《LabVIEW FPGA开发宝典》第9章：利用树莓派Linux RT+FPGA PCIe实现国产化RIO

1、引言：神电测控为什么要做支持LabVIEW直接编程的树莓派+PCIe+FPGA国产化cRIO（图形化、国产化、定制化、模块化、成本化）
在很多嵌入式设备里面，除了FPGA外，一般还会存在一个运行实时系统的控制器，比如NI的cRIO设备，就是其中一种典型的代表。这种设备跟我们平时将FPGA插到电脑或者工控机上有些许不同，电脑和工控机主板上的CPU一般都是Intel X86结构，运行的系统一般都是非实时的Windows系统，这种主板的功耗和体积一般都比较大。
随着ARM内核的兴起，小型嵌入式设备逐步崛起，并且性能甚至超过了X86芯片，比如4核Cortex-A72，主频1.5G的树莓派ARM芯片，就是其中之一。ARM芯片非常适合跑嵌入式系统，比如开源的Linux系统（Ubuntu、Debian和Raspbian）。目前市面是上跑Linux系统销量最高的莫过于树莓派了，号称口袋计算机，相信很多人听说过。
好消息是，最新的树莓派开始往工业界渗透了，出现了工业级树莓派CM4（具体内容我们在后面给大家介绍），上面开始支持PCIe接口，这个PCIe接口不仅提高了树莓派跟其他外设之间的传输带宽，也给我们做FPGA嵌入式开发的工程师带来了福音，我们将Pro4开发宝典里面的FPGA板卡通过PCIe线缆直接接到树莓派主板上，这样就实现了一个类似于NI的cRIO控制器架构。
而Linux系统的程序开发，相信很多工程师都不会，所以我们选择LabVIEW直接编写Linux程序，极大的降低了开发门槛，加上我们一直以来的LabVIEW My FPGA软件工具包搞定了FPGA芯片里面的程序开发，这样二者一结合，一个人就能使用LabVIEW搞定Linux和FPGA的编程了，想要快速做出一个带FPGA高速处理的边缘计算盒子，也就是半天的功夫。更为重要的是，可以极大的降低硬件开发和设计成本，相对于NI的cRIO来说，硬件成本不到十分之一。而且树莓派和FPGA都是模块化的，树莓派的核心板，网上一大堆，白菜价，还是工业级的，FPGA的核心板也是一样，性价比都是极高的。
说到cRIO控制器架构，估计没有接触过NI的用户不是很了解，下面我们专门给用户讲解一下NI的cRIO控制器为什么受大家喜爱，有哪些特点值得我们学习。
2、NI cRIO控制器架构、优势、特点（RT OS+FPGA+Module）
NI公司最出名的莫过于PXI机箱和PXI控制器，这种设备在复杂环境下的抗干扰能力有限，于是在很多年前，NI创始人Dr.T开始规划和设计了一种全新的兼顾性能、可靠性、模块化、支持LabVIEW图形化编程的控制器，称之为compact RIO，简称cRIO。
下面，我们给出几种NI常见的cRIO设备实物照片和软件开发示意图，如图9-1~9-5所示。
图9-1：NI Compact RIO软硬件产品示意图

图9-2：NI cRIO控制器里面的Linux RT和FPGA均支持LabVIEW图形化编程
图9-3：NI新款cRIO控制器侧面解剖示意图
图9-4：NI新款cRIO控制器正面解剖示意图
图9-5：NI cRIO软件开发示意图
这些cRIO设备由3部分构成：运行实时系统的CPU、机箱背板上的FPGA、各种功能模块。可以通过一幅系统框架来阐明cRIO设备的架构，如图9-6所示。
图9-6：NI cRIO系统组成框图
CPU：相当于大脑。早期的cRIO里面的控制器采用的是飞思卡尔PowerPC架构的CPU，跑VxWorks实时系统；随着ARM芯片的兴起，现在的cRIO控制器部分基本上都是ARM内核和X86 CPU，跑的是开源的Linux实时系统，简称Linux RT；当然也可以在里面跑Windows系统。当下和未来，Linux RT将是NI重点发展的方向，毕竟Linux开源和免费。
FPGA：相当于神经中枢。这个是cRIO里面最核心的部件，不同于市面上其他家的硬件，因为NI开发了LabVIEW FPGA工具包，可以直接对FPGA进行图形化编程，所以在cRIO里面集成FPGA，可以有效的解决并行和高速信号采集、处理、闭环控制等问题，极大的降低了RT里面的程序压力；同时解放了Linux RT里面的外设驱动编写，FPGA作为连接RT和模块之间的桥梁，可以将功能模块采集的数据直接通过PCIe或者AXI总线（ZYNQ）传输到Linux系统里面；也可以承担复杂的、对速度响应要求极高的任务执行以及对原始的数据进行高速处理，比如滤波，FFT，数值特征提取等等；FPGA既能起到桥梁的作用，还可以做CPU做不到的事情，一举两得。
功能模块：相当于手、脚和感官。NI针对cRIO开发了几百种功能模块，其功能覆盖了目前所有已知领域：数据采集、运动控制、信号生成、图像视觉、总线通信，更是在风电、能源、健康状态监测、资产监测、HIL硬件在环、模型仿真有着诸多的应用和案例。
总结：RT系统适合跑一些us级的任务，FPGA可以做多个并行的ns级的任务，功能模块负责输入和输出，也就是I/O。
可以看出，NI发明的cRIO设备有着许多其他厂商控制器无法取代的优势：
 充分发挥出Linux实时系统和FPGA并行计算的优势，二者结合基本上可以搞定80%的工程应用问题；us级的任务代码交给Linux RT处理，ns级的程序交给FPGA搞定，通力合作干掉市面上所有PAC控制器。
 支持LabVIEW图形化编程，Linux RT和FPGA里面的所有代码都可以采用LabVIEW编程，并且NI有着比Matlab更多更全面、极为丰富的软件工具包和各种算法VI，都可以直接编译部署下载到RT和FPGA里面运行，这个也是NI为人类贡献的宝贵财富。
 几百种功能模块可以自由组合，任意插拔，给不同行业的客户提供了快速的解决方案，就像乐高机器人那样，只要用户有好的idea，cRIO都能帮大家快速实现。
讲了这么多NI cRIO设备的优势，大家是不是都有点心动了，是不是想在自己现在或者今后的项目当中也试试cRIO呢？cRIO确实是个好东西，可惜价格太贵了，对于一般的公司和个体户来说，cRIO几~十几W的价格还是一座难以逾越的大山，毕竟我们是发展中国家，美国是发达国家，由于汇率和人民生活水平的原因，导致了NI硬件昂贵的感觉。
一个项目本身可能也就十几W的预算，如果全部被硬件占用的话，基本上大家就不用干了。所以我们这本书（Pro5）就是给用户开辟了一条另辟蹊径的道路，并且经过很多企业客户的实践证明是可行的，那就是接下来我们要向大家介绍的国产化cRIO。
无论是NI的cRIO设备还是我们这里提到的国产化cRIO，核心本质和灵魂都是前面介绍的那一套框架：Linux RT+PCIe+FPGA+Module。并且我们提出的由树莓派（英国Raspberry）或者RK3399（中国）+PCIe+FPGA实现的控制器跟NI本身没有版权冲突，用户可以放心自由的开发和使用。