多年來，嵌入式系統設計人員一直都在使用FPGA（現場可編程邏輯門陣列）配合微處理器(MPU)及微控制器(MCU)進行系統開發。FPGA已經廣泛應用于擴展MPU I/O的功能，以及作為各種子系統和通信端口的連接接口。隨著FPGA容量的增加，嵌入式系統中越來越多地使用FPGA與MCU和MPU配合，從而大幅提高系統的整體靈活性和性能，遠勝于單獨使用MCU或MPU。在許多高科技工業領域，MPU和FPGA配合用于嵌入式系統已經非常常見，而在未來，我們將更多地看到這種FPGA與MCU和MPU協同工作的架構被應用于高級控制和監測系統的設計中。

一直以來,在高級控制和監測系統中，人們總是要求系統有更高的處理能力。目前，我們通常采用專用的DSP來處理計算強度大的控制算法或信號處理算法，分擔微控制器的工作。 另外一種常見的架構是采用多個微控制器進行分布式處理。在超大型的運動控制系統或高通道數的動態監測系統中，每個軸或每個通道中就配有一個微處理器。實踐證明，目前FPGA已經成為理想的減負處理器，相較DSP和分布式微處理器而言，更加靈活。

除了MPU和FPGA以外，高級的控制和監測系統還需要專用的I/O來作為傳感器、執行器或者是特定應用的通信總線和網絡的接口。將各種專用的I/O子系統直接連接到FPGA上，可提供最高的靈活性和最佳的系統性能。MPU、FPGA和專用I/O相結合構成了用于高級控制和監測系統的最佳架構——可重配置I/O(RIO)架構。

科學家和工程師已使用RIO架構（如圖1所示）來設計各種行業或應用中需要的嵌入式系統，包括醫學成像、可再生能源、結構監測、配電系統、工業機器控制和原子物理研究等。通過RIO架構，設計團隊可開發具有獨特功能以及超高性能的創新型系統。舉例來說，Kitasato大學的Kohji Ohbayashi博士和他的團隊設計了世界上的第一套實時3D光學相干斷層(OCT)醫學成像系統，此系統每秒可進行700 000次512點快速傅里葉變換(FFT)。另外，Windlift公司的Matt Bennett也正在使用RIO架構開發12kW 便攜式空中風能發電系統，該系統需要強大的控制功能和極大的靈活性來滿足該新興技術中不斷變化的需求。

針對高級控制和監測系統的RIO架構
RIO系統架構中的FPGA為高級控制和監測系統提供了多種優勢。首先，FPGA可以在各個方面提高MPU的性能，例如數字信號處理、高級控制算法、自定義接口、定時、觸發等。與傳統的專用集成電路(ASIC)及離散數字設計相比，FPGA的這些功能為整個系統帶來了更大的靈活性和可維護性。由于所有專用I/O都是通過FPGA來進行布線的，因此可在任一，或所有I/O通道上執行數字信號處理。嵌入式設計人員可利用可用IP來執行一些常見的處理功能，例如濾波、平均、抽取、頻譜分析和重采樣，或在FPGA芯片中設計完全自定義的數據處理。由于控制IP可用，且可在FPGA中開發自定義控制算法，因而設計人員也可在FPGA中執行數字控制算法。借助RIO架構，設計人員可在FPGA中完成整個控制環路-輸入、控制算法和輸出，實現高速循環、高確定性和超低延遲。

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