模块化系统如何实现真正的软件定义?

软硬件协同设计：面向未来的模块化嵌入式系统

你是否曾想过构建一个模块化且具备 FPGA 加速能力，并包含所有必要功能的设计系统，但却很快被其复杂性压得喘不过气？ 通常也会担心初始规格太过狭隘，无法满足最终需求，或者某些设计决策会限制后续适应能力。

此外，现今的核心计算组件还必须满足网络安全、应用标准、功耗限制、环境适应性和体积受限等外部要求，这无疑极具挑战。

但好消息是：标准化模块组件能够提供帮助。这些模块不仅提升设计的可扩展性与未来适应性，还能简化生命周期管理、优化总拥有成本 (TCO)、并提高投资回报率 (ROI)。

计算机模块与定制载板配合使用，该载板不仅承载计算机模块，还集成应用特定的输入输出接口和电路。该载板可以采用任何形状和尺寸。

硬件设计的现状

以计算模块(COM)为例。这些多功能模块基于不同的开放标准，早在十多年前就已提供类似 PC 的功能 ; 而这段时间，也是芯片厂商支持某一专用 CPU 的典型时期，例如 COM Express，已在市场上存在了 20 年。因此，借助COM模块，你可以通过更换模块来将应用升级为新一代处理器，而无需更改原始设计。

计算模块与载板配合使用，载板上集成了客户特定的 IP 和所需的输入输出接口(I/O)。与完全定制的设计相比，这种 COM 模块与载板的方式简化了开发流程，因为功能复杂的 COM模块是开箱即用的标准产品，适用于各种应用场景。

此外，COM模块具备的多核技术可支持硬件整合，并带来虚拟化的好处。在软件方面，支持主流操作系统，如 Microsoft Windows、各种 Linux 发行版，以及如 VxWorks 或 QNX …等专用选项。

SoC 的局限与 FPGA 的优势

对于那些从基础构建、使用离散元件的设计，基于微控制器的 SoC 是常见的 CPU 平台选择。然而，这些微控制器类型的 SoC 具有固定的外设布局，局限了你的选择空间。虽然 SoC 有时也可用于标准 COM模块，但这种单芯片方式在可扩展性方面相对不足。

那么，如何弥合这种差距？如何让一个平台具备可扩展性，并创建一个包含多种 CPU 架构的异构系统？答案是：将安装在载板上的 FPGA 与 COM 模块配合使用。

来自如 AMD、Altera 等知名芯片厂商的各种选项都可以实现这一点。FPGA 的能力由逻辑单元数量、内存、DSP 块等参数定义，这些因素决定了可配置 FPGA 功能的复杂性与广度。芯片厂商通常提供预先设计好的 IP 组件，你也可以使用你选择的硬件描述语言（如 VHDL 或 Verilog）自定义功能。

FPGA 转译及性能优势

把 FPGA 想象成一块空白画布，等待你绘制出各种接口的细节，例如高速以太网、MIPI、LVDS、USB 等。但 FPGA 的能力远不止于接口，它们还可以集成多核 ARM CPU、RISC-V 架构、用于 AI/ML 任务的 DSP 核心、专用的推理模式，甚至是诸如安全岛（safety island）这样的功能安全特性。

此外，你还可以将软件代码转换为硬件功能，并作为 IP 组件在 FPGA 中运行。在某些应用场景下，这种方法比在 CPU，甚至 GPU 上运行同样的功能具有更高的能效、更好的性能和更低的延迟。通过将一个即用型、可扩展的 COM 模块与载板上的 FPGA 结合，你将实现真正的设计灵活性、安全性与可扩展性。这种方法使你能够通过硬件和软件共同定义你的系统设计。