嵌入式系統設計即將進入軟核時代

嵌入式系統(Embedded Systems)是以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可剪裁(可編程，可重構)的專用計算機系統。它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統。嵌入式系統自其誕生以來已經經歷了幾十年的風風雨雨。在展望未來之前，我們先來大致回顧一下嵌入式系統的歷史。1987年到1997年的十年是ASIC風行的十年，而后的十年，也就是1997年到2007年是現場可編程器件的大好時光，制造標準化但應用定制化是這個階段的明顯特征，而2007年后，用戶可重構和可自動配置的SoC和SIP將成為下一個嵌入式系統核心技術發(fā)展階段的主流。 



上圖通過我國科學家許居衍院士發(fā)表的“許氏循環(huán)”以及日本科學家牧本次夫的“牧本浪潮”(Makimoto's Wave)總結和預測了嵌入式系統核心技術的發(fā)展規(guī)律。通過這張圖我們不難看出應用微電子技術成果之上的嵌入式系統的演進過程。歷史上的嵌入式系統硬件規(guī)模龐大，特別是多CPU 容錯系統的硬件設計和軟件調試都是很復雜的技術工作，隨著無止境的應用需求的發(fā)展，嵌入式系統的小型化，對功能、可靠性、成本以及功耗的更嚴格要求以及對嵌入式系統智能化趨勢的追求，“現場”可編程與可重構性變得非常重要。1977到1987年的十年是嵌入式系統微處理器時代，嵌入式系統通過對微處理器和微控制器軟件編程來實現板極的功能，隨著時代的發(fā)展與科學的進步，軟編程已經漸漸不能適應嵌入式系統對于板極功能實現的要求，于是，就出現了硬編程這一概念。所謂硬編程就是指將事先描述好的HDL語言程序寫入到芯片內部，實現板極的功能，也就是我們通常所說的可編程邏輯器件FPGA。通過“許氏循環(huán)”，我們不難發(fā)現一個時間規(guī)律，那就是每隔10年
就會有一種新的嵌入式工程技術得到快速發(fā)展和普及應用(一種半導體技術的發(fā)明與普及應用有約10年的滯后)。2003年以前，業(yè)界更多強調的是在嵌入式系統中基于FPGA的硬可編程性，2004年，在嵌入式系統原有硬件的基礎上，在FPGA中加入了軟核處理器，使得FPGA具有軟可編程性。當今，嵌入式系統對軟硬雙可編程提出了需求，軟核進入FPGA成為了時代的需要，因此嵌入式系統技術也隨之進入了軟核（Soft Core）時代。就目前而言，FPGA的利用率已經超過了90％，應用FPGA的產品也廣泛出現在我們的日常生活之中，如PDP/LCD電視，投影儀，DVD等等。此外，手持設備、工業(yè)和醫(yī)療設備以及汽車電子領域也都是FPGA可以大展拳腳的應用領域。而如何實現FPGA的高利用率也就成為了目前嵌入式系統的一個焦點問題。就目前而言，可以從三個方面實現FPGA的高利用率。(1)工藝上的創(chuàng)新，通過采用7到10層的金屬層大大提高了FPGA的利用率和布線成功率。(2)結構的創(chuàng)新，通過靈活的內部可配置功能模塊和在FPGA中不斷完善I/O、DSP和存儲器等功能提高性能。(3)EDA設計平臺的創(chuàng)新，使得FPGA設計學習的門檻大為降低，更具有可用性。 

我們究竟需要一種什么樣的FPGA支持工具才能適應當前嵌入式系統設計的需要呢？
(1)快速的FPGA片上系統開發(fā)(2)集成的軟/硬件開發(fā)(3)獨立各FPGA廠商并且支持多種體系結構(4)融合了元件級和系統級設計(5)易學且低價，功能齊全，元件庫完備的設計系統，包括了IP內核和CPU仿真測試和debug開發(fā)平臺。而這也正是我們所謂的基于FPGA的嵌入式系統EDA平臺。基于這種需求，Altium公司(投資上億美元歷時三年時間并為此收購了業(yè)界著名的嵌入式軟件公司TASKING)于2004年開發(fā)并推出了稱之為Nexar 2004的EDA平臺。該軟件包含多種設計導入方式，集成了VHDL仿真和合成，包含了各種處理器內核的大型免使用費IP庫，集成了嵌入式軟件設計工具。該軟件的推出對IC設計普遍化有著特別的意義。它提供了軟硬件協同設計的EDA平臺，集設計，驗證，測試綜合于一體，支持雙屏CRT，是基于PCB/FPGA/SoC的EDA工作站，為嵌入式系統多CPU核設計提供了實現手段，消除了PCB設計中信號完整性、EMC、來自不同廠商的SMD器件的封裝、測試、訂貨、缺貨等困擾，提升了效率，此外,它基于FPGA實現用戶可重構的SoC(上市速度快，生命周期長)。因此，Nexar 2004的推出很好的解決了目前我們對于FPGA支持工具的需求。它在很大程度上推動了FPGA乃至整個嵌入式系統設計技術的發(fā)展。在FPGA中嵌入式系統設計工程師可以方便地使用基于SoC設計中IP重用的思想和方法，進行產品設計。通過使用高水平的嵌入式系統EDA平臺，原來很多基于PCB設計的硬件工程師告訴我，從某種意義上來講，FPGA就像PCB一樣，可自由布線并實現一個嵌入式系統，過去常用的單片機和標準數字邏輯電路（ASSP）可用存儲在PC硬盤中的IP庫來替代（節(jié)省了SMD封裝的物理芯片），顯然，沒有EDA工具很難實現這樣的嵌入式系統。 

因此我們可以預見：傳統的MCU和ASSP供應商市場份額將會下降，FPGA會更大規(guī)模的應用，數字處理方法將占據嵌入式系統的主導地位。而不斷改進的FPGA支持工具，使FPGA開發(fā)速度得到了提升，特別是出現了基于FPGA的嵌入式系統EDA平臺，從普及意義上來講，它的出現使基于FPGA設計嵌入式系統成為可能。就目前的趨勢而言，嵌入式系統EDA平臺非常重要(如Nexar)，目前的設計要求各種獨立的軟件工具可以在一個無縫隙的平臺上協同工作。而由于目前嵌入式系統軟件的開發(fā)速度跟不上硬件設計的速度（公司硬軟件人員比為1：7），硬件電路設計跟不上半導體工藝的發(fā)展速度，因此可以這樣說，半導體工業(yè)通過提供優(yōu)質的FPGA把更多的應用設計空間和系統開發(fā)時間留給了我們嵌入式系統設計者。嵌入式系統EDA平臺將變的必不可少！由此也可以看出，我們即將面臨的是一個嵌入式系統設計軟核時代。

展望未來，SoC已經成為嵌入式設計者的理想，而可自動配置的SoC/SIP(SIP：Silicon In Package)也將成為下一個10年（2007年到2017年）嵌入式系統的主流。軟硬雙編程將逐步取代不能適應技術發(fā)展的硬編程，成為嵌入式系統設計的主要方式。而SoC時代的到來也就意味著成千上萬的嵌入式系統工程師可以實現他們夢想，將自己設計的板子變成芯片。而這也正是SoC的含義：System on Chip?？梢哉f，未來5年內大量產生的經過實際驗證的IP是為嵌入式系統進入軟硬雙編程的SoC時代打下堅實的基礎的必由之路。

SoC設計技術始于20世紀90年代中期，隨著半導體工藝技術的發(fā)展，IC設計者能夠將愈來愈復雜的功能集成到單硅片上，SoC正是在集成電路（IC）向集成系統（IS）轉變的大方向下產生的。SoC的定義多種多樣，由于其內涵豐富、應用范圍廣，很難給出準確定義。從狹義角度講，它是信息系統核心的芯片集成，是將系統關鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SoC是一個微小型系統，如果說中央處理器（CPU）是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器（或片外存儲控制接口）集成在單一芯片上。它擁有獨立的處理器以及固定基礎的軟件，通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標準產品。SoC技術的一大發(fā)展趨勢是基于平臺的開發(fā)，分享IP核開發(fā)與系統集成成果，不斷重整價值鏈,在關注面積、延遲、功耗的基礎上，向成品率、可靠性、EMI噪聲、成本、易用性等轉移，使系統級集成能力快速發(fā)展。SoC設計準入的最大門檻是專門技術、IP庫、SoC總線架構和嵌入式軟件（包括BIOS、OS）支持，需要廣泛的多功能IP核和將客戶邏輯與之集成在一起的設計藝術，以滿足客戶產品開發(fā)的需求。同時許多第三方IP核供應商由此可以得到快速發(fā)展，它們的成功要么是具有獨一無二的且極具價值的IP核，要么是具有良好聲譽的IP庫。SoC設計者通過重用經過證明了的IP，不僅利用了最新工藝技術優(yōu)勢，而且減少了開發(fā)周期和風險。SoC技術將引領新一代嵌入式處理器的技術發(fā)展，以嵌入式系統應用為核心，集軟、硬件于一體，并在系統集成中追求產品系統最大包容性，能成功實現多學科的協作與融合。SoC設計技術為計算機專業(yè)人才介入IC設計領域提供了一個機會。不僅在SoC芯片設計上需要較強的計算機體系結構背景知識，而且SoC突出了軟件開發(fā)的比重，需要計算機專業(yè)人士的介入，需要提供良好的開發(fā)平臺和嵌入式操作系統。由此可見，無論是現在的FPGA還是未來的客戶訂制型SoC， IP庫都對嵌入式設計有著極其重要的作用。 在90年代，SoC基本上由1個片上CPU＋邏輯＋I/O端口組成，而進入2000年后的第二代SoC的重要特征則是包含了多個可配置處理器的I/O端口。下一代SoC就是一個處理器數量可縮放的集合體，這種趨勢主要體現在兩個方面：一個是每片芯片的處理器數量會以每年30％的速度遞增，在下一個十年內，每片芯片的處理器數量會超過1000個，而在另一方面，芯片每面的可編程運算能力也會以每年65％的速度遞增。利用嵌入式系統EDA平臺在FPGA上學習和實踐多CPU核設計技術和積累經驗對培訓千萬名未來的ES工程師是一種很現實的選擇。

有材料表明：世界芯片復雜度的年增長58%，而IC設計能力的年增長僅為20%，由此看出，世界集成電路設計能力的增長遠遠跟不上芯片復雜度增長的速度，這為集成電路設計產業(yè)提供了難得的發(fā)展機會。面對集成電路向SoC的轉型，我國實現集成電路設計業(yè)跨越的一個歷史機遇正在來臨。因此許多專家建議，我國應優(yōu)先發(fā)展芯片設計業(yè)，特別重視SoC提供的發(fā)展機會。

嵌入式系統自其問世以來就一直受到廣泛的關注，嵌入式系統的水平也在很大程度上決定著全社會的科技水平。從過去一路走來，嵌入式系統經歷了由模擬向數字的演進過程，在未來的20年內可能又將逐步演進為數模并存的情形。由最初軟件編程主宰的MPU（嵌入式微處理器、DSP、單片機）到以往的硬編程主宰的ASIC時代直到今天的FPGA時代，可以說嵌入式系統設計在走過了一段相當長歲月的同時，其核心技術沿著“許氏循環(huán)“的浪潮不斷前行，設計平臺也通過科技的進步不斷完善自身。隨著即將到來的客戶訂制型SoC/SIP以及U－SoC，我們即將進入的是一個軟硬雙可編程的嵌入式系統時代。就目前而言，我們正處于一個硬編程向軟硬雙可編程嵌入式系統設計的過渡時期，因此可以這么說，我們現在即將進入的是一個嵌入式系統設計的軟核時代。

總結
輕、薄、短、小、低功耗、高可靠性是嵌入式系統永遠追求的方向，顯然用半導體工程技術和EDA 平臺在一個芯片上實現一個嵌入式系統是千萬人為之努力的目標。SoC是基于IP重用和軟硬件協同設計的產物。對于今天的ES（Embedded System）工程師來說在嵌入式系統EDA平臺上基于FPGA設計SoC可能是必然的選擇。