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FPGA及图形化系统设计快速开发全息图资料储存系统
 

【作者: Brian MacCleery】2007年10月03日 星期三

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全息图数位资料储存(Holographic digital data storage, HDDS)技术是光学储存业界最具发展愿景的新技术,因为传统的资料储存技术已经接近实体上的限制。 HDDS和传统技术不同,它可以将传导体容体里面的资料编码,而不只是在传导体表面上,因而可以达成超高密度储存的目标。达成极高的资料通量的方法则是使用庞大的平行记忆体区块(称为page)来记录及取得资料,而不是一次读取或写入一个位元。全息图储存可以将资料传输速度提高到接近每秒十亿个位元(1 Gbps),将存取时间降低到数十微秒,并将储存密度提高至1 Tb/cm3的理论最大值。 Daewoo Electronics开发出世界第一款供HDDS使用的高准确度伺服运动控制器实用原型机展示。最初选择的所估计出的成本为:使用传统的嵌入式开发方法设计一款客制DSP介面卡,便要达数万美元,而且需要几个月的时间进行开发。传统设计流程的挑战之处在于它非常直线化,软体开发人员必须等候硬体设计完成,设计流程很缓慢。 HDDS系统就是极具设备复杂性的挑战之一。


新一代图形化工具

为了更迅速让原型机进入市场,Daewoo改用NI推出的新一代图形化系统设计(GSD)工具。图形化系统设计是新的嵌入式开发方法,利用统一的高阶图形化程式设计语言,配合立即可用、采用可重新设定的厂房可程式化闸阵列(field programmable gate array, FPGA)硬体、整合性即时处理器及插入式I/O模组的嵌入式原型制作平台。GSD设计流程的目标是运用原型制作硬体及流线化的开发工具,在布署之前对系统设计进行精制,将低阶的硬体应用细节(例如暂存器层级的互动)抽取出来,让开发人员免于设计的复杂度,并利用预先制成的智慧财产(IP)区块来解决常见的作业,例如运动控制和数位信号处理。



《图一 HDDS并非从表面上一次存取一位的数据,而是在3D媒体中的多个层面上储存及读取整页数据。》
《图一 HDDS并非从表面上一次存取一位的数据,而是在3D媒体中的多个层面上储存及读取整页数据。》

FPGA设备是图形化系统设计的核心技术之一。 FPGA是内含可重设组态闸门阵列逻辑电路矩阵的设备。和处理器不同的是,FPGA可重新连接内部线路,以便用最佳方式来执行处理逻辑。 FPGA提供精确的计时和同步化功能、快速决策,以及在一颗晶片中同步执行平行作业的能力,而这颗晶片可以使用软体无限次地加以重设组态。


使用两个主要子系统

Daewoo HDDS原型包括两个主要子系统:一部电子光学运动控制系统,以NI CompactRIO 3M闸道FPGA机箱为基础;一部视讯解码系统,以8M闸道Xilinx FPGA界面卡为基础。 CompactRIO系统控制一部线性马达,一部步进马达,一个galvo mirror,以及一部CMOS摄影机。由于每个运动控制回圈都需要精确的控制,因此使用感测器回馈信号,在FPGA硬体中直接进行闭回圈控制。透过在硬体中进行控制回圈,可以完全消除计时抖动的影响,而且控制回圈速率仅受限于I/O模组的更新速率。


和传统的运算介面卡不同,CompactRIO允许Daewoo使用NI LabVIEW FPGA模组,自行设定脉冲产生器的时脉达到单FPGA时脉的解析度。为了消除滑动(slipping)的问题,设计师设计自制的加速及减速数学函数,开发出复杂的马达控制运算法。除了运动控制之外, CompactRIO也和使用NI的信号处理技术开发的视讯解码FPGA介面卡通讯,以进行视讯取得和CMOS摄影机控制。CompactRIO也在MPEG解码器之前检查累积在缓冲区中的资料量(它会随着速度而有极大的变动),控制资料传输速率。



《图二 快速原型建立平台提供能力,得以使用图形化程序设计来设计客制FPGA逻辑,然后使用真实世界的I/O信号来验证嵌入式设计。》
《图二 快速原型建立平台提供能力,得以使用图形化程序设计来设计客制FPGA逻辑,然后使用真实世界的I/O信号来验证嵌入式设计。》

Daewoo Electronics 设计工程师Byoungbok Kang表示,我们的团队没有花费数万美元和几个月的时间设计客制DSP介面卡,而是使用NI CompactRIO高速FPGA技术及使用容易的NI LabVIEW软体,迅速开发这款具突破性的HDDS系统。我们对于这项专案能够如此快速而有效率地完成感到十分惊奇。


透过运用NI图形化系统设计开发工具,Daewoo只需花费数千美元即开发其系统,而不致牺牲效能。再者,开发时程减少为一个月,在韩国电子展(KES)中展出,赢得业界的赞赏。


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