從前，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)從硬件開始。現(xiàn)在，可以再加入FPGA！面對(duì)應(yīng)用需求越來越復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分市場，以及快速迭代和成本效益的挑戰(zhàn)，選擇一種現(xiàn)成套件用于無線傳感節(jié)點(diǎn)原型設(shè)計(jì)和調(diào)試，是一種兼具開發(fā)效率和成本效益的解決方案，而全面的軟件環(huán)境和優(yōu)化的硬件平臺(tái)可加快你的開發(fā)進(jìn)度。在這個(gè)一連三集的開發(fā)板小系列，我們一起來了解更多！

Arduino和Raspberry Pi開發(fā)板是顛覆嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方式的登峰造極之作。從前，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)從硬件開始。項(xiàng)目步驟一般如下：

1.規(guī)范系統(tǒng)要求，包括粗略估計(jì)處理速度和I/O要求。

2.選擇符合功率、性能和價(jià)格要求的適當(dāng)微控制器或微處理器。

3.連接硬件原型。

4.調(diào)試硬件原型。如有必要，編寫少量驅(qū)動(dòng)程序代碼來調(diào)動(dòng)線路。

5.硬件運(yùn)行后，開始執(zhí)行代碼。

6.調(diào)試代碼。

7.發(fā)貨！

現(xiàn)在沒那么簡單了。首先，有數(shù)以千計(jì)的處理器和微控制器可供選擇，而它們來自眾多供應(yīng)商。沒有人可以把所有這些替代方案都記在腦中。

其次，上述第三項(xiàng)（連接硬件原型）提出了一個(gè)實(shí)際問題，因?yàn)槿昵叭蛞寻l(fā)展到采用表面貼裝技術(shù)的階段。對(duì)于電氣工程，上世紀(jì)70年代普遍使用的原型開發(fā)技術(shù)手工布線甚至繞接技術(shù)，類似于手工鍛造技術(shù)?，F(xiàn)今已很少用到此類技術(shù)。您確實(shí)需要設(shè)計(jì)、制造和焊接原型印刷電路板，如果有更好（更快、更低成本）的替代選項(xiàng)，誰會(huì)花時(shí)間那樣做呢？

這種情況為開發(fā)板創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，直接繞過上面的一至四步。目前市場上最知名的兩種開發(fā)板是ArduinoUno（及其眾多型號(hào)）和Raspberry Pi。Raspberry Pi的最新型號(hào)是Raspberry Pi 4 Model B。雖然人們經(jīng)常將Arduino開發(fā)板與Raspberry Pi開發(fā)板相提并論，但兩者截然不同。

嵌入式開發(fā)：從Arduino起步

Arduino是一家開源計(jì)算機(jī)硬件與軟件公司的名稱、一個(gè)開源社區(qū)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)和制造Arduino開發(fā)板的用戶社區(qū)、一種集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 以及實(shí)際Arduino微控制器板本身。（Arduino這個(gè)名字出自意大利伊夫雷亞的一家酒吧，Arduino項(xiàng)目的一些最初創(chuàng)始人過去常在那里會(huì)面。）

圖1：Arduino Uno是一款基于8位Atmel微控制器的入門級(jí)開發(fā)板，具有一些簡單的I/O功能，可作為不需要高性能的嵌入式設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)。（圖片來源：Arduino）

最初的Arduino開發(fā)板基于Atmel的AVR微控制器。在使用Arduino IDE開發(fā)代碼后，Arduino IDE隨后會(huì)編譯代碼，并將代碼下載到板載微控制器的閃存中。Arduino IDE支持C和C++語言，具備其獨(dú)有的特殊代碼結(jié)構(gòu)規(guī)則。由于Arduino概念得到了極大發(fā)展，較新的Arduino型號(hào)已升級(jí)到基于32位Arm? Cortex?-M0的微控制器，以實(shí)現(xiàn)更高性能（圖1）。

Arduino開發(fā)板是作為入門級(jí)微處理器開發(fā)板，用于控制相對(duì)簡單的嵌入式系統(tǒng)，因此其I/O功能非常簡單。除了一些帶有簡單數(shù)字I/O和模擬輸入引腳的0.1英寸針座外，Arduino Uno開發(fā)板還有一個(gè)USB端口以及一些可以閃爍的板載LED。就這么簡單。I/O引腳由軟件控制，因此在發(fā)揮這些引腳的性能時(shí)不會(huì)有太多阻礙。

升級(jí)到Raspberry Pi！

如果嵌入式設(shè)計(jì)需要更高性能，那么可以考慮從Arduino升級(jí)到Raspberry Pi 3 B+開發(fā)板（圖2）。以下是該開發(fā)板的重要特性：

Broadcom BCM2837B0，1.4 GHz Cortex?-A53 （Arm?v8） 64位SoC

1 GB LPDDR2 SDRAM

2.4 GHz和5 GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac無線LAN，藍(lán)牙4.2，BLE

USB 2.0千兆位以太網(wǎng)（最大吞吐量300 Mbps）

擴(kuò)展型40引腳GPIO針座

全尺寸HDMI

四個(gè)USB 2.0端口

擴(kuò)展型40引腳GPIO針座

CSI攝像頭端口，用于連接Raspberry Pi攝像頭

DSI顯示端口，用于連接Raspberry Pi觸摸屏顯示器

4極立體聲輸出和復(fù)合視頻端口

Micro SD端口，用于加載操作系統(tǒng)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

5V/2.5A直流電源輸入

以太網(wǎng)供電 （PoE） 支持（需要獨(dú)立的PoE HAT）

圖2：Raspberry Pi 3 Model B+是一款出色的嵌入式硬件開發(fā)平臺(tái)，具有四核64位Arm 應(yīng)用處理器、1 GB SDRAM以及豐富的I/O功能。（圖片來源：Raspberry Pi）

有了如此多的處理能力、存儲(chǔ)器和I/O功能，您可以做很多事情。Raspberry Pi 3 B+開發(fā)板可運(yùn)行Linux，且該產(chǎn)品具有龐大的支持社區(qū)。Raspberry Pi 3 Model B+價(jià)格低廉，成為許多嵌入式開發(fā)項(xiàng)目的絕佳硬件平臺(tái)。

如果您需要提速，該怎么辦？

如果Raspberry Pi 3 Model B+滿足您對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的所有要求，則無需再尋找其他產(chǎn)品。既然這款開發(fā)板價(jià)格低廉，功能又極其強(qiáng)大，那么何必多此一舉呢？但是，如果您的嵌入式系統(tǒng)需要的特殊I/O功能超出Raspberry Pi Model 3 B+的大量I/O資源，該怎么辦？

這種情況就是您需要FPGA的高性能功能的一個(gè)例子，F(xiàn)PGA擅長讓您僅使用軟件即可定義出新型高速接口。無需額外布線。

ZynqBerry基于Xilinx的Zynq Z-7010 SoC，融合了雙核Arm? Cortex?-A9 32位微處理器和FPGA。以此打造的器件與單個(gè)處理器（或甚至以1.4 GHz運(yùn)行的四個(gè)處理器）相比，能夠處理更多的高性能任務(wù)。您可以使用可下載的Xilinx Vivado工具套件對(duì)Trenz ZynqBerry進(jìn)行編程，該套件可為Zynq SoC的軟件（處理器）和硬件 （FPGA） 端提供 IDE。

更喜歡Arduino的外形尺寸？

但如果您更喜歡Arduino Uno的外形尺寸呢？Trenz Electronic的TE0723-03M ArduZynq也可滿足您的這一需求（圖3）。

圖3：對(duì)于需要更多處理器和I/O性能的Arduino項(xiàng)目，Trenz Electronic的TE0723-03M ArduZynq將Xilinx Zynq SoC置于Arduino開發(fā)板外形尺寸中。（圖片來源：Trenz Electronic）

與Trenz ZynqBerry一樣，您可以使用可下載的Xilinx Vivado工具套件對(duì)Trenz ArduZynq進(jìn)行編程。

像Arduino Uno和Raspberry Pi這樣的開發(fā)板可以簡化許多嵌入式開發(fā)選擇，但無法應(yīng)對(duì)所有嵌入式設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。當(dāng)您的需求超出這些開發(fā)板的功能時(shí)，無需更改開發(fā)板的外形尺寸。您只需在組合中添加一點(diǎn)FPGA。