嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度及其具備的功能正在進(jìn)入一個新階段。即使是對于大多數(shù)人認(rèn)為相對簡單的系統(tǒng)，也需要更復(fù)雜的控制來保持其在市場中的地位。開發(fā)團(tuán)隊在選擇硬件平臺時需要考慮采用的標(biāo)準(zhǔn)，上述復(fù)雜性則對此產(chǎn)生了連鎖反應(yīng)。

我們可以在許多領(lǐng)域看到這種效果，這里僅以一個安全系統(tǒng)為例。表面上看，兩個電子門鎖可能看起來同樣簡單，但是它們所包含的功能卻有很大差異。傳統(tǒng)的設(shè)計采用一個相對簡單的微控制器（MCU），并與外圍設(shè)備接口，用于讀取電子鑰匙卡（采用磁條或通過NFC原理）。這種類型的系統(tǒng)將被那些更先進(jìn)和更加智能化的設(shè)計所取代，未來的設(shè)計將具有更多的功能，包括基于人臉、指紋或語音的識別技術(shù)，甚至是利用這些生物特征的可能組合。

對于智能門鎖，其核心功能和邏輯保持不變，即只有在鑰匙（以任何形式）出現(xiàn)時才能打開門，但其設(shè)計所需的復(fù)雜程度要高得多。而且必須指出的是，設(shè)計仍然需要考慮成本和功率的限制。這種更高級的鎖可能需要從攝像頭獲取輸入信息，甚至可能還需要麥克風(fēng)和指紋讀取器，具體取決于使用多少生物特征識別選項。高性能數(shù)字信號處理（DSP）用來處理來自這些設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)，并可以智能地處理每個數(shù)據(jù)流。

在軟件級別，現(xiàn)在已有大量的資源來幫助實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計，許多設(shè)計師使用高性能ARM內(nèi)核來處理高級軟件。執(zhí)行人臉和指紋識別的圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)程序庫可用于各種平臺，其中包括基于德州儀器Sitara系列的DSP內(nèi)核以及ARM內(nèi)核。 OpenCV圖像處理程序庫即是一個例子。Debian等Linux版本則可為開發(fā)和運(yùn)行時間執(zhí)行提供了一個方便的環(huán)境，能夠訪問多種編程語言（從Python到C++）。

雖然C和C++是嵌入式系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)程序語言，但Python卻能夠提供許多顯著的優(yōu)勢。例如，Numpy程序庫擁有廣泛的函數(shù)組合，支持與復(fù)雜機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用相關(guān)的多維矩陣和數(shù)組所需的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算。因此，能夠為軟件原型設(shè)計提供一個更簡單的流程。然而，對于從門鎖到工業(yè)電機(jī)控制器等所有嵌入式應(yīng)用，滿足實(shí)時要求的能力至關(guān)重要。

傳統(tǒng)上，為MCU設(shè)計的操作系統(tǒng)已針對軟件實(shí)時功能進(jìn)行了優(yōu)化，但是大多數(shù)Linux版版卻不是這樣。 Linux有其實(shí)時性，但通常無法訪問軟件工程師想要使用的程序庫，而這卻是多核方案的有用之處。例如，Sitara系列不僅提供能夠運(yùn)行確定性算法的DSP，還包括了高速可編程實(shí)時單元（PRU），能夠獨(dú)立地于主要面向Linux的ARM處理器內(nèi)核而運(yùn)行。

選擇適當(dāng)?shù)挠布灿兄诳刂颇繕?biāo)設(shè)計的能效。以門鎖為例，一種可能的情形是，即使門前沒有人，處理器也會持續(xù)處理其輸入，對于需要全天候運(yùn)行的設(shè)備，這種方案無疑非常耗電。相反，如果增加一個接近傳感器，則可以提醒核心處理器應(yīng)該檢查附近范圍內(nèi)是否有人，并相應(yīng)地激活攝像頭。

開發(fā)人員可能希望嘗試不同的選項。一種方案是簡單的接近傳感器，只能確定是否存在足夠高度的物體。另一種方案是采用熱電傳感器，接近的人會發(fā)出紅外輻射，熱電傳感器接收到這種輻射后將產(chǎn)生電壓。開發(fā)人員針對這些開發(fā)所需要的是一個原型設(shè)計環(huán)境，能夠支持輕松地切換I/O。

Beagleboard和Beaglebone 都是非常受歡迎的原型設(shè)計平臺，其中Beaglebone特別適用于空間受限的應(yīng)用，例如需要嵌入到門內(nèi)或門框架的鎖等等。通過附加的Click板，可以直接為執(zhí)行器安裝不同的傳感器和控制器，包括熱電傳感器和麥克風(fēng)等各種器件。

相較于采用較簡單MCU器件用戶可用的選擇，進(jìn)行更高性能嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計時遇到的問題傳統(tǒng)上則更加困難。雖然這些器件本身可以適應(yīng)Beaglebone主板的尺寸要求，但設(shè)計高性能多核處理器要比傳統(tǒng)處理器困難得多。如果市場上有現(xiàn)成的主板，并帶有所需的SoC，對于初始原型設(shè)計應(yīng)該沒有問題，但如果系統(tǒng)設(shè)計是針對制造而進(jìn)行優(yōu)化，則是一個至關(guān)重要的考慮因素。

通常情況下，MCU僅有非常簡單的電源要求，只需一個電源輸入軌即可。但對于高性能微處理器和SoC，通常需要多個電源軌。這些電源軌通常需要靈活可變，以支持SoC所需的不同低功耗模式。在電源軌電壓設(shè)定后，即使在高電流負(fù)載下也不能出現(xiàn)任何偏差。此外，SoC在啟動時通常會有嚴(yán)格的電源排序要求。

在考慮如何將SoC連接到存儲器時，設(shè)計人員也面臨著類似的復(fù)雜性?；趥鹘y(tǒng)MCU的應(yīng)用在數(shù)據(jù)存儲方面通常是獨(dú)立的，相比之下，智能系統(tǒng)則需要訪問更多的內(nèi)存資源，圖像和視頻緩沖可以輕松占據(jù)許多兆字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲容量。諸如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，依賴于系統(tǒng)處理數(shù)百萬個參數(shù)的能力，并需要長期占用大量的存儲。

系統(tǒng)所需的存儲器不僅要容量大，而且也需采用諸如DDR3之類的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。 SoC和DDR3存儲器之間的信號傳輸非常復(fù)雜且耗時，總線上的信號總是具有非常嚴(yán)格的時序約束，這要求信號路由長度要相等。較短的直接路徑必須要包括一些蛇形繞線布局，以使它們的路徑長度與較長的跡線相等。這就是系統(tǒng)級封裝（SIP）能夠發(fā)揮效力之所在。

與許多原型設(shè)計平臺的系統(tǒng)級模塊（SOM）相比，SIP更容易在生產(chǎn)環(huán)境中集成。 SOM是一塊印制電路板（PCB），需要安裝到主電路板上，并通過一個特殊連接器來實(shí)現(xiàn)所有定制I/O，這增加了系統(tǒng)的尺寸和成本。另一方面，SIP更像是一個標(biāo)準(zhǔn)的單片IC，可以像其他IC一樣與所有其他I/O器件一起焊接到定制PCB。

圖1：Octavo OSD335x SIP的功能框圖。

Octavo Systems的OSD335x 系列 SIP產(chǎn)品包含有強(qiáng)大智能系統(tǒng)核心所需的一切，也秉承了傳統(tǒng)MCU設(shè)計的簡易性。這些SIP基于德州儀器的Sitara系列SoC，可為工程師提供1GHz ARM Cortex-A8處理器、兩個PRU、DDR3內(nèi)存和一個電源管理IC（PMIC），能夠確保它們始終以最高效率運(yùn)行。OSD335x封裝內(nèi)的PMIC可應(yīng)對所有不同的電壓軌和電源排序，因此就像傳統(tǒng)的MCU一樣，只需連接一個電源輸入。

圖2：Octavo Systems的OSD335x。

此外，SIP PMIC中的電源控制電路也負(fù)責(zé)為并非始終連接到主電源的系統(tǒng)進(jìn)行電池管理。對于需要通過AC適配器等各種電源供電的系統(tǒng)，OSD335x PMIC可自動處理電源多路復(fù)用和電源之間的切換。對于電池供電系統(tǒng)的另一個好處是，通過微型封裝實(shí)現(xiàn)的集成有助于減少SoC和DDR存儲器之間數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量。

現(xiàn)實(shí)世界要求系統(tǒng)具備更多的智能，并要融入不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）世界，Octavo SIP解決方案是一個非常高效的處理平臺，既提供了傳統(tǒng)MCU的簡易性，同時又具有更強(qiáng)大的功能。該公司開發(fā)的核心SIP技術(shù)有助于創(chuàng)建多種變體，確保工程師能夠得到針對其應(yīng)用而調(diào)整的版本，并且以一個非常小的封裝滿足許多智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的空間受限要求。對于原型設(shè)計，OSD335x已內(nèi)置針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的Beaglebone Black Wireless等平臺，可輕松地將SIP從開發(fā)移植到生產(chǎn)。憑借Sitara SoC提供的豐富軟件支持，這種解決方案一定能夠使未來的開發(fā)項目更容易地實(shí)現(xiàn)。