Arm应对硬件/软件协同设计挑战方案

物联网重新定义了我们所知道的嵌入式系统工程。它开创了一个时代，在这个时代，相同的产品开发团队可以同时获得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，转而采用可以支持这些期望的敏捷实践和DevOps。

由物联网基础设施实现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。

物联网项目对设计速度和灵活性的日益重视也重新增加了对硬件/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现指令集架构，软硬件协同设计就一直是电子产品的一部分。直到现在，它才通过Arm物联网整体解决方案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模型创建和全面的物联网技术堆栈。

迈向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，由于所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在很大程度上是不成功的。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，将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。即使这些资源合并到某种通用虚拟模型库中，当面临需要集成的虚拟硬件目标的异构传播时，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丢失。

在 2021 年 DevSummit 上，Arm 推出了物联网整体解决方案，这是一个由工具和 IP 组成的生态系统，旨在降低物联网开发的进入壁垒。整体解决方案堆栈迭代的核心围绕着 Cortex-M55 CPU、Ethos-U55 microNPU 以及其他系统和安全 IP 的 Arm 虚拟硬件 （AVH） 模型，这些 IP 支持在芯片可用性之前进行软件构建和测试。

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、预验证和预验证的 IP 子系统，称为 Corstone-300。虽然在表面上，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。这些包括：

将基于实时操作系统的设备链接到云的半人马座项目 API

现成的关键字识别机器学习模型

特定于应用程序的参考代码

应用程序开发人员首次可以访问端到端的无硅环境，Arm估计该环境将使开发生命周期缩短数年。

更远的路

当Arm首次推出AVH时，没有任何基于Cortex-M55 CPU，Ethos-U55微型NPU或Corstone-300子系统的生产硅。软件开发人员对 IP 的唯一访问权限是通过在 AWS 市场上基于云的虚拟机中托管的新生成的 AVH 模型进行的。

虽然这是一小部分IP集合，但它为Arm扩展物联网整体解决方案生态系统奠定了基础，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其特定的设计目标。今年春天，整体解决方案产品组合的扩展证明了这一点。

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，跨越Cortex-M0到Cortex-M33系列。它还增加了新Cortex-M85 CPU内核的虚拟版本，与下一个最快的Cortex-M级设备相比，性能提高了30%。

随着这些现在是AVH环境的一部分，两个新的Corstone IP子系统也被释放了。与Corstone-300类似，Corstone-310将Cortex-M55 CPU内核换成了新的-M85内核，同时仍然支持可选的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绝佳起点。

图 1.Arm Corstone 系列集成 IP 子系统包含为语音识别、云原生边缘设备和关键字发现等最终用例开发 SoC 所需的所有构建块。

Corstone-1000 子系统提供了更多突破性进展，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 和安全安全隔区，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 已开箱即用地将 IP 子系统预先认证为 PSA 2 级。

但是，AVH产品组合最重要的增强功能之一，至少对于那些对特定硬件功能感兴趣的人来说，来自向上扩展而不是向外扩展。这是通过在AVH库中包含树莓派和恩智浦以及意法半导体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电路板的虚拟模型预计将很快添加到AVH中。所有这些虚拟硬件 （ 从处理器和安全 IP 到 Corstone 子系统再到开发套件目标 – 都可以在 AWS 市场上免费获得。

虚拟硬件：一切都与软件有关

当然，AVH本身是不够的。为了支持软件工程师的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。

作为今年整体解决方案更新的一部分，Arm 增加了与 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。与AVH合作的程序员还可以利用对半人马座项目的改进，使其成为真正的软件重用和编程框架。其中包括对 CMSIS 硬件抽象层功能的扩展支持，如开放 CMSIS-CDI 和开放 CMSIS 包，这些功能分别有助于定义微控制器的通用接口并提高软件的可管理性。开放物联网-SDK是开放CMSIS-CDI的参考实现，也是半人马座项目的一部分，该项目将示例应用程序带到桌面上，以帮助快速跟踪语音和关键字识别解决方案的开发。

“如果你考虑一下当今物联网软件开发的方式，它与硬件的耦合非常紧密，每次你添加新的硬件时，你都必须重新开始并移植你的软件，”Arm的物联网和嵌入式副总裁Mohamed Awad说。

“通过将Arm虚拟硬件集成到他们的产品中，它成为软件设计的自然组成部分，”他继续说道。“关键是我们要去开发人员所在的地方。

越来越多的人似乎认为，“开发人员所在的地方”是跳线和电缆不在工作站旁边的任何地方。这让人很难怀疑这是否预示着一个不太遥远的未来，在这个未来，曾经是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，只要承诺你不会告诉同事你还记得软硬件协同设计被称为嵌入式工程的时候。

审核编辑：郭婷