[LabVIEW]myRIO_建立自己的嵌入式系統(1)
「為了保有FPGA的優點，並針對系統效能(複雜度)進行提升的應用程式，發展出來的嵌入式系統研發架構，為可重新配置的輸入與輸出(Reconfigurable I/O；RIO)，主要是結合處理器(Processor)的優點(可彈性的實現複雜系統應用)與FPGA的優點(平行化設計與高速的輸入輸出配置)，先透過FPGA針對輸出輸入進行平行化的規劃與前處理，在將結果傳制處理器進行複雜的處理、操作、與應用。」 -摘自 生醫訊號系統實作 蕭子健、張家齊
我的專題是以myRIO作為主體架構，因此我只會分享有關myRIO的實驗設計，其餘的RIO就不詳述了。
主要的系統架構如下圖：
FPGA：規劃對應的I/O接腳以及簡單的初步處理。
RT Process：Real-Time Host ，在處理器中進行運算，設計系統使用的介面以及高階的處理計算。(在我的專題中指的是myRIO)
Remote Host：遠端主機，設計控制與顯示的人機介面，可以透過網路互動。
圖中所顯示的配置並不是myRIO打開專案後最初預設的樣子，上面提到的三個主系統架構都要自己去創vi。
可以從圖中發現上述三主架構各自對應的處理器為：
My Computer →Remote Host.vi
myRIO-1900→RT Process.vi
FPGA Target →FPGA.vi
而其中RT Process以及FPGA可以視作都是在myRIO所上執行的。
1.什麼是FPGA？
最籠統來說，FPGAs 即為可再程式化的晶片。透過預先建立的邏輯區塊與可程式化路由資源，不需更改麵包板或焊錫部分，即可設定這些晶片以建置客制硬體功能。使用者可於軟體中開發數位運算系統 (Computing task) 並將之編譯為組態檔案或位元流 (Bitstream)，可包含元件接線的相關資訊。此外，FPGA 完全為可重設性質，當使用者重新編譯不同的電路設定時，可立刻擁有不同的特性。在過去，工程師必須深入了解數位硬體設計，才能夠使用 FPGA 技術。然而，高階設計工具的新技術可針對圖形化程式區或 C 程式碼，轉換為數位硬體電路，即變更了 FPGA 程式設計的規則。
FPGA 整合了 ASIC 與處理器架構系統的最佳部分，使 FPGA 晶片可應用於所有產業。FPGA 具有硬體時脈的速度與可靠性，且其僅需少量即可進行作業；可降低客制化 ASIC 設計的費用。可重新程式設計的晶片，具有與軟體相同的彈性，卻不受限於處理核心的數量。與處理器不同的是，FPGA 為實際的平行架構，因此不同的處理作業並不需要佔用相同資源。每個獨立的處理作業均將指派至專屬的晶片區塊，不需影響其他邏輯區塊即可自動產生功能。因此，當新增其他處理作業時，應用某部分的效能亦不會受到影響。
2.FPGA的優點
效能 – 透過硬體的平行機制，FPGA 可突破依序執行 (Sequential execution) 的固定運算，並於每時脈循環完成更多作業，以超越數位訊號處理器 (DSP) 的計算功能。BDTI 為著名的分析公司，並於某些應用中使用 DSP 解決方案，以計算 FPGA 的處理效能2。於硬體層級控制 I/O 可縮短回應時間並特定化某些功能，以更符合應用需求。
上市時間 – 針對上市時間而言，FPGA 技術具有彈性與快速原型製作的功能。使用者不需進行客制化 ASIC 設計的冗長建構過程，即可於硬體中測試或驗證某個觀念3。並僅需數個小時即可建置其他變更作業，或替換 FPGA 設計。現成的 (COTS) 硬體亦可搭配使用不同種類的 I/O，並連接至使用者設定的 FPGA 晶片。高階軟體工具正不斷提升其適用性，縮短了抽象層 (Layer of abstraction) 的學習時間，並針對進階控制與訊號處理使用 IP cores (預先建立的函式)。
成本 – 客制化 ASIC 設計的非重置研發 (NRE) 費用，遠遠超過 FPGA 架構硬體解決方案的費用。ASIC 的大型初始投資，可簡單認列於 OEM 每年所出貨的數千組晶片，但是許多末端使用者更需要客制硬體功能，以用於開發過程中的數百組系統。而可程式化晶片的特性，即代表低成本的架構作業，或組裝作業的長前置時間。由於系統需求隨時在變化，因此若與 ASIC 的龐大修改費用相較，FPGA 設計的成本實在微不足道。
可靠性 – 正如軟體工具提供程式設計的環境，FPGA 電路亦為程式執行的「堅強」建置方式。處理器架構的系統往往具有多個抽象層，以協助多重處理程序之間的作業排程與資源分享。驅動層 (Driver layer) 控制硬體資源，而作業系統則管理記憶體與處理器頻寬。針對任何現有的處理器核心來說，每次僅可執行 1 組指令碼；而處理器架構的系統則可連續處理重要作業。FPGA 不需使用作業系統，並將產生問題的機會降至最低，以平行執行功能與專屬精密硬體執行作業。
長期維護 – 如稍早所提，FPGA 晶片為即時升級 (Field-upgradable) 特性，不需如 ASIC 重新設計的時間與費用。舉例來說，數位通訊協定的規格可隨時間而改變，而 ASIC 架構的介面卻可能產生維護與向下相容的問題。FPGA 具有可重設性質，可隨時因應未來的需要而進行修改。當產品或系統趨於成熟時，不需耗時重新設計或修改機板配置，即可提升相關功能。
我的專題是以myRIO作為主體架構，因此我只會分享有關myRIO的實驗設計，其餘的RIO就不詳述了。
主要的系統架構如下圖：
FPGA：規劃對應的I/O接腳以及簡單的初步處理。
RT Process：Real-Time Host ，在處理器中進行運算，設計系統使用的介面以及高階的處理計算。(在我的專題中指的是myRIO)
Remote Host：遠端主機，設計控制與顯示的人機介面，可以透過網路互動。
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| myRIO Framework Setting |
可以從圖中發現上述三主架構各自對應的處理器為：
My Computer →Remote Host.vi
myRIO-1900→RT Process.vi
FPGA Target →FPGA.vi
而其中RT Process以及FPGA可以視作都是在myRIO所上執行的。
1.什麼是FPGA？
最籠統來說，FPGAs 即為可再程式化的晶片。透過預先建立的邏輯區塊與可程式化路由資源，不需更改麵包板或焊錫部分，即可設定這些晶片以建置客制硬體功能。使用者可於軟體中開發數位運算系統 (Computing task) 並將之編譯為組態檔案或位元流 (Bitstream)，可包含元件接線的相關資訊。此外，FPGA 完全為可重設性質，當使用者重新編譯不同的電路設定時，可立刻擁有不同的特性。在過去，工程師必須深入了解數位硬體設計，才能夠使用 FPGA 技術。然而，高階設計工具的新技術可針對圖形化程式區或 C 程式碼，轉換為數位硬體電路，即變更了 FPGA 程式設計的規則。
FPGA 整合了 ASIC 與處理器架構系統的最佳部分，使 FPGA 晶片可應用於所有產業。FPGA 具有硬體時脈的速度與可靠性，且其僅需少量即可進行作業；可降低客制化 ASIC 設計的費用。可重新程式設計的晶片，具有與軟體相同的彈性，卻不受限於處理核心的數量。與處理器不同的是，FPGA 為實際的平行架構，因此不同的處理作業並不需要佔用相同資源。每個獨立的處理作業均將指派至專屬的晶片區塊，不需影響其他邏輯區塊即可自動產生功能。因此，當新增其他處理作業時，應用某部分的效能亦不會受到影響。
2.FPGA的優點
效能 – 透過硬體的平行機制，FPGA 可突破依序執行 (Sequential execution) 的固定運算，並於每時脈循環完成更多作業，以超越數位訊號處理器 (DSP) 的計算功能。BDTI 為著名的分析公司，並於某些應用中使用 DSP 解決方案，以計算 FPGA 的處理效能2。於硬體層級控制 I/O 可縮短回應時間並特定化某些功能，以更符合應用需求。
上市時間 – 針對上市時間而言，FPGA 技術具有彈性與快速原型製作的功能。使用者不需進行客制化 ASIC 設計的冗長建構過程，即可於硬體中測試或驗證某個觀念3。並僅需數個小時即可建置其他變更作業，或替換 FPGA 設計。現成的 (COTS) 硬體亦可搭配使用不同種類的 I/O，並連接至使用者設定的 FPGA 晶片。高階軟體工具正不斷提升其適用性，縮短了抽象層 (Layer of abstraction) 的學習時間，並針對進階控制與訊號處理使用 IP cores (預先建立的函式)。
成本 – 客制化 ASIC 設計的非重置研發 (NRE) 費用，遠遠超過 FPGA 架構硬體解決方案的費用。ASIC 的大型初始投資，可簡單認列於 OEM 每年所出貨的數千組晶片，但是許多末端使用者更需要客制硬體功能，以用於開發過程中的數百組系統。而可程式化晶片的特性，即代表低成本的架構作業，或組裝作業的長前置時間。由於系統需求隨時在變化，因此若與 ASIC 的龐大修改費用相較，FPGA 設計的成本實在微不足道。
可靠性 – 正如軟體工具提供程式設計的環境，FPGA 電路亦為程式執行的「堅強」建置方式。處理器架構的系統往往具有多個抽象層，以協助多重處理程序之間的作業排程與資源分享。驅動層 (Driver layer) 控制硬體資源，而作業系統則管理記憶體與處理器頻寬。針對任何現有的處理器核心來說，每次僅可執行 1 組指令碼；而處理器架構的系統則可連續處理重要作業。FPGA 不需使用作業系統，並將產生問題的機會降至最低，以平行執行功能與專屬精密硬體執行作業。
長期維護 – 如稍早所提，FPGA 晶片為即時升級 (Field-upgradable) 特性，不需如 ASIC 重新設計的時間與費用。舉例來說，數位通訊協定的規格可隨時間而改變，而 ASIC 架構的介面卻可能產生維護與向下相容的問題。FPGA 具有可重設性質，可隨時因應未來的需要而進行修改。當產品或系統趨於成熟時，不需耗時重新設計或修改機板配置，即可提升相關功能。
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