基于開源軟硬件的嵌入計(jì)算平臺研究與實(shí)踐

王 偉

（西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610039）

引 言

計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，從體積大運(yùn)算慢的計(jì)算機(jī)，往運(yùn)算速度快的巨型機(jī)與體積小的微處理器兩個(gè)方向發(fā)展，單位體積的運(yùn)算速度大大提高，功耗大大降低。從微處理器的發(fā)展來看，各種MCU、FPGA、SoC五花八門層出不窮；軟件的角度來看，操作系統(tǒng)方面包括Scheduler、RTOS等，應(yīng)用軟件方面包括計(jì)算軟件等。本文給出了一種基于開源軟硬件技術(shù)的嵌入計(jì)算平臺，用于某一具體項(xiàng)目中來證明開源軟硬件技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中的高效率。

1 嵌入計(jì)算平臺系統(tǒng)

嵌入計(jì)算平臺有別于一般意義的嵌入式系統(tǒng)，目前市面上的很多嵌入式智能產(chǎn)品其實(shí)并不具有或者只有少量先進(jìn)的智能算法，很少用到現(xiàn)代信息處理和現(xiàn)代控制理論的最新成果。傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)研究開發(fā)模式基于某些先進(jìn)的算法，都是在Matlab上實(shí)現(xiàn)的，真正轉(zhuǎn)換為嵌入式C或其他能運(yùn)行在小型嵌入式系統(tǒng)中的算法很少，這就影響到產(chǎn)學(xué)研的過程。借助敏捷開發(fā)的思想，讓開發(fā)的迭代過程加快，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。

1.1 總體架構(gòu)

本文中，硬件選用 Arduino（AVR單片機(jī)）、Raspberrypi（ARM11），軟件在AVR芯片上采用Scheduler或者RTOS，在ARM芯片上采用Linux，計(jì)算軟件采用Scilab。

開放源碼與封閉源碼的對比如表1所列。單片機(jī)一次投板成本在200元左右，周期1周。片上系統(tǒng)一次投板版成本在2 000元左右。

表1 開放源碼與封閉源碼的對比

開源技術(shù)開啟了一場新工業(yè)革命，打破了原有的嵌入式開發(fā)模式。現(xiàn)有的計(jì)算平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和嵌入計(jì)算平臺結(jié)構(gòu)框圖分別如圖1、圖2所示。

兩塊名片大小的開源硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，與名片的尺寸對比如表2所列，與PC的功耗對比如表3所列。

圖2 嵌入計(jì)算平臺結(jié)構(gòu)框圖

圖3 兩塊名片大小的開源硬件開發(fā)板（標(biāo)尺為inch）

表2 Arduino、Raspberry和名片的尺寸對比

表3 Arduino、Raspberry和PC的功耗對比

從圖1～3以及表2～3，可以看出，采用開源的Arduino和Raspberrypi，無論從尺寸大小還是功率消耗方面，在嵌入計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域上都具有明顯的優(yōu)勢。

在過去的半個(gè)多世紀(jì)里，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和電氣工程理論水平得到了長足的發(fā)展，但是智能控制、軟件算法、軟件工程、芯片技術(shù)、電路設(shè)計(jì)與制造、傳感器技術(shù)都在各自的方向不斷發(fā)展，這一發(fā)展又與日益增長的客戶需求發(fā)生了矛盾。工程師們可以充分減少產(chǎn)品開發(fā)成本、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和開發(fā)時(shí)間，在比過去短得多的時(shí)間里將更可靠、更便宜的產(chǎn)品投放市場，迎接市場的挑戰(zhàn)。為此我們嘗試從軟硬件角度、算法理論、項(xiàng)目管理思想等多角度去理解一個(gè)典型實(shí)時(shí)聲音圖像識別控制系統(tǒng)。

1.2 硬件架構(gòu)

（1）SPI總線

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口），一般由 MOSI、MISO、CLK三條線組成，三線制串行通信接口。Raspberrypi與Arduino的SPI總線連接如圖4所示。

圖4 SPI通信接口連接

（2）實(shí)現(xiàn)基于中斷方式的流控通信機(jī)制

Raspberrypi為700MHz的處理器，而Arduino為16 MHz的處理器，兩片不對稱的芯片要進(jìn)行通信，采用基于中斷控制的流控方式通信機(jī)制，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

以上流程實(shí)現(xiàn)了慢速的從處理器主導(dǎo)通信的流程，也就是慢速處理器決定通信狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)關(guān)系。

1.3 軟件架構(gòu)

①FreeRTOS，基于時(shí)間觸發(fā)的調(diào)度器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包含內(nèi)存管理、隊(duì)列管理、任務(wù)調(diào)度幾個(gè)部分。抽象的內(nèi)存管理算法來自μC／OS，原因是在ANSI C中，malloc和free的使用是危險(xiǎn)的。隊(duì)列管理包括數(shù)據(jù)隊(duì)列、任務(wù)隊(duì)列，原因包括計(jì)算機(jī)是基于流水線的串行處理的原理實(shí)現(xiàn)的。

②Linux，源于Unix，誕生于1993，由程序愛好者編寫。

圖5 中斷控制的流控方式通信機(jī)制

③Scilab，誕生于1990年代的法國自動化信息學(xué)會。從用戶體驗(yàn)的角度來說，它與Matlab這類的數(shù)值計(jì)算軟件類似。唯一不同的是，這是一款開源的數(shù)值計(jì)算軟件，并且可以稍加修改移植到ARM－Linux系統(tǒng)之上，實(shí)現(xiàn)低成本的智能計(jì)算與控制的解決方案。

2 開源軟硬件分析和改進(jìn)

①Arduino，一種來自意大利的開源社區(qū)的成熟的單片機(jī)方案。開源的開放環(huán)境使用Java語言寫成，基于processing，avr－gcc和其他開源軟件。.net microframework簡單實(shí)用，用上層開發(fā)模式來開發(fā)。Processing、Wiring則是一種新型的編程語言實(shí)現(xiàn)。

②Raspberrypi，來自英國劍橋大學(xué)的開源的SoC片上系統(tǒng)，基于 ARM11，集成 CPU、GPU、內(nèi)存，外部接GPIO、USB、RJ45。具體電路采用成熟方案，或者采用廠家的OEM模塊進(jìn)行積木式搭建設(shè)計(jì)。既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也減少系統(tǒng)搭建的時(shí)間。當(dāng)然并不代表我們就可以忽略電路知識以及電路設(shè)計(jì)的一些技術(shù)積累和細(xì)節(jié)。

Posix是開源軟件領(lǐng)域的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，Linux基于Debian，由業(yè)余愛好者整合和移植上萬個(gè)軟件包。

3 聲音圖像識別控制算法實(shí)現(xiàn)

這部分將成為本系統(tǒng)中最核心、最有難度的部分，也是決定產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵點(diǎn)。數(shù)學(xué)很重要，除此之外，便是實(shí)踐。這是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工程師應(yīng)該秉承的理念。

① 數(shù)值計(jì)算：采用Scilab開源數(shù)值計(jì)算軟件，并移植到ARM－Linux環(huán)境中。

② 圖形識別：采用Opencv開源嵌入式圖像識別庫，二值灰度表示圖像和圖像的幾何學(xué)變換。

③ 聲音識別：采用Simon開源嵌入式聲音識別庫，兩階段識別算法，在英語語音識別系統(tǒng)中，常用的聲學(xué)模型基本單元是單詞（word），上下文無關(guān)音素（monophone），上下文相關(guān)音素（triphone，biphone）和音節(jié)（syllable）。

4 應(yīng)用系統(tǒng)分析及管理思想

當(dāng)前階段，本系統(tǒng)已經(jīng)搭建起來。實(shí)現(xiàn)基本功能的移植，已經(jīng)展現(xiàn)出其開放開源的好處，以及低成本的實(shí)現(xiàn)。

對于軟件產(chǎn)品來說，軟件開發(fā)就是其所有。對于嵌入式產(chǎn)品來說，除了硬件電路，還有大量的軟件開發(fā)，甚至還有機(jī)械結(jié)構(gòu)或者工業(yè)設(shè)計(jì)。這樣看來，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，特別是優(yōu)秀的嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)的過程，是一個(gè)比較復(fù)雜的項(xiàng)目管理過程。

技術(shù)、過程、人是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的三要素，過程起到了樞紐的作用，將技術(shù)和人貫穿起來，如何使技術(shù)和人能最大程度的發(fā)揮其作用，也成了開發(fā)者和項(xiàng)目管理者所面臨的重大挑戰(zhàn)。

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