Arm针对硬件/软件协同设计挑战的整体解决方案

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，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，转而采用能够支持这些期望的敏捷实践和DevOps。

由物联网基础设施推动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，硬件-软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 整体物联网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。

迈向完全虚拟的开发体验

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不成功。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，也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的虚拟模型库中，当面对需要集成的虚拟硬件目标的异构分布时，首次引入物联网边缘系统的云原生开发人员军团也将完全丢失。

在 2021 年开发者峰会上，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，旨在减少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在芯片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、预验证和预验证的 IP 子系统，称为 Corstone-300。虽然从表面上看，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Centauri API项目

现成的关键字识别机器学习模型

特定于应用的参考代码

应用程序开发人员首次能够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。

再往前走

当Arm首次推出AVH时，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 的唯一访问是通过托管在 AWS Marketplace 上基于云的虚拟机中的新创建的 AVH 模型。

虽然它是一个很小的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。今年春天整体解决方案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，涵盖Cortex-M0到Cortex-M33系列。它还增加了新Cortex-M85 CPU内核的虚拟版本，该内核的性能比第二快的Cortex-M级设备提高了30%。

由于这些现在成为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 所需的所有构建模块。

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，以至于 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而言，AVH产品组合最重要的增强功能之一来自纵向扩展而不是横向扩展。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 Marketplace 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。为了增强软件工程师的持续集成和交付工作的能力，AVH 模型必须与他们日常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。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硬件抽象层功能的扩展支持，如Open-CMSIS-CDI和Open-CMSIS-Pack，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可管理性。Open IoT-SDK是Open-CMSIS-CDI的参考实现，也是Project Centauri的一部分，它带来了示例应用程序，例如帮助快速跟踪语音和关键字识别解决方案的开发。

“如果你考虑一下今天为物联网开发软件的方式，它与硬件非常紧密地耦合，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，”物联网副总裁Mohamed Awad说。 “投资回报率并没有那么高，因为每次将软件写入较少数量的设备时，您都会受到限制。

“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。这使得人们很难怀疑这是否预示着一个不太遥远的未来，在这个未来，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还记得硬件-软件协同设计被称为嵌入式工程的时候。

审核编辑：郭婷