Valmiit komponentit konfiguroitava heterogeeninen arkkitehtuuri nopeuttaa
Prosessorikeskeiset järjestelmät ovat hyvin yleinen lähtökohta sulautetuille arkkitehtuureille, mutta niissä eivät välttämättä riitä teho tai ominaisuudet huipputehoa tai joustavuutta vaativiin järjestelmiin. Siksi nykyään yhä useammin joudutaan siirtymään heterogeenisiin järjestelmiin, joissa käytetään dedikoituja prosessoriyksiköitä eri tehtäviin. Näin täytetään järjestelmän kaikki vaatimukset. Ohjelmoitavat logiikkapiirit kuten FPGA:t (Field-Programmable Gate Array) muodostavat yhdessä mikroprosessorin kanssa tehokkaan ja joustavan parivaljakon, joka antaa avaimet todella tehokkaiden ja monimutkaistenkin järjestelmien suunnitteluun.
Yleiskäyttöiset prosessorit ovat viitoittaneet sulautettujen järjestelmien kehitystä jo pitkän aikaa. Prosessori mahdollistaa helposti eri kommunikaatioprotokollat: Ethernet, sarjaväylä, USB, CAN, SPI, jne. Kun suunnittelija valitsee mikroprosessoriin pohjautuvan järjestelmän, siihen yleensä valitaan yksi tai muutama edellä mainituista protokollista. Kun prosessori on valittu ja protokollat lyöty lukkoon, on järjestelmä valmistuessaan hyvin joustamaton. Uusien protokollien lisääminen jälkeenpäin on usein mahdotonta.
Jos järjestelmä vaatii erikoista protokollaa tai joustavaa toiminallisuutta, harkitsevat suunnittelijat usein kustomoitua ASICpiiriä (Application Specific Integrated Circuits), joka sulauttaa prosessorin ja kyseisen sovelluksen vaatimat toiminallisuudet yhteen piiriin. Tämä on hyvin tyypillinen ratkaisu tuotteissa, joita valmistetaan paljon. ASICpiirien suunnittelu on kuitenkin hyvin kallista, ja monesti tämä ratkaisu hylätään liian suuren taloudellisen riskin takia. Tämän takia monet suunnittelijat joutuvat miettimään vaihtoehtoista ratkaisua, kuten FPGApiirin ja prosessorin kombinaatiota. Tällöin saavutetaan tasapaino tehokkuuden, joustavuuden ja kustannusten kanssa.
FPGA-piirin sijoittaminen prosessorin ja I/O:n väliin tuottaa hurjasti lisää tehoa ja joustavuutta järjestelmään. Syntyy uudelleen konfiguroitava I/O, jossa FPGA voi toimia esimerkiksi apuprosessorina, signaalin esikäsittelijänä, turvapiirinä tai vaikka matalalatenssisena ohjausjärjestelmänä. FPGA-piirin uudelleenkonfiguroituvuus antaa tuotteelle tai järjestelmälle pidemmän elinajan, koska tulevaisuuden muutokset voidaan suorittaa helposti ohjelmoinnin kautta. Prosessori, FPGA ja I/O voidaan kaikki ohjelmoida, joten suunnittelijat voivat lisätä ohjelmoin nilla määriteltyjä ominaisuuksia hyvinkin myöhäisessä suunnitteluvaiheessa tai jopa tuotteen valmistumisen jälkeen. Tämä on huomattavasti joustavampi ratkaisu kuin pelkkään prosessoriin tai ASIC-piiriin tukeutuvat järjestelmät.
ASIC vai FPGA? Valinta riippuu siitä, mitkä asiat ovat järjestelmän kannalta tärkeimpiä.
Tämä esimerkki heterogeenisestä järjestelmästä perustuu mikroprosessorin ja FPGA-piirin kombinaatioon
Optofidelityn robotti testaamassa suosittua Angry Birds -peliä.
Heterogeeniset järjestelmät kaikkien saataville
Heterogeeniset järjestelmät ovat haastavampia suunnitella kuin pelkkään prosessoriin pohjautuvat järjestelmät. Suunnittelijoiden täytyy pilkkoa järjestelmä osiin, jotta kaikista dedikoiduista prosessointiyksiköistä saatu hyöty saadaan optimoitua.
Esimerkiksi mikroprosessoreiden käyttäminen pakottaa sarjamuotoiseen prosessointiin, koska ytimien määrä on rajallinen. FPGA-piirit taas ovat hyvin joustavia, koska ne voidaan konfiguiroida uudelleen vaikka järjestelmän ajon aikana. FPGApiirissä suoritus tapahtuu aidosti rinnakkain, mikä mahdollistaa useiden prosessien ajamisen samanaikaisesti.
Useat piirivalmistajat ovatkin jo kehittäneet piirejä, joissa on heterogeeninen arkkitehtuuri. Intelin Stellarton, Microsemin SmartFusion, Cypressin Semiconductor Programmable System-on-Chip (PScC), Xilinxin Zynq All Programmable SoC ja Alteran SoC FPGA ovat esimerkkejä piireistä, joissa on yhdistetty mikroprosessori tai mikrokontrolleri ja FPGA. Esimerkiksi Xilinxin Zynq:ssä kommunikointi näiden kahden prosessointiyksikön välillä on toteutettu 1000 sisäisellä kytkennällä, mikä on yli 10 kertaa enemmän kuin mitä olisi mahdollista toteuttaa erillisillä komponenteilla.
Valmistajien innovaatiot ovat tuomassa nämä huipputehokkaat, mutta edulliset ratkaisut kaikkien saataville. Tämä säästää resursseja ja kuluja, jolloin pienemmätkin tiimit pystyvät kehittämään järjestelmiä, jollaisia ennen pystyivät tekemään vain suuret suunnittelutoimistot.
Tällaiset heterogeeniset alustat toimivat hyvin esimerkiksi konenäkö-, robotiikka-, taajuusmuuttaja- ja älyverkkosovelluksiin.
Hyvänä esimerkkinä toimii tamperelaisen Optofidelityn kehittämä automaatiosovellus kosketusnäyttöjen testaamiseen. Sovelluksessa sormea simuloiva robotti testaa erilaisia kosketusnäyttöjä käyttäjän antaman sekvenssin mukaisesti. Sovellus hyödyntää National Instrumentsin tarjoamaa prosessorin ja FPGA-piirin sisältämää alustaa (CompactRIO).
Järjestelmä pystyttiin kehittämään pienillä henkilöstöresursseilla, koska alustassa oli kaikki tarvittava valmiina. Ei tarvittu erillisiä resursseja prosessorin ja FPGA-piirin ohjelmointiin tai piirilevyn suunnitteluun. Kaikki tarvittavat I/O:t pystyttiin valitsemaan valmiista moduuleista.
Tällaiset valmiit ratkaisut tuovat suunnittelijoille enemmän mahdollisuuksia ja nopeuttavat projektin läpivientiaikaa. Samoin koko järjestelmän ohjelmointi voitiin suorittaa yhdellä ohjelmointikielellä (LabVIEW), mikä edelleen pienensi resurssien tarvetta. Samoin sormea simuloivan robotin ohjelmointia helpottivat valmiit kirjastot. Innovointi helpottuu huomattavasti, kun suunnittelijat saavat käyttöönsä valmiita alustoja, jotka hyödyntävät heterogeenistä arkkitehtuuria.
