北京市嵌入式培訓中心_嵌入式系統(tǒng)設計方法的演化

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一、 嵌入式系統(tǒng)設計方法變化的背景

嵌入式系統(tǒng)設計方法的演化總的來說是因為應用需求的牽引和IT技術的推動。

1 隨著微電子技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高。硅材料與人類智慧的結合，生產(chǎn)出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微電子 結構模塊，推動了一個全新的技術領域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在此基礎上發(fā)展起來的器件可編程思想和微處理（器）技術可以用軟件來改變和實現(xiàn)硬件的功能。微處理器和 各種可編程大規(guī)模集成專用電路、半定制器件的大量應用，開創(chuàng)了一個嶄新的應用世界，以至廣泛影響著并在逐步改變著人類的生產(chǎn)、生活和學習等社會活動。

2?計算機硬件平臺性能的大幅度提高，使很多復雜算法和方便使用的界面得以實現(xiàn)，大大提高了工作效率，給復雜嵌入式系統(tǒng)輔助設計提供了物理基礎。

3?高性能的EDA綜合開發(fā)工具（平臺）得到長足發(fā)展，而且其自動化和智能化程度不斷提高，為復雜的嵌入式系統(tǒng)設計提供了不同用途和不同級別集編輯、布局、布線、編譯、綜合、模擬、測試、驗證和器件編程等一體化的易于學習和方便使用的開發(fā)集成環(huán)境。

4?硬件描述語言HDL（Hardware DescripTIon Language）的發(fā)展為復雜電子系統(tǒng)設計提供了建立各種硬件模型的工作媒介。它的描述能力和抽象能力強，給硬件電路，特別是半定制大規(guī)模集成電路設計 帶來了重大的變革。目前，用得較多的有已成為IEEE為 STD1076標準的VHDL、IEEE STD 1364標準的Verilog HDL和Altera公司企業(yè)標準的AHDL等。

由于HDL的發(fā)展和標準化，世界上出現(xiàn)了一批利用HDL進行各種集成電路功能模塊專業(yè)設計的公司。其任務是按常用或專用功能，用HDL來描述集成電路的功能和結構，并經(jīng)過不同級別的驗證形成不同級別的IP內(nèi)核模塊，供芯片設計人員裝配或集成選用。

IP（Intellectual Property）內(nèi)核模塊是一種預先設計好的甚至已經(jīng)過驗證的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有幾種不同形式。IP內(nèi)核模塊有行為 （behavior）、結構（structure）和物理（physical）3級不同程度的設計，對應有主要描述功能行為的“軟IP內(nèi)核（soft IP core）”、完成結構描述的“固IP內(nèi)核（firm IP core）”和基于物理描述并經(jīng)過工藝驗證的“硬IP內(nèi)核（hard IP core）”3個層次。這相當于集成電路（器件或部件）的毛坯、半成品和成品的設計技術。

軟IP內(nèi)核通常是用某種HDL文本提交用戶，它已經(jīng)過行為級設計優(yōu)化和功能驗證，但其中不含有任何具體的物理信息。據(jù)此，用戶可以綜合出正確的 門電路級網(wǎng)表，并可以進行后續(xù)結構設計，具有最大的靈活性，可以很容易地借助于EDA綜合工具與其他外部邏輯電路結合成一體，根據(jù)各種不同的半導體工藝， 設計成具有不同性能的器件�？梢陨唐坊�的軟IP內(nèi)核一般電路結構總門數(shù)都在5000門以上。但是，如果后續(xù)設計不當，有可能導致整個結果失敗。軟IP內(nèi)核 又稱作虛擬器件。

硬IP內(nèi)核是基于某種半導體工藝的物理設計，已有固定的拓撲布局和具體工藝，并已經(jīng)過工藝驗證，具有可保證的性能。其提供給用戶的形式是電路物理結構掩模版圖和全套工藝文件，是可以拿來就用的全套技術。

固IP內(nèi)核的設計深度則是介于軟IP內(nèi)核和硬IP內(nèi)核之間，除了完成硬IP內(nèi)核所有的設計外，還完成了門電路級綜合和時序仿真等設計環(huán)節(jié)。一般以門電路級網(wǎng)表形式提交用戶使用。

TI，Philips和Atmel等廠商就是通過Intel授權，用其MCS-51的IP內(nèi)核模塊結合自己的特長開發(fā)出有個性的與Intel MCS-51兼容的單片機。

常用的IP內(nèi)核模塊有各種不同的CPU（32/64位CISC/RISC結構的CPU或8/16位微控制器/單片機，如8051等）、32 /64位DSP（如 320C30）、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCI、 標準接口、網(wǎng)絡單元、編譯器、編碼/解碼器和模擬器件模塊等。豐富的IP內(nèi)核模塊庫為快速地設計專用集成電路和單片系統(tǒng)以及盡快占領市場提供了基本保證。

5?軟件技術的進步，特別是嵌入式實時操作系統(tǒng)EOS（Embedded Operation System）的推出，為開發(fā)復雜嵌入式系統(tǒng)應用軟件提供了底層支持和高效率開發(fā)平臺。EOS是一種功能強大、應用廣泛的實時多任務系統(tǒng)軟件。它一般都具 有操作系統(tǒng)所具有的各種系統(tǒng)資源管理功能，用戶可以通過應用程序接口API調用函數(shù)形式來實現(xiàn)各種資源管理。用戶程序可以在EOS的基礎上開發(fā)并運行。它 與通用系統(tǒng)機中的OS相比，主要有系統(tǒng)內(nèi)核短小精悍、開銷小、實時性強和可靠性高等特點。完善的EOS還提供各種設備的驅動程序。為了適應網(wǎng)絡應用和 Internet應用。還可以提供TCP/IP協(xié)議支持。目前流行的EOS有3Com公司的Palm OS、Microsoft公司的Windows CE和Windows NT Embedded4.0、日本東京大學的Tron和各種開放源代碼的嵌入式Linux以及國內(nèi)開發(fā)成功的凱思集團的Hopen OS和浙江大學的HBOS。

二、 嵌入式系統(tǒng)設計方法的變化

過去擅長于軟件設計的編程人員一般對硬件電路設計“敬而遠之”，硬件設計和軟件設計被認為是性質完全不同的技術。

隨著電子信息技術的發(fā)展，電子工程出身的設計人員，往往還逐步涉足軟件編程。其主要形式是通過微控制器（國內(nèi)習慣稱作單片機）的應用，學會相應 的匯編語言編程。在設計規(guī)模更大的集散控制系統(tǒng)時，必然要用到已普及的PC機，以其為上端機，從而進一步學習使用Quick BASIC，C，C++，VC和VB等高級語言編程作系統(tǒng)程序，設計系統(tǒng)界面，通過與單片機控制的前端機進行多機通信構成集中分布控制系統(tǒng)。

軟件編程出身的設計人員則很少有興趣去學習應用電路設計。但是，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，特別是硬件描述語言HDL的發(fā)明，系統(tǒng)硬件設計方法 發(fā)生了變化，數(shù)字系統(tǒng)的硬件組成及其行為完全可以用HDL來描述和仿真。在這種情況下，設計硬件電路不再是硬件設計工程師的專利，擅長軟件編程的設計人員 可以借助于HDL工具來描述硬件電路的行為、功能、結構、數(shù)據(jù)流、信號連接關系和定時關系，設計出滿足各種要求的硬件系統(tǒng)。

EDA工具允許有兩種設計輸入工具，分別適應硬件電路設計人員和軟件編程人員兩種不同背景的需要。讓具有硬件背景的設計人員用已習慣的原理圖輸 入方式，而讓具有軟件背景的設計人員用硬件描述語言輸入方式。由于用HDL描述進行輸入，因而與系統(tǒng)行為描述更接近，且更便于綜合、時域傳遞和修改，還能 建立獨立于工藝的設計文件，所以，擅長軟件編程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知識，往往可以比習慣于傳統(tǒng)設計的工程師設計出更好的硬件電路和系 統(tǒng)。所以，習慣于傳統(tǒng)設計的工程師應該學會用HDL來描述和編程。[!--empirenews.page--]我國嵌入式發(fā)展現(xiàn)狀, 嵌入式電容屏多少錢, 嵌入式電視機墻厚度, 聯(lián)通提速嵌入式頁面, 塑鋼窗嵌入式滑輪, 電子信息嵌入式培養(yǎng), 嵌入式設備的特點, 藍橋杯嵌入式論壇, 嵌入式任務狀態(tài)轉移, 嵌入式系統(tǒng)期中試卷, 嵌入式小票打印前蓋, 嵌入式人機界面電話, 嵌入式進創(chuàng)業(yè)公司, 嵌入式中間應用層開發(fā), 嵌入式處理器的產(chǎn)品, 嵌入式前途無望, 如何編寫嵌入式程序, 嵌入式學得不怎么樣, 鷹潭嵌入式工程師, 大眾原廠嵌入式雨眉,

三、 嵌入式系統(tǒng)設計的3個層次

嵌入式系統(tǒng)設計有3個不同層次。

1 第1層次：以PCB CAD軟件和ICE為主要工具的設計方法。

這是過去直至現(xiàn)在我國單片機應用系統(tǒng)設計人員一直沿用的方法，其步驟是先抽象后具體。

抽象設計主要是根據(jù)嵌入式應用系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能要求，對系統(tǒng)功能細化，分成若干功能模塊，畫出系統(tǒng)功能框圖，再對功能模塊進行硬件和軟件功能實現(xiàn)的分配。

具體設計包括硬件設計和軟件設計。硬件設計主要是根據(jù)性能參數(shù)要求對各功能模塊所需要使用的元器件進行選擇和組合，其選擇的基本原則就是市場上 可以購買到的性價比最高的通用元器件。必要時，須分別對各個沒有把握的部分進行搭試、功能檢驗和性能測試，從模塊到系統(tǒng)找到相對優(yōu)化的方案，畫出電路原理 圖。硬件設計的關鍵一步就是利用印制板（PCB）計算機輔助設計（CAD）軟件對系統(tǒng)的元器件進行布局和布線，接著是印制板加工、裝配和硬件調試。

工作量最大的部分是軟件設計。軟件設計貫穿整個系統(tǒng)的設計過程，主要包括任務分析、資源分配、模塊劃分、流程設計和細化、編碼調試等。軟件設計的工作量主要集中在程序調試，所以軟件調試工具就是關鍵。最常用和最有效的工具是在線仿真器（ICE）。

2 第2層次：以EDA工具軟件和EOS為開發(fā)平臺的設計方法。

隨著微電子工藝技術的發(fā)展，各種通用的可編程半定制邏輯器件應運而生。在硬件設計時，設計師可以利用這些半定制器件，逐步把原先要通過印制板線 路互連的若干標準邏輯器件自制成專用集成電路（ASIC）使用，這樣，就把印制板布局和布線的復雜性轉換成半定制器件內(nèi)配置的復雜性。然而，半定制器件的 設計并不需要設計人員有半導體工藝和片內(nèi)集成電路布局和布線的知識和經(jīng)驗。隨著半定制器件的規(guī)模越來越大，可集成的器件越來越多，使印制板上互連器件的線 路、裝配和調試費用越來越少，不僅大大減少了印制板的面積和接插件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)綜合成本，增加了可編程應用的靈活性，更重要的是降低了系統(tǒng)功耗，提 高了系統(tǒng)工作速度，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

這樣，硬件設計人員從過去選擇和使用標準通用集成電路器件，逐步轉向自己設計和制作部分專用的集成電路器件，而這些技術是由各種EDA工具軟件提供支持的。

半定制邏輯器件經(jīng)歷了可編程邏輯陣列PLA、可編程陣列邏輯PAL、通用陣列邏輯GAL、復雜可編程邏輯器件CPLD和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的發(fā)展過程。其趨勢是集成度和速度不斷提高，功能不斷增強，結構趨于更合理，使用變得更靈活和方便。

設計人員可以利用各種EDA工具和標準的CPLD和FPGA等，設計和自制用戶專用的大規(guī)模集成電路。然后再通過自下而上的設計方法，把用半定制器件設計自制的集成電路、可編程外圍器件、所選擇的ASIC與嵌入式微處理器或微控制器在印制板上布局、布線構成系統(tǒng)。

3 第3層次：以IP內(nèi)核庫為設計基礎，用軟硬件協(xié)同設計技術的設計方法。

20世紀90年代后，進一步開始了從“集成電路”級設計不斷轉向“集成系統(tǒng)”級設計。目前已進入單片系統(tǒng)SOC（System on a chip）設計階段，并開始進入實用階段。這種設計方法不是把系統(tǒng)所需要用到的所有集成電路簡單地二次集成到1個芯片上，如果這樣實現(xiàn)單片系統(tǒng)，是不可能 達到單片系統(tǒng)所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗等指標的，特別是低功耗要求。單片系統(tǒng)設計要從整個系統(tǒng)性能要求出發(fā)，把微處理器、 模型算法、芯片結構、外圍器件各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，并通過建立在全新理念上的系統(tǒng)軟件和硬件的協(xié)同設計，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功 能。有時也可能把系統(tǒng)做在幾個芯片上。因為，實際上并不是所有的系統(tǒng)都能在一個芯片上實現(xiàn)的;還可能因為實現(xiàn)某種單片系統(tǒng)的工藝成本太高，以至于失去商業(yè) 價值。目前，進入實用的單片系統(tǒng)還屬簡單的單片系統(tǒng)，如智能IC卡等。但幾個著名的半導體廠商正在緊鑼密鼓地研制和開發(fā)像單片PC這樣的復雜單片系統(tǒng)。

單片系統(tǒng)的設計如果從零開始，這既不現(xiàn)實也無必要。因為除了設計不成熟、未經(jīng)過時間考驗，其系統(tǒng)性能和質量得不到保證外，還會因為設計周期太長而失去商業(yè)價值。

為了加快單片系統(tǒng)設計周期和提高系統(tǒng)的可靠性，目前最有效的一個途徑就是通過授權，使用成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊來進行設計集成和二次開發(fā)，利用 膠粘邏輯技術GLT（Glue Logic Technology），把這些IP內(nèi)核模塊嵌入到SOC中。IP內(nèi)核模塊是單片系統(tǒng)設計的基礎，究竟購買哪一級IP內(nèi)核模塊，要根據(jù)現(xiàn)有基礎、時間、資 金和其他條件權衡確定。購買硬IP內(nèi)核模塊風險最小，但付出最大，這是必然的。但總的來說，通過購買IP內(nèi)核模塊不僅可以降低開發(fā)風險，還能節(jié)省開發(fā)費 用，因為一般購買IP內(nèi)核模塊的費用要低于自己單獨設計和驗證的費用。當然，并不是所需要的IP內(nèi)核模塊都可以從市場上買得到。為了壟斷市場，有一些公司 開發(fā)出來的關鍵IP內(nèi)核模塊（至少暫時）是不愿意授權轉讓使用的。像這樣的IP內(nèi)核模塊就不得不自己組織力量來開發(fā)。

這3個層次各有各的應用范圍。從應用開發(fā)角度看，在相當長的一段時間內(nèi)，都是采用前2種方法。第3層次設計方法對一般具體應用人員來說，只能用 來設計簡單的單片系統(tǒng)。而復雜的單片系統(tǒng)則是某些大的半導體廠商才能設計和實現(xiàn)的，并且用這種方法實現(xiàn)的單片系統(tǒng)，只可能是那些廣泛使用、具有一定規(guī)模的 應用系統(tǒng)才值得投入研制。還有些應用系統(tǒng)，因為技術問題或商業(yè)價值問題并不適宜用單片實現(xiàn)。當它們以商品形式推出相應單片系統(tǒng)后，應用人員只要會選用即 可。所以，3個層次的設計方法會并存，并不會簡單地用后者取代前者。 初級應用設計人員會以第1種方法為主;富有經(jīng)驗的設計人員會以第2種方法為主;很專業(yè)的設計人員會用第3種方法進行簡單單片系統(tǒng)的設計和應用。但所有的設 計人員都可以應用半導體大廠商推出的用第3種方法設計的專用單片系統(tǒng)。

結束語

目前，在我國3個層次的設計分別呈“面”、“線”、“點”的狀態(tài)。習慣于第1層次設計方法的電子信息系統(tǒng)設計人員需要逐步向第2層次過渡和發(fā) 展;第2層次設計方法要由“線”逐步發(fā)展成“面”;第3層次設計方法需要國家有關部門根據(jù)IT發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，組織各方面力量攻關、協(xié)調發(fā)展。第3層次設 計方法要由“點”逐步發(fā)展成“線”。[!--empirenews.page--]