在嵌入式視覺設計中使用FPGA，它將帶來什么優(yōu)勢

（文章來源：EEWORLD）

過去幾年里，嵌入式視覺應用大量涌現(xiàn)，包括從相對簡單的智能視覺門鈴到執(zhí)行隨機拾取和放置操作的復雜的工業(yè)機器人，再到能夠在無序、地形不斷變化的環(huán)境中導航的自主移動機器人（AMR）?？焖俨捎们度胧揭曈X技術的行業(yè)包括汽車、消費電子、醫(yī)療、機器人、安防/監(jiān)控以及大量工業(yè)應用。

如今，嵌入式視覺正逐漸應用于人工智能（AI）和機器學習（ML）系統(tǒng)中，用來分析圖像和視頻流、檢測/識別人和物體以及從看到的景象中提取信息，便于采取下一步行動。

推動嵌入式視覺設計的主要趨勢有：高分辨率和高帶寬的需求持續(xù)增長，系統(tǒng)中視覺傳感器和顯示器的數(shù)量與日俱增，以及小尺寸和低功耗的要求不斷涌現(xiàn)。此外，將人工智能（AI）和機器學習（ML）功能加入嵌入式系統(tǒng)也是大勢所趨，尤其是添加到靠近視覺傳感器的本地端。

嵌入式視覺系統(tǒng)的另一個趨勢是接口標準的數(shù)量和種類不斷增長。上表列出了一些最常見的接口類型。其中用于“模塊內部”（inside the box）的標準（如設備內部）通常要求驅動幾厘米到幾十厘米大小的設備，而“模塊之間”（box-to-box）的接口可能需要在幾米到幾百米甚至更大的設備間驅動視覺數(shù)據(jù)。

PHY這個術語是“物理層”的縮寫，通常是在芯片上或者作為芯片（集成電路）實現(xiàn)的一種電子電路。PHY用于實現(xiàn)開放系統(tǒng)互連（OSI）模型的物理層功能，無論計算或電信系統(tǒng)底層內部結構和技術如何，該模型都能對其通信功能進行標準化。嵌入式視覺應用中MIPI的使用日益增多，尤其是CSI-2（攝像頭/傳感器）和DSI（顯示屏）協(xié)議，兩者均采用被稱之為D-PHY的PHY。在帶寬和接口長度方面，MIPI在位于OpenLDI和eDP/DP（eDisplay Port和?Display Port）之間。

MIPI聯(lián)盟是一家在全球擁有250名企業(yè)會員的國際組織。ARM、英特爾（Intel）、諾基亞（Nokia）、三星（Samsung）、意法半導體（STMicroelectronics）和德州儀器（Texas Instruments）于2003年創(chuàng)建MIPI聯(lián)盟，彼時MIPI是“移動產業(yè)處理器接口”的英文首字母縮略詞。然而，如今該組織的各類規(guī)范不僅適用于處理器互連，更能滿足一臺設備上全部接口需求，所以MIPI不僅僅是首字母縮略詞，而是已經(jīng)作為單獨的名稱使用。

MIPI CSI-2和DSI-2協(xié)議也是如此，它們最初用于智能手機。自從2007年發(fā)布首款iPhone以來，智能手機急速增長，遠遠超過PC。這推動了規(guī)模經(jīng)濟，低成本的攝像頭、顯示屏和處理器組件開始涌現(xiàn)，它們開始廣泛用于各類非智能手機應用和市場。MIPI接口支持兩種運行模式：高速（HS）和低速（LP）。該接口在發(fā)送器和接收器之間主要是單向傳輸，但是在某些低速通信情況下，能夠從接收器向發(fā)送器傳輸。

嵌入式視覺設計的一個重要特征是其架構通常需要不斷調整以適應各種規(guī)范的變化，這就讓FPGA成為實現(xiàn)這類設計的理想選擇。中型ASIC/ASSP從設計到量產其開發(fā)周期要將近一年。此外，由于設計規(guī)范不斷發(fā)生變化，期間還存在諸多風險（在嵌入式視覺設計中非常常見），再加之ASIC/ASSP的設計流程大多錯綜復雜，這就意味著某個流程出現(xiàn)耽擱，會對其他流程產生連鎖的負面反應。

若采用FPGA實現(xiàn)設計，設計人員可采用經(jīng)過市場檢驗的硬件，在現(xiàn)場重新配置，應對任何設計規(guī)范的變更。從設計人員的角度來看，開發(fā)周期的最初階段（即在抽象的RTL階段捕獲設計）都是相同的，其余步驟要么相似，要么所需時間和資源更少，要么根本不需要。因此使用FPGA的總體優(yōu)勢是可以在大約三分之一的開發(fā)時間內實現(xiàn)設備的正常工作。

從歷史角度看，一些嵌入式系統(tǒng)的設計人員認為FPGA是大尺寸、高功耗的器件，僅僅用于數(shù)據(jù)中心、通信中心、醫(yī)學成像以及軍事等大型應用。

這些傳統(tǒng)的FPGA通常有幾十萬LUT，功率高達50-100 W，封裝尺寸可達55 x 55 mm，通常配置散熱片。然而還有一些專門實現(xiàn)特定功能的FPGA產品，專注于要求小尺寸和低功耗的應用。例如萊迪思半導體提供這類小尺寸（從10 x 10 mm，功耗1 W到1.4 x 1.4 mm，功耗僅為1 mW）的FPGA產品，滿足那些要求小尺寸和高能效應用的需求。

與小型ASIC/ASSP相比，這些功能導向的FPGA更容易快速開發(fā)、使用更靈活。此外，由于大多數(shù)通用FPGA旨在應用于工業(yè)和汽車等多個市場，它們通常都支持商用和工業(yè)溫度環(huán)境。而ASIC/ASSP大多被開發(fā)用于消費電子產品，對此類溫度環(huán)境的支持不太普遍。
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