嵌入式控制和监测应用的趋势：可重配置 I/O(RIO) 架构

多年来，嵌入式系统设计人员一直都在使用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）配合微处理器(MPU)及微控制器(MCU)进行系统开发。FPGA已经广泛应用于扩展MPU I/O的功能，以及作为各种子系统和通信端口的连接接口。随着FPGA容量的增加，嵌入式系统中越来越多地使用FPGA与MCU和MPU配合，从而大幅提高系统的整体灵活性和性能，远胜于单独使用MCU或MPU。在许多高科技工业领域，MPU和FPGA配合用于嵌入式系统已经非常常见，而在未来，我们将更多地看到这种FPGA与MCU和MPU协同工作的架构被应用于高级控制和监测系统的设计中。

一直以来,在高级控制和监测系统中，人们总是要求系统有更高的处理能力。目前，我们通常采用专用的DSP来处理计算强度大的控制算法或信号处理算法，分担微控制器的工作。 另外一种常见的架构是采用多个微控制器进行分布式处理。在超大型的运动控制系统或高通道数的动态监测系统中，每个轴或每个通道中就配有一个微处理器。实践证明，目前FPGA已经成为理想的减负处理器，相较DSP和分布式微处理器而言，更加灵活。

除了MPU和FPGA以外，高级的控制和监测系统还需要专用的I/O来作为传感器、执行器或者是特定应用的通信总线和网络的接口。将各种专用的I/O子系统直接连接到FPGA上，可提供最高的灵活性和最佳的系统性能。MPU、FPGA和专用I/O相结合构成了用于高级控制和监测系统的最佳架构——可重配置I/O(RIO)架构。

科学家和工程师已使用RIO架构（如图1所示）来设计各种行业或应用中需要的嵌入式系统，包括医学成像、可再生能源、结构监测、配电系统、工业机器控制和原子物理研究等。通过RIO架构，设计团队可开发具有独特功能以及超高性能的创新型系统。举例来说，Kitasato大学的Kohji Ohbayashi博士和他的团队设计了世界上的第一套实时3D光学相干断层(OCT)医学成像系统，此系统每秒可进行700 000次512点快速傅里叶变换(FFT)。另外，Windlift公司的Matt Bennett也正在使用RIO架构开发12kW 便携式空中风能发电系统，该系统需要强大的控制功能和极大的灵活性来满足该新兴技术中不断变化的需求。

针对高级控制和监测系统的RIO架构
RIO系统架构中的FPGA为高级控制和监测系统提供了多种优势。首先，FPGA可以在各个方面提高MPU的性能，例如数字信号处理、高级控制算法、自定义接口、定时、触发等。与传统的专用集成电路(ASIC)及离散数字设计相比，FPGA的这些功能为整个系统带来了更大的灵活性和可维护性。由于所有专用I/O都是通过FPGA来进行布线的，因此可在任一，或所有I/O通道上执行数字信号处理。嵌入式设计人员可利用可用IP来执行一些常见的处理功能，例如滤波、平均、抽取、频谱分析和重采样，或在FPGA芯片中设计完全自定义的数据处理。由于控制IP可用，且可在FPGA中开发自定义控制算法，因而设计人员也可在FPGA中执行数字控制算法。借助RIO架构，设计人员可在FPGA中完成整个控制环路-输入、控制算法和输出，实现高速循环、高确定性和超低延迟。

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