設計工程師通常使用C等編程語言來開發(fā)基于微處理器或微控制器架構的嵌入式系統(tǒng)。 C語言的普及催生了用于程序庫、編譯器和操作系統(tǒng)等工具的大型技術生態(tài)系統(tǒng)。現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是嵌入式領域的新技術，采用硬件描述語言來創(chuàng)建可重配置數(shù)字邏輯。為了描述硬件和利用數(shù)字電路的高性能并行性，硬件描述語言提供的語法與軟件工程師習慣使用的語法截然不同。通過提供包含軟件工程師熟悉的編程構造的FPGA開發(fā)環(huán)境，在設計中使用FPGA嵌入式軟件工程師就可以充分發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢。

使用NI硬件的嵌入式系統(tǒng)設計工程師在構建其系統(tǒng)時可以選擇一系列編程語言和工具。閱讀本文檔，了解如何編程NI嵌入式系統(tǒng)以及下載您需要的軟件工具。

1. NI嵌入式系統(tǒng)架構介紹

NI可重配置I/O (RIO)平臺包括兩個可編程硬件：運行實時操作系統(tǒng)(RTOS)的微處理器和FPGA。這使您可以根據(jù)每個任務的重要性，在FPGA和RTOS之間為代碼分區(qū)。

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圖1. NI嵌入式硬件架構

NI可重配置硬件

在嵌入式系統(tǒng)設計中引入FPGA，使得無需自定義ASIC設計就可以創(chuàng)建高性能數(shù)字邏輯。FPGA的開發(fā)通常是采用基于文本的硬件描述語言來實現(xiàn)，如VHDL或Verilog，這些是由數(shù)字設計工程師編寫。但是由于這些硬件描述語言的語法過于復雜，要利用FPGA設計的全部功能非常困難。這一點充分體現(xiàn)在嵌入式行業(yè)亟需尋找更高層次抽象的FPGA設計，如C-to-gates工具或LabVIEW FPGA的G語言等圖形化編程語言。

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圖2. NI嵌入式系統(tǒng)軟件架構

NI嵌入式軟件架構

實時操作系統(tǒng) - 您可以靈活地選擇使用LabVIEW Real-Time、C / C+ +、文本數(shù)學或這些語言的組合來編程嵌入式處理器。您可以從多個軟件架構中進行選擇，使您既可以集成以往項目的現(xiàn)存源代碼，同時還可利用LabVIEW的特性來節(jié)省開發(fā)時間。

FPGA - LabVIEW提供了一種全功能的編程語言，因此如果您熟悉基于文本的傳統(tǒng)編程語言，如C，您就可以放心地使用環(huán)境，同時利用新硬件平臺——FPGA的優(yōu)勢。

2. 選擇NI嵌入式硬件平臺

NI RIO硬件提供了最好的現(xiàn)成平臺來幫助您完成任何的控制和監(jiān)測任務。NI基于平臺的方法使得小團隊能夠自信地構建創(chuàng)新型嵌入式系統(tǒng)，而且不需要浪費開發(fā)時間和成本在自定義設計上。

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3. NI LabVIEW for FPGA Development

LabVIEW編程環(huán)境顯然非常適用于FPGA編程，因為它可清晰地顯示并行機制和數(shù)據(jù)流。使用?LabVIEW FPGA Module，擅長C語言的工程師和科學家也可以在他們的設計中利用FPGA，而無需學習硬件設計。此外，F(xiàn)PGA接口C API提供了FPGA和實時應用程序之間的通信層，用于實現(xiàn)I/O控制和數(shù)據(jù)流。有了這個API，您可以使用LabVIEW圖形化工具對FPGA進行編程，并選擇LabVIEW或C / C+ +工具來對系統(tǒng)內(nèi)的處理器進行編程。?

LabVIEW FPGA可幫助您創(chuàng)建自定義測量和控制硬件而無需底層硬件描述語言或板卡級設計。您可以使用此自定義硬件來實現(xiàn)獨特的定時和觸發(fā)程序、超高速控制、數(shù)字協(xié)議連接、數(shù)字信號處理(DS)，P以及許多其他需要高速硬件可靠性和嚴格確定性的應用。

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圖3. LabVIEW FPGA中定時循環(huán)

4. C/C++實時應用程序開發(fā)

程序員有幾種不同的軟件架構可供選擇，但是他們必須首先將項目需求與最佳的軟件設計進行匹配。他們必須考慮軟件性能預期等技術需求以及項目截止期限、現(xiàn)有代碼重用和團隊成員的編程語言技能等業(yè)務需求。

例如，系統(tǒng)設計人員必須決定如何最好地利用LabVIEW的生產(chǎn)效率優(yōu)勢來進行實時編程，同時集成之前項目的C / C+ +代碼。一種解決方案是從LabVIEW應用程序中調(diào)用C或C+ +共享庫，C或C+ +共享庫使用的是LabVIEW固有的并行線程調(diào)度。設計人員還可以使用內(nèi)置的LabVIEW信號處理函數(shù)或結合LabVIEW MathScript RT模塊使用.m算法，進一步節(jié)省開發(fā)精力。另外，程序員可以使用Eclipse或任何其他的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)來開發(fā)、調(diào)試和部署完全使用C或C+ +編寫的應用程序，同時利用LabVIEW的優(yōu)勢來編程FPGA。

以下是四種基本的設計模式：

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圖4. C/C++嵌入式軟件設計架構

LabVIEW用于實時應用程序和FPGA代碼
這種方法簡化了開發(fā)過程，因為程序員可以使用相同的LabVIEW編程環(huán)境和語言以及?LabVIEW Real-Time?和?LabVIEW FPGA?模塊分別編寫實時應用程序和FPGA代碼。 LabVIEW還提供RIO掃描引擎選項，它可使每個I / O模塊直接用于LabVIEW Real-Time而無需FPGA編程。

從LabVIEW調(diào)用C/C++庫或應用程序

通過使用LabVIEW來編程主實時應用程序，開發(fā)人員可利用內(nèi)置的?信號處理函數(shù)?和網(wǎng)絡通信。此外，LabVIEW?自動地并行獨立的代碼部分，使程序員可以避免手動管理多個線程。然而，他們可以通過從LabVIEW中調(diào)用C/ C + +共享庫或并行運行C / C+ +應用程序和LabVIEW Real-Time可執(zhí)行程序來復用現(xiàn)有C或C+ +代碼。有幾種方式可以用來集成C / C+ + 共享庫或與外部應用程序進行通信：
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?LabVIEW調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點?- 使用此函數(shù)可以直接從LabVIEW調(diào)用C/ C + + DLL或Linux共享庫函數(shù)。配置調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點，以指定庫、函數(shù)、參數(shù)、返回的節(jié)點值、調(diào)用約束規(guī)范和回調(diào)函數(shù)回調(diào)。 LabVIEW數(shù)據(jù)類型可作為輸入傳輸?shù)紺/ C + +庫函數(shù)或作為輸出返回到C/ C + +庫函數(shù)。

? ? ? 導入共享庫向?qū)?- 該工具用于為共享庫中的函數(shù)生成包裝VI的LabVIEW項目庫，使得函數(shù)更容易使用，無需每次使用時都要配置調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點。

System Exec VI - 使用此函數(shù)來執(zhí)行或從LabVIEW代碼中啟動另一個命令行應用程序或Linux腳本文件。您可以在執(zhí)行命令支持的命令字符串中添加任何參數(shù)。只有NI Linux Real-Time提供此功能。

本地主機通信——并行程序也可以使用本地主機TCP / IP函數(shù)來回傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)彼此之間的通信。?

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如果要編譯NI嵌入式硬件的C/C++代碼，請參考以下?部分，查找使用您硬件的C/C++工具鏈。?

注意：?有些架構僅通過NI Linux Real-Time支持。并行運行C/C++應用程序和LabVIEW Real-Time應用程序或使用System Exec VI僅在運行NI Linux Real-Time的嵌入式硬件上可支持。

從C/C++實時應用程序調(diào)用LabVIEW函數(shù)庫

如果您的主實時應用程序是用C或C+ +編寫的，您仍然可以通過使用LabVIEW分析函數(shù)?進行信號處理，這可通過創(chuàng)建一個LabVIEW共享庫，并從C/ C+ + 代碼調(diào)用該庫來實現(xiàn)。?

? 了解如何?構建LabVIEW共享庫?用于外部應用程序

為了避免傳輸數(shù)據(jù)和控制FPGA發(fā)生沖突，可在LabVIEW或C / C+ +代碼中打開一個FPGA引用。在這種設計模式下，控制FPGA和傳輸數(shù)據(jù)到FPGA是由C / C+ +程序通過第4節(jié)描述的FPGA接口C API來進行處理。如果要編譯NI嵌入式硬件的C / C+ +代碼，可參考?部分，找到適合您硬件的C/C + +工具鏈。

C/C++實時應用程序

您也可以使用Eclipse或任何其他偏好的IDE來開發(fā)、調(diào)試和部署使用C或C+ +編寫的應用程序，同時利用LabVIEW的優(yōu)勢來編程FPGA。 FPGA接口C API提供了FPGA和實時應用程序之間的通信層，用于實現(xiàn)I / O控制和數(shù)據(jù)流。這提供了用于訪問FPGA輸入控件、顯示控件、DMA FIFO、中斷和數(shù)組的接口。?

所有的NI嵌入式產(chǎn)品均有兼容的C / C+ +編譯器和工具鏈?？蓞⒖家韵??部分，找到適合您硬件的C/C + +工具鏈和開發(fā)者教程。

5. 使用FPGA接口C API

FPGA接口C API使得C / C+ +開發(fā)人員能夠更輕松利用LabVIEW FPGA和NI嵌入式硬件來實現(xiàn)嵌入式控制和采集應用。借助FPGA接口C API，開發(fā)人員可以使用LabVIEW圖形化工具在NI硬件中編程FPGA，還可使用C / C+ +工具，如Eclipse、Wind River Workbench或GNU Compiler Collection (GCC)工具鏈來編程實時操作系統(tǒng)。

FPGA接口C API可通過?ni.com/downloads免費下載。該API提供了FPGA和實時應用程序之間的通信層，用于實現(xiàn)I/O控制和數(shù)據(jù)流。LabVIEW FPGA代碼開發(fā)結束后，會生成一個頭文件，該文件提供了FPGA輸入控件、顯示控件、DMA FIFO、中斷和數(shù)組的C引用。 FPGA接口C API并沒有提供RIO掃描引擎接口。

以下列出了開發(fā)過程的每個步驟：

開發(fā)和編譯LabVIEW FPGA VI，這會產(chǎn)生一個比特文件。

啟動FPGA接口C API發(fā)生器。這時會根據(jù)比特文件生成一個C頭文件。?

將頭文件添加到C/C++應用程序中。?

編譯并部署應用程序，至嵌入式硬件。

6. NI CompactRIO C/C++開發(fā)工具

CompactRIO嵌入式系統(tǒng)采用了最新的嵌入式處理器和實時操作系統(tǒng)技術，推出后便受到業(yè)界的廣泛歡迎。NI RIO系列產(chǎn)品涵蓋x86和PowerPC處理器，現(xiàn)在也包含了基于ARM的系統(tǒng)。這些產(chǎn)品可兼容一系列C / C+ +編譯器和工具鏈。如需確定哪些處理器技術最適合您的嵌入式硬件，請參考這篇知識庫 文章或圖5。

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圖5. CompactRIO C/C++開發(fā)工具

基于ARM和x86的NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)

NI持續(xù)投資于NI Linux Real-Time這個基于Linux的實時操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)采用的技術為CompactRIO平臺提供了更高層次的開放性，使您可以在LabVIEW代碼中訪問豐富的Linux應用程序和IP庫，Linux應用程序和IP主要來源于龐大的Linux社區(qū)。此外，Linux操作系統(tǒng)可更輕松地移植現(xiàn)有C/ C + +代碼，開發(fā)人員可以使用Eclipse或偏好的IDE開發(fā)、調(diào)試和部署代碼到CompactRIO硬件上。?

了解更多基于NI Linux Real-Time的CompactRIO設備

NI cRIO-9068

NI cRIO-903x

sbRIO-9651模塊系統(tǒng)(SOM)

必需的軟件工具鏈

RTOS——以下工具至少一個：

LabVIEW Real-Time模塊,?

Eclipse?（包含用于ARM編譯器的GNU/Linux）?

GNU/Linux編譯器：

用于ARMv7 Linux的GNU C & C++編譯器（Linux操作系統(tǒng)）

用于ARMv7 Linux的GNU C & C++編譯器（Windows操作系統(tǒng)）

用于x64 Linux的GNU C & C++編譯器（Linux操作系統(tǒng)）

用于x64 Linux的GNU C & C++編譯器（Windows操作系統(tǒng)）

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RTOS-FPGA通信層—FPGA接口C API?（13.0版本或更高版本）

FPGA開發(fā)——以下必需全部具備:

LabVIEW?（完整版或更高版本）

LabVIEW FPGA模塊

NI-RIO設備驅(qū)動程序（2013版本及更高版本）
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PowerPC上的VxWorks實時操作系統(tǒng)
CompactRIO和NI Single-Board RIO的PowerPC版本W(wǎng)ind River VxWorks RTOS。二進制文件可以由編譯PowerPC PPC603架構和鏈接至標準VxWorks庫任何工具鏈創(chuàng)建。 NI建議使用Wind River Workbench來開發(fā)用于VxWorks的二進制文件，因為它提供了先進的調(diào)試功能、功能齊全的開發(fā)環(huán)境和技術支持。

必需的軟件工具鏈

RTOS——以下工具至少一個：

LabVIEW FPGA模塊?

GCC

Wind River Workbench

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RTOS-FPGA通信層—FPGA接口C API

FPGA開發(fā)——以下必需全部具備:

LabVIEW?（完整版或更高版本）

LabVIEW FPGA模塊

NI-RIO設備驅(qū)動程序

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基于x86的Phar Lap實時操作系統(tǒng)
CompactRIO硬件的x86版本運行的是Phar Lap實時操作系統(tǒng)。NI已經(jīng)對使用Visual C++ 2003和2008編譯器來創(chuàng)建用于該系列嵌入式硬件的C/C++二進制文件進行測試。

必需的軟件工具鏈

RTOS——以下工具至少一個:

LabVIEW FPGA模塊

Visual C++

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RTOS-FPGA通信層—FPGA接口C API

FPGA開發(fā)——以下必需全部具備:

LabVIEW（完整版或更高版本）

LabVIEW FPGA模塊?

NI-RIO設備驅(qū)動程序

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7. 基于NI PXI或PC的C/C++開發(fā)工具

NI PXI硬件不包括內(nèi)置的FPGA。該平臺是完全可配置的，所以您可以針對您的應用程序選擇合適的機箱、控制器和模塊。您還可以從多個PXI R系列基于FPGA的模塊?以及其它數(shù)百個?中進行選擇，以實現(xiàn)系統(tǒng)設計的最大靈活性。?

NI提供了一個ANSI C ID——?NI LabWindows?/CVI，以簡化基于x86的PXI和基于PC的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。?LabWindows/CVI中不包含C+ +編譯器或函數(shù)庫。 C+ +開發(fā)人員可以使用他們傾向的IDE開發(fā)用于NI PXI的應用程序或PC應用程序。?

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圖7. 基于PXI或PC的C/C++開發(fā)工具

LabWindows / CVI提供了集成的驅(qū)動程序API、I / O配置助手、測量和分析庫以及全面調(diào)試和代碼優(yōu)化工具，可幫助您縮短開發(fā)時間。

您可以在LabWindows / CVI應用程序中復用現(xiàn)有C源代碼以及在遠程實時硬件上使用?LabWindows/CVI Real-Time模塊?進行部署和調(diào)試而無需離開IDE。 NI提供了適用于所有PXI和PC硬件的高性能和直觀驅(qū)動程序API以及用于實時應用程序和FPGA硬件之間的I/O控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腇PGA接口C API。

必需的軟件工具鏈

RTOS——以下工具至少一個:

LabVIEW?和?LabVIEW Real-Time模塊

LabWindows/CVI?和?LabWindows/CVI Real-Time模塊

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Windows—LabVIEW,?LabWindows/CVI for ANSI C, 或其他用于C/C++的IDE

使用PXI R系列FPGA硬件所需的其他軟件

處理器-FPGA通信層——FPGA接口C API

FPGA開發(fā)——LabVIEW FPGA模塊