标签: 系统设计

Xilinx ZYNQ UltraScale+ MPSoC系列连载 写在前面 一、写在前面 FPGA 是可编程芯片，因此 FPGA 的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分。硬件包括 FPGA 芯片电路、存储器、输入输出接口电路以及其他设备；软件即是相应的 HDL 程序以及最新非常流行的基于高层次综合的程序方法，如 Xilinx 的一系列工具 HLS 、 SDSoC 和 Altera 的 SoC EDS 等。 （ 1 ）选择 FPGA （ SoC ）的若干理由 a ） FPGA 具有现场可编程能力，即使产品已经投入市场，也可根据特殊应用重新配置硬件； b ） FPGA 具有强大的并行处理能力； c ） FPGA 具有比 ASIC 设计更短的设计周期和更低设计成本； d ） FPGA 比较易用； e ） 随着半导体技术的突飞猛进， FPGA 越来越成为一种融合处理、 HBM 存储、接口于一体的超级芯片。 （ 2 ）设计提醒 强烈推荐 FPGA 设计遵循自顶向下的设计流程，也就是说从系统级设计开始，划分为若干个二级单元，然后再把各个二级单元划分为下一层次的基本单元，一直下去，直到能够使用基本模块或者 IP 核直接实现为止。 需要特别提醒的是，大规模逻辑设计必须先有完整明确的需求和实现方案后再启动硬件平台和软件设计。否则，任何一个小的改动都可能导致极大的纠正成本甚至整个系统全盘推翻重来。 二、设计小 Tips （ 1 ）明确 FPGA 设计需求 和所有的设计一样， FPGA 设计过程是一个迭代过程，首先是有一个系统的想法，然后将这一想法细化到具体交易中。 需求评估拓扑 （ 2 ）如何选型 FPGA 的硬件设计选型主要考虑如下因素： 1) 器件的供货渠道和开发工具支持 2) 器件的硬件资源 a) 逻辑资源； b) IO 资源（ FPGA 负荷过重、发热，影响速度、稳定性和寿命）； c) 布线资源（影响速度）； d) DSP( 乘法器、矢量浮点加速器 ) 资源； e) 存储器资源（内部 RAM 块和内部和外部的 DDR/SRAM ）等； f) 时钟资源； g) 串行收发器； h) 硬核及集成块。 3) 器件的电气接口特性 4) 器件的速度等级 5) 器件的封装和价格等 （ 3 ）嵌入式设计流程 2 设计流程 这个流程看上去有点像操作系统的层次结构，硬件就是 FPGA 逻辑和底层单元；中间件就是平台相关的可以重复利用的标准协议和接口；应用层执行产品的核心功能。这三个层级是向下验证的，最后实现系统的集成和验证。 更为具体的，针对某种器件，嵌入式工程师的主要工作如下： 图三 设计内容 三、 FPGA 的几种典型应用 a ）运动控制。需要高性能的工业设计领域； b ）电视广播。 SDI 接口已经图像流的优化重构和压缩； c ）通信领域。处理通信过程中的海量并行数据流； d ）汽车辅助驾驶。属于对图像处理、图形、控制的集大成应用； e ）高性能计算。数据库、金融市场加速、地震和医学成像、矩阵数学、 AI 、云计算、机器学习应用等； f ）高端服务器； g ） IO 和总线扩展、桥接。 随着半导体技术的飞速发展，器件的集成度越来越高，集成的硬核和功能块也越来越丰富。 FPGA 各厂商面向不同层次的应用也在不断的拓展， FPGA 必将褪下它贵族的脸孔走入寻常百姓家。 图 4 ADAS 应用 图 5 云计算应用 图 6 无线通信系统 图 7 控制系统与 4G/5G 通信 更多的技术交流，可加入微信公众号或QQ群进行进一步讨论。

  总结2011年的三篇文字，形成本文。（不好意思，因为此文章早前在新浪本人的blog， blog.sina.com.cn/blesslm 发表过，新浪阻止了文中的图片，于是找到我本地的图片，上传为附件了，可以在附件里看到两张）   什么是实时性？   从许多角度都可以去理解实时性。而我们可以从数字世界的基础来看。将模拟信号数字化之后，才比较方便地用各种数字化的处理方法来做数字信号序列进行处理。将模拟信号数字化的第一步就是采样。所谓采样，使得信号变得离散，有了间隙。这些间隙做什么，就是用来处理信号的。而实时性的归根结底，就是要在两个信号的间隙处理完前面那个信号。比如说，语音信号，每20ms有160个采样值，作为一帧来处理，则必须在下一个20ms的帧收完之前处理完前一帧的信息，方为实时处理。平均下来，就是在125us的间隙内要处理完一个采样值。   通信系统中的实时性，一个是如上述。例如GSM的信号处理，一帧4.615ms内处理完一帧的数据，由于数据并不占满所有的时间片，所以看起来实时性要求是低于每个样值的处理时间在一个采样周期内。但最高的EDGE的要求，例如下行8个接收时隙都要处理时，又回归到了前述的点上。另外，通信是双方的事情。于是乎，在规定的时间内处理完相关信息，并反馈相关的信息，则是一个双向的实时性问题了。 大概去年这个时候，对于GSM软件系统的实时性问题，我进行了一个分析。并画了一张图，加上一些文字说明。visio图片要弄上来，好像比较费劲。其中文字的部分，我今天贴出来跟大家分享。有兴趣交流的同学，可以跟我联络。 单从接收来看，均衡的实时性要求，从一个slot的角度来看，在1slot的时间处理完一个slot的数据；而从一帧的角度来看，如果是4RX则是一帧的时间处理完4slot的数据即可。图中表达了两种不同设计的实现要求。显然第二种的要求比第一种要低，而软件设计的方法也会也所不同。 单从接收来看，而解码所需要的实时性要求，如果是4RX则是一帧的时间处理完4slot即1block的数据即可。 发射的时序受接收的调度，则有了反馈支路的实时性要求，则需要结合起来看。USF的要求则是要完成均衡与解码。也就是说均衡加解码需要在11slot的时间内完成一个block的全部。一个block是4帧对应的同一个slot位置的数据连接起来的。   从上图可以看出，GSM/GPRS/EDGE系统单从接收链的实时性要求4RX的要求，均衡和解码完成后获得USF的时间点基本满足最为苛刻的发射配置时间点要求。在实际实际设计，稍微比此要求苛刻一点就可以完全满足整个系统的实时性要求。   TD-LTE实时性问题关键在于最短的HARQ反馈是4ms，如下图所示，这三个ms内能处理多大的数据量则对应这整个系统的一个流量。    小结：实时性系统软件设计 1.单方向链路处理的设计：以帧为单位来考虑设计，单方向每个步骤的模块的处理必须在一帧时间内完成一帧数据的处理；多个模块级联的处理则需要考虑多个模块之间的缓存数据的空间有一帧的余量 2.有反馈支路的链路处理设计：找到最短可能的反馈支路的时间要求，找到其中涉及的可能的处理的模块，再合理分配每个模块的实时性要求并调整缓冲池大小 3.其他的多方通信的需求，根据系统的通信机制，考虑适当的通信缓冲池的余量，并根据以上两条可能涉及的运算量的估计来设计，不需要特别为多方通信本身提高实时性的要求。   当然，具体到软件设计，芯片设计，亦有诸多实时性系统设计的问题，暂且在此不多述。但归根结底，都来自于这样一个数字世界最基本的点。没事的时候想想，并是自有其乐之处，有益于身心健康的。   (全文文字与图片均是作者原创，曾在本人新浪博客上贴过。)

        经常见人提起系统设计，也经常见各单位内有自己的系统设计部、系统组、系统工程师，但系统设计岗位到底应该做些什么、如何评价其功绩、系统设计师的岗位技能要求、系统设计的作用到底是什么等一系列问题，却是一个很多人模糊不清的概念，           首先确认下“系统”的定义，系统是“相互联系、相互作用的诸元素的综合体”。这个定义包括两部分内容：一是系统中至少包含两个不同元素；二是系统中的元素按一定方式相互联系、相互作用。因此也有部分书籍中给出一个绝对的说法，系统设计=接口设计。从机电系统设计来说，这种解释倒也简单易懂。   系统的各组成部分之间都是通过接口相互联系和作用的，而接口包括四种： 1、  电气接口 2、  机械接口（安装方式、有相互作用力的连接处，含电磁力） 3、  信息接口（包括了数据传输协议、显示界面、操作界面键盘或触摸屏） 4、  环境接口   系统设计师要研究的就是部件和部件之间、分系统和分系统之间如何通过这四种接口相互作用，相互作用过程中可能会发生的问题，以及如何防范规避这些问题的方法。这些方法包括两大主题内容。   一个是通过接口相互作用时的潜在单一故障分析（Single Fault Condition），单一故障指的是独立故障，如果因为一个故障A而导致另一故障B的出现，则B不属于单一故障。如因为TVS管选型不合适导致正常电压波动时对地短路泄放，泄放时，回路中的单向导通二极管因过流而烧毁，这时二极管烧毁的故障就不属于单一故障。   二是分析出接口的单一故障后，要按照“防错、判错、纠错、容错”的方式，找出解决措施，能防范住问题的发生最好，实在防不住，能及时发现提示报警也成，当然能纠正过来最好，即使上述三种措施都不能实现，那至少也必须保证故障发生后，不能产生危害，对人的危害、对关联设备的危害、对设备自身的危害。比如汽车电子上某传感器坏掉后，必须能给出传感器故障的提示来，对其它的关键故障，如果检查不出来，控制上必须保证万一工作不正常时，不能出现失控的风险，比如让汽车停车不能启动工作。   单一故障的分析和接口四种错误的处理方式都是具体的产品技术工作内容，需要具体问题具体分析，这里面就看每位设计师自己的水平了。   另外，系统设计部门的牛人们的工作不应该是消防队员的角色，他们应该研究的是板-板之间、部件-部件之间、设备-设备之间、整机和能源供给之间、整机和负载之间、整机和环境之间、整机和人之间的相互作用、可能错误、对可能错误的应对措施，甚至他们可能不是电路设计的高手，但一定是一个综合知识背景和思维、产品应用环境、技术法规、产品配套经验的高手，如果用的不是这样的人来做系统，如果用他们的时候不是按照这个内容来确定其岗位职责的话，则系统设计有等于无。   具体更多欢迎交流探讨china@rdcoo.com。  

    随着消费移动通信设备越来越多地采用数字方式和集成更多的功能，对于设备的设计来说，开发直观的创新型用户接口（UI）方案变得更为重要。作为用户接口设计的一部分，投射式电容触摸屏有助于应对这一挑战。 要设计一款成功的投射式电容触摸屏系统，需要仔细考虑设备的机械设计、基底选择和用户接口，另外，在设计过程的所有阶段都不能忘记在成本和技术之间进行折衷。 与电阻式触摸屏技术不同，投射式电容触摸屏更易于处理手指的动作，特别是多点触摸的用户输入。电阻技术需 要依靠手指压力使触摸屏的多个机械层产生电气接触。 这种操作方法会影响手指滑动的流畅性和手势操作的灵巧性。另外，电阻式触摸屏的多层机械结构易于因重复使用而较早产生磨损。 用投射式触摸屏实现的几种常见的多点触摸手势包括手指的张合、缩放、双指的滑动和旋转。它们可以快速方便地处理数据、内容和用户参数。便携游戏和文本/电子邮件应用也可以利用多点触摸技术。在一个多指触摸过程中，多触点APA（全点可寻址）模式可以精确地测定每个手指所按压的坐标位置。 不用先按Shift更换字符集然后再输入实际字符，多点触摸可以同时点击Shift+实际字符。多点触摸方式在GPS导航中也有广泛的应用。不用输入起始地和目的地，APA可在屏幕上实现目标位置的选择，让人们更快地到达目的地。图1演示了多点触摸操作可能出现的一些情况。   要评价一个设备的机械设计，必须解决几个关键问题： 1. 防护层（触摸表面）是平面还是曲面？ 通常建议把电容式触摸屏安装在平板式触摸表面上。曲面会增加复杂性。要实现鲁棒的电容式触摸设计，透明的触摸传感器必须整齐地夹在防护层的下面。因压合不均匀而产生的任何气泡都会降低触摸性能并影响产品的美观。 曲面防护层只能以PET（聚脂）作为触摸传感器的基底。塑料传感器可通过弯曲来适应防护层的外形。如果必须使用曲面的防护层，从反射的角度看，建议曲率不超过45度。曲率增大会增加压合工艺的难度，并可能损坏ITO（氧化铟锡）图案，进而可能会影响成品率。 使用压敏粘合剂（PSA）来实现压合较为便宜，但它不能用于曲面防护层。要保证更好的压合完整性，可能须使用更为昂贵的UV固化粘合剂。UV粘合剂价格昂贵，但使用方便、粘合层薄，并具有非常高的光学品质（透明度大于95%）。 2．防护层非工作区（不透明区）的边沿宽度为多少？ 对尺寸小于4英寸（10厘米）的触摸屏，触摸屏的边沿宽度，在触摸传感器尾线一侧应不窄于10mm，与尾线侧毗邻的两侧应不窄于3mm。这个边沿空间用于隐藏把透明的ITO图案链接到控制电路的非透明银质箔线并隐藏控制电路本身。对于使用玻璃基底的触摸屏，边沿的宽度或许可以做得更窄，但仍建议使用上述指导原则。图2 描述了这些指导原则。     3．保护层使用什么材料？ 在触摸屏工作区域内，保护层和任何装饰品都不能使用导电性材料。 因为使用导电性材料会屏蔽电容传感器的电场，并极大地降低传感性能。保护层的厚度应为1mm或更薄。 4．保护层底面与液晶显示模块（LCM）之间的距离是多少？ 由于便携通信设备外形纤巧，液晶模块（LCM）与保护层之间的间距需要重点考虑。必须有足够大的空间来安装薄的触摸屏传感器，另外还需要有足够大的气隙来避免触摸传感器受到来自LCM的电磁干扰。建议在触摸传感器基底和LCM之间至少留0.5mm的间隙。 5．如何处理静电放电（ESD）? 为防止在触摸表面上发生静电放电事件，必须设置一条贯穿整个设备的低阻抗接地路经。应使用放置在防护层非工作边界区中的接地环来保护触摸传感器。 接地环可以是简单的金属箔。必须保证在接地环和设备的系统地之间存在可靠连接。 在完成了机械评估之后，必须为触摸屏选择一个合适的基底。图3 显示了投射式电容触摸屏的一个典型ITO图案。  

各位读者可以首先看一下的附录的文章，再来看看正文。其实议论的多了，我们也就发现了，无论我们去抱怨我们手里的书籍，我们的导师，我们的社会环境，我们能看到的网上资源，有多么的差劲，有多么的不符合客观常理，我们依旧得努力坚持去做一些正确的事情，事实上，在这种环境下，做点不一样的事情出来往往很不容易，需要把自己的心境一点点沉静下来，把功利的心情丢到一边，拿起我们可以参考和阅读的材料，细细的体会和阅读，然后形成一些自己的看法，在合适的时机能够把正确合理的想法表达出来。 其实就像文中所说的那样，培养一个熟悉整个系统的全面的系统工程师，成本不菲。火箭是这样，汽车也是一样，虽然面对的环境有所不同，前者各位苛刻，后者的本身的数量和使用者不同的使用情况可以体现出千奇百怪的故障和错误。这就需要，很多个人负责把自己的该负责的东西整透，然后将每个部分协调起来，建立系统性的协调模式（绝对不是吵架）。 在NILABVIEW的最新的文中，表达了对于后辈们某些失望。但换个角度，哪个时期不是由一群新的大学生，靠着既有的知识，和年轻人特有的热情和想象力，开拓进取的呢。缺的其实是工程师的严谨和设计开发的概念，并且有效的表达和普及这种方法。在既有的现实条件下，如何去尽可能提高和规范设计观念，提高预备役工程师的设计能力和严谨态度恐怕是工程师这个圈子共同的话题。毕竟，有太多的东西需要协作，不怕神一样的对手，就怕X一样的队友和领导。 1.全世界都有长官意志，很多的概念车都是领导拍脑袋想出来，下面的人做的很好看，实际上都不具备工程价值。为了车展而车展，因此陆续去黑国内的厂家是不对的。 2.累计各种失败的和不完善的工程实践，实际上可以规避很多的风险。比起收集别人的成功的设计经验，经过逆向工程反演，最后验证，短期可以提高设计速度，长期而言在独立研发的时候，缺乏决策能力和经验数据库，在全球同一平台上的竞争将死得很难看。 3.10 月份，同事去了杭州车展，国内推车的速度叫一个快啊。但是按照目前手头上看到的和试过2个的数据，这些东西在社区里面是可以用的，拿出来卖绝对是坑人的（或者说短期内可用，半年内看人品，一年内……）。作为一个试制品，进行不断的测试和优化零配件和系统结构，才是正道；为什么所有的企业都来掺合一下，并且搞出一个产业化的大局，并且制造一些不成熟的产品，让财政和老百姓去买单，充当新能源行业的小白鼠呢？百思不得其解。 附录（转载——卫星几件事）： 一、 当年中国要造第一代卫星，孙家栋先生67年分去，70年就要发，他说“绝对来不及“这时候文*已经开始，连生产元器件都不知道该去找谁，“单位领导刚接受任务，单位已经散了。”他说，“行吧，咱把汽车改平板车吧，就象长春汽车厂那时候最重要的是把底盘做出来，发动机装上，有方向盘，最多旁边安个框框，这个大卡车就开出去了”。 这卫星的任务就是一定要飞上去，里面的科学探测仪器都没有装。 关键还有一点是必须要能地上的人看见才行。 那么大老远可怎么看啊，后来只能在卫星上装了个闪闪发光的大气球“套在**火箭上，**火箭跟卫星速度是一样的，只是分离以后在后面跟着，气球做成3米的，3米的发射的时候把它压扁了，压扁了它就不影响直径，上天以后拿气瓶吹起来，那个气球也抛光。” 地上的人看见绿光闪闪激动的呀。老人家一乐“那时候北京天气还比较好，现在我估计污染这个情况……” 但最难的事儿还在后头，就是卫星上要装毛主席像章。 孙先生说“因为卫星里不是有很多仪器吗，仪器都平常戴着像章，毛主席大像章，有时候戴得很多，表现对毛主席尊敬和忠诚。” 我问：“多大？”他说：“大大小小不一样，甚至整个仪器面板顶上都做，都是专做的，做得很大，这样的话影响重量。” 我问“多沉？” “那阵谁也不敢拿过来秤一秤，那会敢秤么？但是总的来讲重量也影响，另外影响温度在里头，因为面板好比隔热什么的都影响温度” 到发射前，他实在绷不住了，一夜没睡，狠下心去找周恩来总理汇报。“说不好这个问题是很大的，最后还是鼓足了勇气，因为这么大的事情整不好上天以后质量出了问题，那是天大的事情。” “他怎么反应呢？” “我们在人民大会堂的一个会议室，好像是一进门的河南厅汇报的，他说这是我们人民大会堂，所有的会议室政治空气都非常严肃的，绝对不会把毛主席像章或者是毛主席语录随便挂一挂，我相信你们的产品也能考虑这个问题。” 这样回去才拿了下去。 二、 他一生难忘1974年，说起来仍然泪光闪闪。 “那阵在昌平，也就离火箭100米左右，挖个很深的地下室，地下室为了防爆，是个球形建筑，很厚很厚的，快发射以前它有个钢门，那个钢门也都关上，只有指挥员有个潜水艇那个潜望镜，往上一推，上面出来一点就看一点。” 发射完有二十多秒，指挥员一个人看着潜望镜，他们只能看着指挥员，“不一会他就有表情了，好像是有点坏了。” 来不及张口问，就听“咣”一下，地下室里震得受不了，这时候人不允许出去，他只感到心里受了很大刺激，等门开了，往外一跑“一看见的时候，简直是在那个沙漠里一片火海，那个心情简直是，大冬天，脑袋里好像完全空虚了，不知道想什么东西，甚至是不知道怎么回事儿了。” 三天三夜，所有的人都在大沙漠里一块一块找，“有那个螺丝钉也好，小线头也好，冰天雪地，11月底了，你想想大沙漠里头大家一点点扒，把所有的一块小铜板、一块小线头，都把它收集起来，我们叫掺和，回来以后大家在一块认账，说这一块小钢板是我的。线头是你的。” 最后找着了，是控制系统的一个导线受震断了造成的。 三、 有几次他差点昏过去了。 其中一次是因为卫星上了天后出事了-----太阳能电池快烧坏了。他现在说起来直笑“因为搞能源系统的，是第一次参加设计太阳能电池，非常认真，想尽一切办法满足用户的要求，他尽量选他家里所有更好的太阳能电池，在这个面积里头给你输出的电量远远比他答应的高得很多。” 而且人家为了不贪功，也没向他们交底，脸上都是一副“绝对保证你够用”的慷慨神色。 等卫星上天以后，太阳一照，就发现了电量发得比原来多得多，就像咱们手机，拿高压来充电的时候，它一会就充得特别快，就热了，一热了以后原来它那个电池在基数设计的时候没想到温度能这么高，规定的最多不能超过30度。 他眼看看电池温度一直升到五六十度----蓄电池一烧坏，整个能源系统就完了。 他想了一个主意-----调一下卫星，让它偏一偏位置，就照不了那么多太阳了，温度就低了。但是卫星调整和太阳的角度原来有个极限，相当于卫星有一个眼睛专门看太阳，假如说超过了以后，人家眼睛看不见太阳了，回过头再找太阳找不着这麻烦也大了。 “所以这里头就有个决策的问题，所以你是怕丢了卫星呢，还是怕把太阳能电池烧坏？”已经没时间开什么会，来不及向上汇报了，就他决定先调卫星。 执行的人员拿了张白纸，上面写“孙家栋要求把卫星调五度。” 他就这么在底下签了自己的名字。 四、 孙先生是嫦娥工程的牵头人之一，八十一岁了，说完几个事故，他说不要因为嫦娥二号的成功引发盲目深空探测热。他说现在提的方案都很多。“比如说现在有的主张上月球，有的主张上火星，还有人认为上火星有点太慢，是不是咱们飞的更远一些。” 他理解这样的热情和想象力，但他举个细节说什么都必须把基础做好。“好比说我有些东西，希望火箭力量更大，把我送出去，从另外一个角度，你能不能把飞行器这个东西，能不能把它做小一点，做轻一点，这对火箭来讲，压力不就小一点了嘛，这两方面到了一定，有结合点，这一点办成了。但这个东西，你要把它做轻，把它做小，谈何容易？” 我说有人会觉得现在有钱，只把火箭往大里做不就成了么。 他说当年就是因为这个理念吃了大亏，“我们一批大学生来了上千人，热情很高，给领导提建议，我可以搞什么样的，搞更大的，我当时感觉到很简单这个事情，干完以后一发射，二十几秒就掉下来，就这么简单一件事情，原因什么呢？我们太没有经验了，所有系统和系统之间互相的关系，没整清楚。我把发动机可能研究的比较清楚了，搞控制系统的，搞箭体怎么回事，都整清楚了，但这些东西互相间的关系没整透。所以个别地方都改一点，一改完以后，互相间的关系失去平衡， 所以一上天以后出现了问题。” “任何东西，”他说，“不符合你自己能力水平一下把这个步子跨大了，中间有很多经验你不知道，这一步一定要花学费的，学费花了，你也没买着经验，相反得等回过头来再从小步走，完了再一步一步发展，要实事求是，一步一步往前走。” 他引了一句话，是当年失败后他的前辈对他说的，一句我们从小听到大的话，却常常付出巨大代价才懂，“学写字，要先老老实实学正楷，正楷学好了以后，你再学行草。”