Arm应对硬件/软件协同设计挑战的解决方案

每个人都曾与那位经验丰富的工程师或技术人员中的终身成员进行过交谈，他们说：“物联网并不是什么新鲜事。我已经这样做了 ［插入几十年］，我们只是将其称为 ［插入连接的嵌入式/M2M/其他暗示网络设备的术语］。” 让人翻白眼。这是错误的。

正如我们所知，物联网重新定义了嵌入式系统工程。它开创了一个时代，即期望相同的产品开发团队同时提供更快的上市时间和更长的生命周期支持。它迫使组织放弃传统的开发工作流程和组织结构，转而支持可以支持这些期望的敏捷实践和 DevOps。

物联网基础设施支持的人工智能和机器学习技术的爆炸式增长只会加速这些转变。

物联网项目推动的对设计速度和灵活性的日益重视也重新激发了对硬件/软件协同设计解决方案的需求。从概念上讲，只要芯片制造商一直在定义和实施指令集架构，硬件-软件协同设计就已经成为电子产品的一部分。直到现在，它才通过 Arm Total Solutions for IoT 等产品发展到系统级，这些产品支持加速应用程序开发、复杂的 AI 模型创建和全面的 IoT 技术堆栈。

在通往完全虚拟开发体验的道路上

要了解 Arm 的物联网整体解决方案路线图的发展方向，您必须考虑我们从哪里开始。

如前所述，硬件/软件协同设计原则已经存在了几十年。然而，由于使用的硬件解决方案的数量和多样性，它们在嵌入式和物联网领域基本上没有成功。为构建相对简单的嵌入式或物联网设备所需的所有组件创建虚拟目标，需要大规模的生态系统合作伙伴关系和充满模型的数据中心才能有效。即使这些资源在某种通用虚拟模型库中合并，当需要虚拟硬件目标的异构分布时，首次引入物联网边缘系统的大量云原生开发人员也将完全消失的整合。

在 2021 年 DevSummit 上，Arm 推出了物联网整体解决方案，这是一个工具和 IP 生态系统，旨在减少物联网开发的进入壁垒。全面解决方案堆栈迭代的核心围绕着 Cortex-M55 CPU、Ethos-U55 microNPU 和其他系统和安全 IP 的 Arm 虚拟硬件 （AVH） 模型，这些 IP 在硅可用之前支持软件构建和测试。

物联网整体解决方案还引入了一个基于上述内核的预集成、预验证和预验证 IP 子系统，称为 Corstone-300。虽然表面上 Corstone-300 是端点 AI 设计的示例子系统，但围绕它提供的工具意味着更多。其中包括：

将基于 RTOS 的设备链接到云的项目 Centauri API

现成的关键词识别机器学习模型

特定于应用程序的参考代码

应用程序开发人员第一次可以访问端到端的无硅环境，Arm 估计这将使开发生命周期缩短数年。

再往前走

当 Arm 首次推出 AVH 时，任何地方都没有任何基于 Cortex-M55 CPU、Ethos-U55 microNPU 或 Corstone-300 子系统的生产芯片。软件开发人员对 IP 的唯一访问权限是通过 AWS Marketplace 上基于云的虚拟机中托管的新创建的 AVH 模型。

虽然它只是一个小的 IP 集合，但它为 Arm 扩展物联网生态系统的整体解决方案奠定了基础，同时为云原生开发人员提供了他们可以消化的东西，并为嵌入式应用程序工程师提供了足够的灵活性来实现他们的特定设计目标。这在今年春天全面解决方案组合的扩展中得到了证明。

新的和改进的物联网生态系统整体解决方案现在包括七个额外的虚拟 CPU 模型，涵盖 Cortex-M0 到 Cortex-M33 系列。它还添加了新的 Cortex-M85 CPU 内核的虚拟版本，与次快的 Cortex-M 级设备相比，它的性能提高了 30%。

随着这些现在成为 AVH 环境的一部分，还发布了两个新的 Corstone IP 子系统。与 Corstone-300 类似，Corstone-310 将 Cortex-M55 CPU 内核换成了新的 -M85 内核，同时仍支持可选的 Ethos-U55 NPU。这使其成为智能扬声器、智能恒温器和无人机等语音识别设计的一个很好的起点。

图 1. Arm Corstone 系列集成 IP 子系统包含为最终用例（如语音识别、云原生边缘设备和关键字定位）开发 SoC 所需的所有构建块。

在 Corstone-1000 子系统中可以找到更多突破性的进步，该子系统旨在作为云原生边缘设备的参考。它基于 Cortex-A53 应用处理器、Cortex-M CPU 和安全飞地，并具有足够的性能来支持 Linux 等丰富的操作系统。其集成的安全功能也非常强大，Arm 已将 IP 子系统预认证为开箱即用的 PSA 2 级。

但是，至少对于那些对特定硬件功能感兴趣的人来说，AVH 产品组合最重要的增强之一来自于扩展而不是扩展。这是通过在 AVH 库中包含 Raspberry Pi 和 NXP 以及 STMicroelectronics 开发套件的虚拟模型来实现的。

来自 Arm 芯片合作伙伴的其他板的虚拟模型预计将很快添加到 AVH。所有这些虚拟硬件——从处理器和安全 IP 到 Corstone 子系统再到开发工具包目标——都可以在 AWS Marketplace 上免费获得。

虚拟硬件：一切都与软件有关

当然，仅靠 AVH 是不够的。为了使软件工程师能够进行持续集成和交付工作，AVH 模型必须与他们每天使用的自动化和开发工具兼容。

作为今年全面解决方案更新的一部分，Arm 添加了与 Keil Studio IDE、Jenkins 自动化服务器和 Github 的集成，以便直接访问代码存储库。使用 AVH 的程序员还可以利用对 Project Centauri 的改进，使其成为真正的软件重用和编程框架。其中包括对 CMSIS 硬件抽象层功能（如 Open-CMSIS-CDI 和 Open-CMSIS-Pack）的扩展支持，它们分别有助于为微控制器定义通用接口并提高软件可管理性。Open IoT-SDK 是 Open-CMSIS-CDI 的参考实现，也是 Centauri 项目的一部分，它提供了示例应用程序，有助于快速跟踪语音和关键字识别解决方案的开发。

“如果您考虑当今为物联网开发软件的方式，它与硬件的耦合非常紧密，每次添加新硬件时，您都必须重新开始并移植您的软件，”Mohamed Awad 说， Arm 的物联网和嵌入式副总裁。“投资回报率几乎没有那么高，因为每次将软件编写到较少数量的设备时都会受到限制。

“通过将 Arm 虚拟硬件集成到他们的产品中，它自然而然地成为了软件设计的一部分，”他继续说道。“关键是我们要去开发者所在的地方。”

越来越多的“开发人员所在的地方”似乎是跳线和电缆不在工作站旁边的任何地方。这让人很难想知道这是否预示着一个不远的未来，过去典型的嵌入式工程生命周期的整个阶段将不复存在。

如果这个未来成为现实，只要保证你不会告诉同事你记得硬件-软件协同设计被称为嵌入式工程的时候。

审核编辑：郭婷