組件的復(fù)雜性和晶體管數(shù)量將迅速增長(zhǎng)，因?yàn)楦嗟膬?nèi)存和處理能力是必需的，并相應(yīng)的讓屏幕分辨率和亮度增加。實(shí)現(xiàn)能源效率使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在單電池下運(yùn)行多年，不是一件容易的事。它要求使用低功率元件和更有效的電力系統(tǒng)。而且，它將需要在架構(gòu)和芯片級(jí)的相應(yīng)改善。

如今，幾乎每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)重點(diǎn)都集中在確保它是盡可能高效節(jié)能的(圖1)。例如，對(duì)于一個(gè)智能手機(jī)，這可能意味著(比現(xiàn)在的)好得太多，但這不會(huì)在一夜之間發(fā)生。相反，它會(huì)分別反應(yīng)在幾代的產(chǎn)品中，一步一步地優(yōu)化。而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在每個(gè)層面都應(yīng)該首先保證能源效率。

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都需要“永遠(yuǎn)在線”。最簡(jiǎn)單的例子，物聯(lián)網(wǎng)終端處于待機(jī)模式，等待一些人的互動(dòng)來(lái)喚醒它。然而，如果一個(gè)活動(dòng)的處理器被用來(lái)監(jiān)視用戶交互設(shè)備，該設(shè)備將消耗大量的功率。主處理器，在無(wú)線模塊中的處理器核心，和顯示一樣是能耗最大的消費(fèi)者。因此在物聯(lián)網(wǎng)終端，必須采用最獨(dú)特的方案，最小化功耗的需求。

有一個(gè)可提供“永遠(yuǎn)在線”的解決方案，使用一個(gè)小的、低功耗的FPGA監(jiān)測(cè)傳感器、按鈕、甚至語(yǔ)音命令。處理器、無(wú)線模塊，顯示待機(jī)模式，直到FPGA決定用戶的需要“喚醒”終端提供服務(wù)。除了低功耗，這種架構(gòu)不同于其他模式狀態(tài)下電源管理，其他設(shè)備實(shí)際上是在線或關(guān)閉，而它則是休眠或部分喚醒，使處理器能夠動(dòng)態(tài)地從一個(gè)階段到另一個(gè)。這種方法顯著的節(jié)省了功率，從而獲得了更長(zhǎng)的電池壽命、更長(zhǎng)的顯示壽命和較低的熱輻射。

圖1 監(jiān)測(cè)傳感器工作而處理器休眠

挑戰(zhàn)2：不兼容的接口

任何物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都包含幾個(gè)具有獨(dú)特功能的子系統(tǒng)。根據(jù)需求，每個(gè)子系統(tǒng)都有許多不同的組件選項(xiàng)。然而，在許多情況下，設(shè)計(jì)師只能被迫選擇完全基于接口兼容性的組件。

例如，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心，可以改變處理器的分配，但在時(shí)間和人力資源上，由于需要重構(gòu)代碼，配合新的功能，需要非常昂貴的測(cè)試和認(rèn)證。然而，如果你想換一個(gè)新的無(wú)線模塊，因?yàn)樗阋嘶蛴幸恍┬碌墓δ?，但它需要使用一個(gè)新的串行接口，您的處理器不能支持，選擇改變你的處理器，還是找一個(gè)解決方案，以低成本的維持這兩個(gè)接口，并且不增加原的容量?幸運(yùn)的是，有一個(gè)解決方案：使用一個(gè)非常小的、低成本FPGA橋接接口。

現(xiàn)階段我們擁有許多不同接口的橋接參考設(shè)計(jì)。這些基于FPGA的解決方案，如圖像傳感器接口，處理器不支持SubLVDS、CSI-2、或HiSPi，或一個(gè)處理器只有一個(gè)視頻輸出顯示的低成本實(shí)現(xiàn)SPI。FPGA能夠解決這個(gè)問題，仍然保持著節(jié)約成本和形成因素。在圖2中看到一些例子，通過(guò)以下5。

圖2 -嵌入式圖像傳感器和應(yīng)用處理器橋

圖3–連接一個(gè)低分辨率的相機(jī)處理器的SPI端口

圖4 -轉(zhuǎn)換顯示接口

圖5處理器空閑到低功耗的刷新屏幕

挑戰(zhàn)3：適應(yīng)增長(zhǎng)需求遷移到一個(gè)新的處理器

俗話說(shuō)，唯一不變的是變化。這是相當(dāng)真實(shí)的，在所有的電子產(chǎn)品，包括那些涉及物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品。大多數(shù)電子產(chǎn)品的這種變化是添加劑的性質(zhì)-增加新的功能，新的接口，更多的內(nèi)存，更大的顯示器，改進(jìn)的無(wú)線模塊，和新的傳感器。這樣的遷移從一代一代產(chǎn)品家族往往需要遷移到一個(gè)更大的、更強(qiáng)大的處理器，以容納額外的iOS，更高的帶寬，和新的接口標(biāo)準(zhǔn)。

然而，有另一個(gè)選擇——FPGA處理器。一種低成本的FPGA可以用來(lái)增加和補(bǔ)充許多處理器的要求，使設(shè)計(jì)人員能夠保持現(xiàn)有的處理器同時(shí)盡量減少影響到固件。這伙伴FPGA可以擴(kuò)大iOS的數(shù)量，控制一種新的指令，新的串行接口標(biāo)準(zhǔn)的橋梁，或添加更多的傳感器，通過(guò)擴(kuò)展I2C和SPI串行端口。這里有一些圖6和圖7的例子。

圖6–處理器擴(kuò)展為DDR3，LED顯示

圖7–擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用SGMII處理器

結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的發(fā)展，我們將面臨大量智能的、獨(dú)特的互聯(lián)設(shè)備的挑戰(zhàn)。這些主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括能源效率、在不同的接口之間的互操作性和新的處理器的兼容性。然而，解決最常見的設(shè)計(jì)問題可以用可編程邏輯器件如FPGA解決，它提供了一個(gè)成本低、體積小、低功耗和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案的理想選擇。