现成的组件对于嵌入式开发工程师而言并不是什么新鲜事物。但是，实际上没有人期望一种“一刀切”的解决方案，尤其是在涉及复杂的I / O要求的情况下。

但是，基于流行的夹层卡格式的具有成本效益的现场可编程门阵列（FPGA）技术的新实现正在“针对VME，PCI，CompactPCI和VME提供可承受的标准硬件和自由形式的I / O多功能性”的两全其美。独立系统。

使这种多功能性成为可能的引擎是通用子模块（USM）概念-一种基于具有FPGA功能的标准夹层卡格式和多功​​能插件模块构建的开放系统方法，可将来自定制FPGA的唯一I / O信号映射到标准夹层卡连接器。它使用通用的硬件和软件构造块来执行解决方案，但是将混合I / O需求的分配留给嵌入式系统嵌入式开发工程师来决定。

对于面临时间限制或成本限制紧缩的系统设计人员而言，这种方法可提供更好的经济性和更短的上市时间以进行初始实施。在以下方面，它的优势和对硬件，编程，实现和寿命的影响也可以是深远的：

* 可用性。不论I / O配置要求如何，均可使用现成的标准夹层卡，FPGA和知识产权（IP）内核来最大程度地减少采购延迟。

*多功能性。 FPGA的固有灵活性使通用子模块概念能够提供极为多样化的解决方案。

*可升级性。对于仍在不断发展的应用程序或重新编程性，可重用性或可升级性是关键问题的场合，自由地在现场和现场升级编程特别有利。

*可移植性。 即使在不同的夹层卡格式之间，也可以共享FPGA编程和通用子模块，从而最大程度地减少了硬件兼容性和硬件组件过时的问题。

USMconcept的构建块

通用子模块概念的目的是避免为了适应独特的I / O要求而在每个嵌入式系统设计中重新发明轮子。建立标准化的夹层卡平台以实现通用的FPGA功能，可使嵌入式系统设计人员更轻松地分配每种应用所需的独特I / O功能。

这种多功能性和可负担性为国外的数据密集型应用程序提供了众多优势，从测试和仿真系统到工业自动化和电信，再到移动应用程序中的监视和控制功能，无处不在。

这种模块化方法通过开放式应用程序灵活性来补充插件兼容性，以在初始应用程序开发以及随后的潜在升级期间提供可负担的电源和控制。它围绕四个关键构建模块进行设计：

Building Block＃1：夹层卡。 使用夹层卡来处理自定义嵌入式应用程序的I / O功能没有什么新意。但是USM概念的不同之处在于，以四种可用格式之一（“ PMC，传导冷却的PMC，M-Module和XMC”）执行的标准夹层卡概念能够被编程为处理多达46个独立I / O信号的任意组合。 。

这种方法可为夹层卡生产提供规模经济，简化订购和库存需求，并构建一个通用平台，使后续实施更加容易。（下面的图1。）

图1。USM概念的开放系统标准包括四种夹层卡格式-M-Module，XMC，PMC和传导冷却PMC。每种格式都接受相同的USM插件模块，可以帮助扩展针对一种USM夹层卡跨平台开发的功能。其他三种格式。

构件2：FPGA。 使FPGA在通用子模块概念中切实可行的实现的一件事是，与处理能力相关的成本不断下降。FPGA已经为硬件格式的通用编程配置提供了一种选择。

但是，FPGA成本降低结构的发展使通用子模块概念具有成本效益，足以赢得预算有限的设计者的考虑。十年前，具有100,000个逻辑元件（LE）的FPGA的成本约为1,000美元，但现在可以降至100美元，从而帮助FPGA与RISC和CISC处理器的成本效益竞争。

而且，无需对夹层卡硬件进行任何修改即可轻松地在现场更新FPGA的功能。而且FPGA编程很容易转移到其他夹层卡（如果有必要），这减少了由于组件过时而必须升级夹层卡或从头开始的担忧，因为功能与FPGA的编程无关，而与原始硬件的配置无关夹层卡。

构件3：IP内核。 虽然传感器，通信和反馈回路的特定I / O要求可能因应用程序而异，但信号处理所需的许多功能（如接口或控制器）却很常见。以各种组合实现适当的IP内核，可使系统设计人员为其独特的应用程序配置必要的功能。

可以从各种资源（包括公共领域的资源（如www.opensources.com）以及各个董事会和组件供应商” 获得通用核心功能，从而节省了应用程序开发的时间和金钱。它还为系统嵌入式开发工程师提供了一种简便快捷的选择，以执行自己的实施，或者与他们的供应商之一或独立的第三方（如果需要）签约。

Building Block＃4：插件通用子模块。 USMplug-on模块的功能使系统设计人员能够映射FPGA和安装在每个夹层卡模块末端的SCSI 2连接器之间的特定连接。

与FPGA的IP内核的特定功能相关的线路驱动器与夹层卡模块分离，并在USM模块上实现，该模块只需插入相应的夹层卡主模块即可。插件模块支持每秒高达20 Mbits的数据传输速率。

这些插接模块的机械设置（在通用子模块开放标准中定义）使用相同的67.0 mm x 43.5 mm的模块卡和相同的连接器间距，以在四种可用的夹层卡格式中的任何一种之间互换使用。为其他电子和机械组件提供了空间（在不同的夹层卡格式标准的限制内）。

将难题拼凑在一起

USM主模块夹层卡包括具有多达33,000个逻辑元素的FPGA，多达8 MB的非易失性闪存，32 MB SDRAM存储器，以及每个夹层卡上的FPGA和USM插件模块之间有46个可用的引脚连接。夹层卡前面板上的50针SCSI 2插座连接器为各种I / O信号提供了外围连接。

在引导阶段，将从板载闪存中加载FPGA的硬件配置，该板载Flash存储器包含用于FPGA最低配置的源代码。一旦使用基本配置对FPGA进行了编程，就可以将应用本身的硬件配置（例如，通过PCI总线）加载到闪存的第二个区域中。同样在FPGA中实现的软核处理器可以在需要时提供本地智能。

与其他商用现货（COTS）解决方案一样，易于实现是通用子模块概念成功的重要考虑因素。为了简化该实现，开发套件提供了两种基本的夹层卡格式PMC和M-Module。

这些套件使用户能够快速，轻松地将非常特殊的I / O要求或标准配置不可用的单个功能组合转换为完全配置的产品解决方案。（下面的图2。）

图2。通用的子模块嵌入式开发工程师针对四种夹层卡格式中的每一种的套件都包含实现唯一I / O应用程序所需的一切，包括裸露的USM插入模块和测试板，以与来自FPGA的定制I / O信号接口。

每个套件均包含所选格式的标准夹层卡，FPGA封装，空白的USM插件模块，测试板（用于引导来自FPGA的I / O信号以及用于软核处理器的调试接口）以及SCSI。 2条电缆，用于连接themezzanine卡和测试板。

与每个套件中提供的那些硬件构造块相辅相成的是，许多易于使用的IP内核可用于为每个独特的应用程序分配特定的功能。

它们提供了实现各种功能的功能，例如各种控制器（CAN，以太网，binaryI / O等），接口（闪存，PCI-Wishbone，Wishbone-ISA等），桥和解码器。

这些IP内核可以单独实现，也可以组合起来满足计算机I / O（如图形，以太网或UART）的移动或工业通信需求，以及典型的工业功能，如数字/模拟过程I / O，电机控制，SSI等。 。

底线

作为一种可满足定制需求的开放系统适应性标准方法，通用子模块概念可以由任何嵌入式系统嵌入式开发工程师使用组件供应商提供的，遵循通用子模块标准的硬件来实现。

PMC，M-Module和XMC夹层卡的所有供应商和用户均可使用的已发布标准记录了与USM兼容的硬件组件的机械，电气和环境特性，该标准具有足够的容量和能力来满足广泛的需求。根据通用子模块标准，提供适当电路所需的硬件组件应符合-40至+85摄氏度的扩展温度范围。

有了该基本规范，再加上可提供传导冷却的夹层卡，以及可提供坚固的连接器和焊接组件来满足对冲击和振动的额外要求，通用子模块概念可满足各种坚固型嵌入式系统应用的运行要求。

健壮的性能，具有成本效益的多功能性，易于升级的现场性，尽管组件报废但使用寿命长以及开放系统标准中固有的选择自由，这些都使通用子模块概念成为解决许多常见的嵌入式I / O问题的潜在解决方案系统嵌入式开发工程师。