全息圖數位資料儲存（Holographic digital data storage；HDDS）技術是光學儲存業界最具發展願景的新技術，因為傳統的資料儲存技術已經接近實體上的限制。HDDS和傳統技術不同，它可以將傳導體容體裡面的資料編碼，而不只是在傳導體表面上，因而可以達成超高密度儲存的目標。達成極高的資料通量的方法則是使用龐大的平行記憶體區塊（稱為page）來記錄及取得資料，而不是一次讀取或寫入一個位元。全息圖儲存可以將資料傳輸速度提高到接近每秒十億個位元（1Gbps），將存取時間降低到數十微秒，並將儲存密度提高至1Tb/cm3的理論最大值。

Daewoo Electronics開發出世界第一款供HDDS使用的高準確度伺服運動控制器實用原型機展示。最初選擇的估計成本為：使用傳統的嵌入式開發方法設計一款客製DSP介面卡，便要達數萬美元，而且需要幾個月的時間進行開發。傳統設計流程的挑戰在於它非常直線化，軟體開發人員必須等候硬體設計完成，設計流程很緩慢。HDDS系統就是極具設備複雜性的挑戰之一。

《圖一　HDDS並非從表面上一次存取一位元的資料，而是在3D媒體中的多個層面上儲存及讀取整頁資料。》

為了迅速讓原型機進入市場，Daewoo改用NI的新一代圖形化系統設計（GSD）工具。圖形化系統設計是新的嵌入式開發方法，利用統一的高階圖形化程式設計語言，配合立即可用、採用可重新設定的廠房、可程式化閘陣列（FPGA）硬體、整合性即時處理器及插入式I/O模組的嵌入式原型製作平台。GSD設計流程的目標是運用原型製作硬體及流線化的開發工具，在佈署之前對系統設計進行精製，將低階的硬體應用細節（例如暫存器層級的互動）抽取出來，讓開發人員免於設計的複雜度，並利用預先製成的智慧財產（IP）區塊來解決常見的作業，例如運動控制和數位信號處理。

FPGA設備是圖形化系統設計的核心技術之一。FPGA是內含可重設組態閘門陣列邏輯電路矩陣的設備。和處理器不同的是，FPGA可重新連接內部線路，以便用最佳方式來執行處理邏輯。FPGA提供精確的計時和同步化功能、快速決策，以及在一顆晶片中同步執行平行作業的能力，而這顆晶片可以使用軟體無限次地加以重設組態。

《圖二　快速原型建立平台提供能力，得以使用圖形化程式設計來設計客製FPGA邏輯，然後使用真實世界的I/O信號來驗證嵌入式設計。》

Daewoo HDDS原型包括兩個主要子系統：一部電子光學運動控制系統，以NI CompactRIO 3M閘道FPGA機箱為基礎；一部視訊解碼系統，以8M閘道Xilinx FPGA界面卡為基礎。CompactRIO系統控制一部線性馬達、一部步進馬達、一個galvo mirror，以及一部CMOS攝影機。由於每個運動控制迴圈都需要精確的控制，因此使用感測器回饋信號，在FPGA硬體中直接進行閉迴圈控制。透過在硬體中進行控制迴圈，可以完全消除計時抖動的影響，而且控制迴圈速率僅受限於I/O模組的更新速率。

和傳統的運算介面卡不同，CompactRIO允許Daewoo使用NI LabVIEW FPGA模組，自行設定脈衝產生器的時脈達到單FPGA時脈的解析度。為了消除滑動（slipping）的問題，設計師設計自製的加速及減速數學函數，開發出複雜的馬達控制運算法。除了運動控制之外，CompactRIO也和使用NI的信號處理技術開發的視訊解碼FPGA介面卡通訊，以進行視訊取得和CMOS攝影機控制。CompactRIO也在MPEG解碼器之前檢查累積在緩衝區中的資料量（它會隨著速度而有極大的變動），控制資料傳輸速率。

透過NI圖形化系統設計開發工具，Daewoo只需花費數千美元即開發其系統，而不致犧牲效能，且開發時程減少為一個月。

---作者為NI美商國家儀器嵌入及控制資深產品經理---

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