NI Shrinks产品为何可以性能大提升迅速占领市场？

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美国国家仪器公司（NI）有一个每个公司都存在的问题：对于NI的基于FPGA的RIO(可重配置的I/O)嵌入式控制和采集产品, 客户希望它能用于更多的应用,并能承载更多地容量。为了达到这个目标，NI需要开发一个同样性能或更高级别的RIO产品，其更加坚固耐用且模块更小。
NI的LabVIEW RIO架构包含了处理器和专用I/O的FPGA。公司的CompactRIO是基于底架的系统，它能兼容一系列的测量和I/O插件模块。CompactRIO线延续于更小的sbRIO（单板RIO）产品，它大概一个CD盒尺寸大小，大约4英寸宽4英寸长，其拥有的空板结构使他们更容易集成到更大的系统。NI还为学生开发了定制的myRIO产品。这些产品都是由 NI公司获奖的LabVIEW图形化编程平台控制，允许工程师开发嵌入式系统和测试系统。

由于客户需要更小更坚固的RIO系列用于专用嵌入式应用设计，使得NI开发一个SOM（系统模块）产品。这个产品可以为设计工程师提供更大的RIO产品的无缝设计经验，在结实且紧凑的结构下提高实时处理能力。因此SOM（sbRIO-9651）大约和信用卡相同的面积大小，它被封装在一块固态铝中，这使它非常坚固。

图2：NI的 sbRIO-9651 SOM

NI的sbrio-9651 SOM，基于Xilinx公司zynq所有可编程SoC，结合了一个完整测试和经过验证的，带有完整的中间解决方案的硬件设计和NI的Linux实时操作系统。小尺寸意味着NI的RIO产品现在可以用在更广泛的应用范围。例如，空中客车公司使用sbrio-9651建立了智能工具和增强现实眼镜方便技术人员和组装团队生产和检查公司的飞机时使用。这只不过是一个新应用的案例，以前的NI产品却无法解决。
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从一开始，NI的sbRIO SOM设计团队知道他们要研发成功，结构上必须得小。由于SOM设计在sbRIO产品单独的微处理器和FPGA器件基础上，SOM的电路板没有空间放置其他组件（如内存芯片，电源设备，或I/O连接器）。设计团队很快注意到了Xilinx zynq全可编程SOC，作为电路板无法改动问题的解决方案。他们选择了Xilinx zynq z7020 SOC工业版，希望它适合公司新的sbRIO SOM的健壮性性应用。
Zynq SoC融合了一块可编程逻辑块（ PL)和一个完整的基于ARM的处理系统（PS），ARM的处理系统包括一个双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器和一系列的常用外设（一个高性能的SDRAM控制器，一个Flash控制器，双千兆以太网端口，两个USB端口，两个UART，两个I2C端口，两个 SPI端口，通用I / O端口，等等）。Zynq SoC为NI SOM设计团队实现一个完整的LabVIEW RIO系统提供了所有需要的逻辑资源。

图3：Xilinx Zynq All Programmable SoC 系统框图

NI的CompactRIO和单板RIO的产品市场推广工程师Eric Myers提出，相对于公司已有的RIO产品，Zynq z7020 SOC更好的提高了性能。这归功于ARM Cortex-A9 MPCore的双核处理器，新的artix-7 FPGA构造，和ARM处理器和FPGA之间高速的互连。对比NI现有的板级RIO产品，其使用一个400MHz的单核PowerPC微处理器，NI的客户已经看到仅在zynq z7020 SOC中使用 ARM微处理器，处理器性能至少提高4倍。根据应用和客户使用的RIO特性，一些客户已经看到了更多的性能。此外，梅尔斯说，新的sbrio-9651 SOM可以在处理器和FPGA之间传递更多的信息，从而转化为更好的实时性。
虽然功耗不是最大的设计考虑，Myers说，“我们当然不能使用大功耗芯片。Zynq的低功耗将很有帮助。现在，我们预计SOM使用约3至5瓦，而我们其他的嵌入式产品使用大约5到10瓦。”
Myers还列举了一个重要的设计因素，ZynqSOC的灵活性。“由于尺寸，性能，和灵活性，Zynq是明智的选择。使用同一芯片上的所有器件，我们可以灵活地添加额外的组件。例如，一些板载通信机制如串口I/O，实际上是通过FPGA分布逻辑实现布线的。通过所有可用的互连，我们能够使用所有的FPGA I/O引脚，这增加了客户的灵活性。他们可以把他们需要的所有端口定义为特定的用途，而NI试图建立一套客户可能在产品中需要的所有连接设置的标准。”因此，Zynq SoC的灵活性和可编程的I/O性能也让NI sbRIO SOM的客户受益。
选择时慎重考虑,而不是盲目追求
当被问及NI的设计团队是否已经考虑到Zynq SoC的替代品时，Myers说，“在Zynq SoC产品前，我们确实考虑开发一个SOM，但该产品没有多大意义。SOM可能更大；我们不会有这样的性能；也不会有灵活性。因此，是Zynq SoC真正帮助我们的想法变成现实。”
Myers继续说：“在着手SOM项目之前，我们已经基于zynq SOC开发出多种控制器，这的确帮助我们缩短了开发周期。我们开始这个项目的时候我们有一组丰富的库和一个大型代码库,开发了myRIO和几个版本的compactrio - 9068。所有这些产品都使用工业zynq 7020芯片。在一系列产品上已定义的同一芯片的标准帮助我们缩短产品的开发周期。当然，我们还需要针对SOM开发一些专门的新功能，以前产品开发的zynq经验无疑是很有帮助的。”
结论
NI和Xilinx公司的技术合作给工程师和科学家提供许多足以改变世界的创新工具已经有十多年了！NI结合最新的Xilinx FPGA和业界领先的处理器，成功地创造出公司最先进产品。从NI FlexRIO模块到LabVIEW图形化编程平台的RIO控制器。与传统设计方法相比，这些产品让NI的客户在更短的时间创造出更加智能化的系统。对基于NI公司的LabVIEW RIO架构的最新一代系统，Zynq可编程系统SOC是一个理所当然的选择。它将两个复杂的子系统结合到一个芯片的PL和PS中，在缩减尺寸、成本和复杂性的同时，大大地提高了性能！
与价格相当的上一代基于独立的处理器和FPGA芯片的RIO设计相比，集成的Zynq-7020 SOC在系统级标准的性能提升了4到6倍。由于提高了处理器时钟速度和处理器内核数量，增加了处理器和FPGA连接的带宽，使其性能得到了提升。同时由于移植了Linux系统和ARM处理器的体系结构，使得软件的效率也获得了提高。