Xilinx Zynq All Programmable SoC：Smarter Visi

Smarter網(wǎng)絡(luò)

大部分Smarter Vision系統(tǒng)都是局域網(wǎng)的組成部分，同時(shí)越來(lái)越多的這種系統(tǒng)依次連接到更大型的外部網(wǎng)絡(luò)。例如在汽車(chē)應(yīng)用中，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)CAN總線、LIN和FlexRay等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信。此外，通用汽車(chē)還為客戶(hù)提供OnStar無(wú)線導(dǎo)航、安全和車(chē)輛診斷服務(wù)，以便OnStar操作人員能夠接入車(chē)輛系統(tǒng)，診斷問(wèn)題。

與此形成鮮明對(duì)比的是，工業(yè)制造領(lǐng)域的每家廠商似乎都已開(kāi)發(fā)出自己的專(zhuān)有協(xié)議。但是在越來(lái)越多的行業(yè)中，客戶(hù)呼吁制造商提供的系統(tǒng)要能兼容標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。使用通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接和通信的系統(tǒng)，客戶(hù)便可更加方便地將新系統(tǒng)集成到自己的企業(yè)中，不必搭配和匹配多家廠商的系統(tǒng)，從而獲得更大的定價(jià)優(yōu)勢(shì)。但是加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)兼容性會(huì)使嵌入式視覺(jué)設(shè)計(jì)進(jìn)一步復(fù)雜化，因?yàn)橐曈X(jué)系統(tǒng)現(xiàn)在必須集成更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高速I(mǎi)/O，并能在協(xié)議變化或者新協(xié)議出現(xiàn)時(shí)更新系統(tǒng)。軟件可編程解決方案往往無(wú)法直接滿(mǎn)足這類(lèi)變化提出的性能要求，迫使客戶(hù)必須從其它廠商購(gòu)買(mǎi)新的系統(tǒng)。因此嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)必須擁有足夠的I/O靈活性，才能跟上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展變化。

賽靈思：為Smarter Vision而全力打造的All-Programmable

要全面快速推進(jìn)Smarter Vision技術(shù)的發(fā)展，滿(mǎn)足新市場(chǎng)的需求，就必須擁有一款極為靈活的處理平臺(tái)、豐富的資源組合以及致力于推進(jìn)Smarter Vision技術(shù)發(fā)展的可靠的生態(tài)系統(tǒng)。過(guò)去10年來(lái)，賽靈思器件在幫助有關(guān)公司推進(jìn)這些視覺(jué)系統(tǒng)創(chuàng)新方面一直發(fā)揮著重大作用。今天，賽靈思經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)5年的開(kāi)發(fā)，成功推出了一款完整的解決方案，將力助Smarter Vision應(yīng)用開(kāi)發(fā)商快速推出新一代創(chuàng)新技術(shù)。

10多年來(lái)，嵌入式視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)人員一直充分利用賽靈思FPGA的可編程性、并行計(jì)算功能和快速I(mǎi)/O功能，滿(mǎn)足一系列嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的需求。過(guò)去，設(shè)計(jì)人員用FPGA加速系統(tǒng)中可能拖慢主處理器的功能，或者用FPGA來(lái)運(yùn)行僅靠處理器不能執(zhí)行的并行計(jì)算任務(wù)。而現(xiàn)在，利用Zynq-7000 All Programmable SoC，嵌入式視覺(jué)技術(shù)開(kāi)發(fā)人員擁有了一款全面可編程的器件，非常適合開(kāi)發(fā)新一代Smarter Vision應(yīng)用。

賽靈思公司視頻技術(shù)工程設(shè)計(jì)總監(jiān)Jose Alvarez指出：“Smarter Vision技術(shù)能在同一開(kāi)發(fā)板上互聯(lián)傳輸?shù)牟煌幚砥骱虵PGA中實(shí)現(xiàn)，而Zynq-7000 All Programmable SoC為電子產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的高集成度。現(xiàn)在，我們能通過(guò)同一芯片上處理器和邏輯之間3,000個(gè)高性能連接以芯片速度而不是板級(jí)速度在智能處理器和FPGA邏輯之間交換信息。”

下圖顯示出Zynq-7000 All Programmable SoC在多功能汽車(chē)駕駛員輔助系統(tǒng)創(chuàng)建中相對(duì)于采用傳統(tǒng)多攝像頭多芯片架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。在賽靈思架構(gòu)(見(jiàn)圖中左下方)，將一組攝像頭連接到一個(gè)Zynq-7000 All Programmable SoC，能支持盲區(qū)檢測(cè)、360度環(huán)繞視圖、車(chē)道偏移報(bào)警和行人檢測(cè)等功能捆綁。相反，現(xiàn)有的多功能DA系統(tǒng)需要多個(gè)芯片和多個(gè)攝像頭，這就會(huì)讓集成更復(fù)雜化，對(duì)性能和系統(tǒng)功耗造成不利影響，也提高了BOM成本。

一些芯片廠商提供的ASSP將ARM處理器與DSP或GPU搭配一起使用，但這種器件過(guò)于僵化，而且針對(duì)今天許多Smarter Vision應(yīng)用而言計(jì)算性能也不夠高?；谶@種器件的解決方案往往需要添加獨(dú)立的FPGA來(lái)彌補(bǔ)自身的不足。

Zynq-7000 All Programmable SoC相對(duì)于以GPU和DSP為中心的SoC而言，其主要優(yōu)勢(shì)就是具有的可編程性和高性能。ARM處理系統(tǒng)具有軟件可編程性，F(xiàn)PGA邏輯可通過(guò)HDL或C++編程，甚至I/O也是全面可編程的。這樣，客戶(hù)就能創(chuàng)建出適合其特定的應(yīng)用極高性能Smarter Vision系統(tǒng)，并讓其系統(tǒng)從競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品中脫穎而出。

下圖詳細(xì)給出了Smarter Vision系統(tǒng)的一般信號(hào)流程，從中可以看出Zynq All Programmable SoC相對(duì)于基于ARM和DSP以及基于ARM和GPU的ASSP解決方案的優(yōu)勢(shì)。

流程中的第一個(gè)信號(hào)處理模塊(綠色)是連接器件到攝像頭感應(yīng)器的輸入。在Zynq-7000 All Programmable SoC中，開(kāi)發(fā)人員可讓多種不同I/O信號(hào)適應(yīng)于客戶(hù)連接的任何攝像頭需要。下一個(gè)信號(hào)處理模塊執(zhí)行像素級(jí)處理或視頻處理工作(具體取決于應(yīng)用是面向圖形處理還是顯示)。再下一個(gè)模塊執(zhí)行圖像分析功能，這是一個(gè)計(jì)算密集型任務(wù)，通常需要并行計(jì)算，而這則是FPGA最擅長(zhǎng)的任務(wù)。接下來(lái)3個(gè)模塊(紅色)分別代表處理系統(tǒng)獲得分析所得的元數(shù)據(jù)結(jié)果、創(chuàng)建圖形化結(jié)果表達(dá)(在圖像步驟顯示)，以及對(duì)結(jié)果進(jìn)行編碼用于傳輸。在Zynq-7000 All Programmable SoC中，處理子系統(tǒng)和FPGA邏輯協(xié)同工作。如果需要壓縮，F(xiàn)PGA邏輯會(huì)直接采用適當(dāng)?shù)木幗獯a器。在接下來(lái)最后一個(gè)信號(hào)處理模塊(標(biāo)為“輸出”)中，Zynq-7000 SoC的可編程I/O可讓開(kāi)發(fā)人員滿(mǎn)足多種不同通信協(xié)議和視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)的要求，有的是廠商專(zhuān)有標(biāo)準(zhǔn)，有的是特定市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，還有的則是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議。與此形成對(duì)比的是，當(dāng)開(kāi)發(fā)人員采用以DSP和GPU為中心的SoC開(kāi)發(fā)算法時(shí)，可能ASSP中的DSP或GPU難以提供所需的性能。為了彌補(bǔ)這種性能不足，開(kāi)發(fā)人員往往還要在系統(tǒng)中采用獨(dú)立的FPGA。

Zynq-7000 All Programmable SoC顯然是開(kāi)發(fā)Smarter視覺(jué)系統(tǒng)的最佳芯片選擇，而賽靈思在該器件開(kāi)發(fā)的早期階段就認(rèn)識(shí)到，應(yīng)當(dāng)對(duì)編程進(jìn)行優(yōu)化，特別是對(duì)那些比較習(xí)慣用C和C++開(kāi)發(fā)視覺(jué)算法的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)更應(yīng)該優(yōu)化編程方法。為此，賽靈思于2012年6月向客戶(hù)推出了一款最先進(jìn)的軟件環(huán)境：Vivado設(shè)計(jì)套件，其包含有業(yè)界一流的高層次綜合等多項(xiàng)技術(shù)。賽靈思于2011年1月收購(gòu)AutoESL獲得了這種高層次綜合技術(shù)。Vivado HLS特別適用于嵌入式視覺(jué)應(yīng)用。比方說(shuō)，如果視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員用Zynq-7000 All Programmable SoC開(kāi)發(fā)的C或C++語(yǔ)言算法運(yùn)行速度不夠快，或者給處理系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)重負(fù)擔(dān)，那么這些開(kāi)發(fā)人員就能把C算法提交給Vivado HLS，并將這些算法綜合成Verilog或VHDL，然后在器件的FPGA邏輯中運(yùn)行。這就能將Zynq-7000 All Programmable SoC上的處理子系統(tǒng)解放出來(lái)，讓它從事更適合自己的任務(wù)，從而加速整體系統(tǒng)性能。賽靈思還推出了OpenCV(CV就是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的縮寫(xiě))庫(kù)，讓進(jìn)一步完善了Smarter Vision技術(shù)。