嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)層次

　　一、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法變化的背景

　　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的演化總的來(lái)說(shuō)是因?yàn)閼?yīng)用需求的牽引和IT技術(shù)的推動(dòng)。

　　隨著微電子技術(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)模塊，推動(dòng)了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的器件可編程思想和微處理(器)技術(shù)可以用軟件來(lái)改變和實(shí)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(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的應(yīng)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(xué)習(xí)等社會(huì)活動(dòng)。

　　計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)性能的大幅度提高，使很多復(fù)雜算法和方便使用的界面得以實(shí)現(xiàn)，大大提高了工作效率，給復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)提供了物理基礎(chǔ)。

　　高性能的EDA綜合開(kāi)發(fā)工具(平臺(tái))得到長(zhǎng)足發(fā)展，而且其自動(dòng)化和智能化程度不斷提高，為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了不同用途和不同級(jí)別集編輯、布局、布線、編譯、綜合、模擬、測(cè)試、驗(yàn)證和器件編程等一體化的易于學(xué)習(xí)和方便使用的開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。

　　硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware DescrIPtion Language)的發(fā)展為復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(qiáng)，給硬件電路，特別是半定制大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了重大的變革。目前，用得較多的有已成為IEEE為 STD1076標(biāo)準(zhǔn)的VHDL、IEEE STD 1364標(biāo)準(zhǔn)的Verilog HDL和Altera公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AHDL等。

　　由于HDL的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化，世界上出現(xiàn)了一批利用HDL進(jìn)行各種集成電路功能模塊專業(yè)設(shè)計(jì)的公司。其任務(wù)是按常用或?qū)Ｓ霉δ埽肏DL來(lái)描述集成電路的功能和結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)不同級(jí)別的驗(yàn)證形成不同級(jí)別的IP內(nèi)核模塊，供芯片設(shè)計(jì)人員裝配或集成選用。

　　IP(Intellectual Property)內(nèi)核模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)好的甚至已經(jīng)過(guò)驗(yàn)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(jié)構(gòu)(structure)和物理(physical)3級(jí)不同程度的設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)有主要描述功能行為的“軟IP內(nèi)核(soft IP core)”、完成結(jié)構(gòu)描述的“固IP內(nèi)核(firm IP core)”和基于物理描述并經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證的“硬IP內(nèi)核(hard IP core)”3個(gè)層次。這相當(dāng)于集成電路(器件或部件)的毛坯、半成品和成品的設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　軟IP內(nèi)核通常是用某種HDL文本提交用戶，它已經(jīng)過(guò)行為級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)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(mén)電路級(jí)網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jié)合成一體，根據(jù)各種不同的半導(dǎo)體工藝，設(shè)計(jì)成具有不同性能的器件?？梢陨唐坊能汭P內(nèi)核一般電路結(jié)構(gòu)總門(mén)數(shù)都在5000門(mén)以上。但是，如果后續(xù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，有可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)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(dǎo)體工藝的物理設(shè)計(jì)，已有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝，并已經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證，具有可保證的性能。其提供給用戶的形式是電路物理結(jié)構(gòu)掩模版圖和全套工藝文件，是可以拿來(lái)就用的全套技術(shù)。

　　固IP內(nèi)核的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)外，還完成了門(mén)電路級(jí)綜合和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。一般以門(mén)電路級(jí)網(wǎng)表形式提交用戶使用。

　　TI，Philips和Atmel等廠商就是通過(guò)Intel授權(quán)，用其MCS51的IP內(nèi)核模塊結(jié)合自己的特長(zhǎng)開(kāi)發(fā)出有個(gè)性的與Intel MCS51兼容的單片機(jī)。

　　常用的IP內(nèi)核模塊有各種不同的CPU(32/64位CISC/RISC結(jié)構(gòu)的CPU或8/16位微控制器/單片機(jī)，如8051等)、32/64位 DSP(如320C30)、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCI、標(biāo)準(zhǔn)接口、網(wǎng)絡(luò)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(kù)為快速地設(shè)計(jì)專用集成電路和單片系統(tǒng)以及盡快占領(lǐng)市場(chǎng)提供了基本保證。

　　軟件技術(shù)的進(jìn)步，特別是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operation System)的推出，為開(kāi)發(fā)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件提供了底層支持和高效率開(kāi)發(fā)平臺(tái)。EOS是一種功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的實(shí)時(shí)多任務(wù)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(guò)應(yīng)用程序接口API調(diào)用函數(shù)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種資源管理。用戶程序可以在EOS的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)并運(yùn)行。它與通用系統(tǒng)機(jī)中的OS相比，主要有系統(tǒng)內(nèi)核短小精悍、開(kāi)銷小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。完善的EOS還提供各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和 Internet應(yīng)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(xué)的Tron和各種開(kāi)放源代碼的嵌入式Linux以及國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)成功的凱思集團(tuán)的Hopen OS和浙江大學(xué)的HBOS。

　　二、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的變化

　　過(guò)去擅長(zhǎng)于軟件設(shè)計(jì)的編程人員一般對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)“敬而遠(yuǎn)之”，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)被認(rèn)為是性質(zhì)完全不同的技術(shù)。

　　隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子工程出身的設(shè)計(jì)人員，往往還逐步涉足軟件編程。其主要形式是通過(guò)微控制器(國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱作單片機(jī))的應(yīng)用，學(xué)會(huì)相應(yīng)的匯編語(yǔ)言編程。在設(shè)計(jì)規(guī)模更大的集散控制系統(tǒng)時(shí)，必然要用到已普及的PC機(jī)，以其為上端機(jī)，從而進(jìn)一步學(xué)習(xí)使用Quick BASIC，C，C++，VC和VB等高級(jí)語(yǔ)言編程作系統(tǒng)程序，設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面，通過(guò)與單片機(jī)控制的前端機(jī)進(jìn)行多機(jī)通信構(gòu)成集中分布控制系統(tǒng)。

　　軟件編程出身的設(shè)計(jì)人員則很少有興趣去學(xué)習(xí)應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是硬件描述語(yǔ)言HDL的發(fā)明，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(lái)描述和仿真。在這種情況下，設(shè)計(jì)硬件電路不再是硬件設(shè)計(jì)工程師的專利，擅長(zhǎng)軟件編程的設(shè)計(jì)人員可以借助于HDL工具來(lái)描述硬件電路的行為、功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、信號(hào)連接關(guān)系和定時(shí)關(guān)系，設(shè)計(jì)出滿足各種要求的硬件系統(tǒng)。

　　EDA工具允許有兩種設(shè)計(jì)輸入工具，分別適應(yīng)硬件電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員用已習(xí)慣的原理圖輸入方式，而讓具有軟件背景的設(shè)計(jì)人員用硬件描述語(yǔ)言輸入方式。由于用HDL描述進(jìn)行輸入，因而與系統(tǒng)行為描述更接近，且更便于綜合、時(shí)域傳遞和修改，還能建立獨(dú)立于工藝的設(shè)計(jì)文件，所以，擅長(zhǎng)軟件編程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知識(shí)，往往可以比習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師設(shè)計(jì)出更好的硬件電路和系統(tǒng)。所以，習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師應(yīng)該學(xué)會(huì)用HDL來(lái)描述和編程。

　　三、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3個(gè)層次

　　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3個(gè)不同層次：

　　1. 第1層次：以PCB CAD軟件和ICE為主要工具的設(shè)計(jì)方法。

　　這是過(guò)去直至現(xiàn)在我國(guó)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直沿用的方法，其步驟是先抽象后具體。

　　抽象設(shè)計(jì)主要是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能要求，對(duì)系統(tǒng)功能細(xì)化，分成若干功能模塊，畫(huà)出系統(tǒng)功能框圖，再對(duì)功能模塊進(jìn)行硬件和軟件功能實(shí)現(xiàn)的分配。

　　具體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)性能參數(shù)要求對(duì)各功能模塊所需要使用的元器件進(jìn)行選擇和組合，其選擇的基本原則就是市場(chǎng)上可以購(gòu)買(mǎi)到的性價(jià)比最高的通用元器件。必要時(shí)，須分別對(duì)各個(gè)沒(méi)有把握的部分進(jìn)行搭試、功能檢驗(yàn)和性能測(cè)試，從模塊到系統(tǒng)找到相對(duì)優(yōu)化的方案，畫(huà)出電路原理圖。硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步就是利用印制板(PCB)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件對(duì)系統(tǒng)的元器件進(jìn)行布局和布線，接著是印制板加工、裝配和硬件調(diào)試。

　　工作量最大的部分是軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，主要包括任務(wù)分析、資源分配、模塊劃分、流程設(shè)計(jì)和細(xì)化、編碼調(diào)試等。軟件設(shè)計(jì)的工作量主要集中在程序調(diào)試，所以軟件調(diào)試工具就是關(guān)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(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。

　　隨著微電子工藝技術(shù)的發(fā)展，各種通用的可編程半定制邏輯器件應(yīng)運(yùn)而生。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以利用這些半定制器件，逐步把原先要通過(guò)印制板線路互連的若干標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜性轉(zhuǎn)換成半定制器件內(nèi)配置的復(fù)雜性。然而，半定制器件的設(shè)計(jì)并不需要設(shè)計(jì)人員有半導(dǎo)體工藝和片內(nèi)集成電路布局和布線的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。隨著半定制器件的規(guī)模越來(lái)越大，可集成的器件越來(lái)越多，使印制板上互連器件的線路、裝配和調(diào)試費(fèi)用越來(lái)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(yīng)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(shè)計(jì)人員從過(guò)去選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路器件，逐步轉(zhuǎn)向自己設(shè)計(jì)和制作部分專用的集成電路器件，而這些技術(shù)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(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA的發(fā)展過(guò)程。其趨勢(shì)是集成度和速度不斷提高，功能不斷增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)趨于更合理，使用變得更靈活和方便。

　　設(shè)計(jì)人員可以利用各種EDA工具和標(biāo)準(zhǔn)的CPLD和FPGA等，設(shè)計(jì)和自制用戶專用的大規(guī)模集成電路。然后再通過(guò)自下而上的設(shè)計(jì)方法，把用半定制器件設(shè)計(jì)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(gòu)成系統(tǒng)。

　　3. 第3層次：以IP內(nèi)核庫(kù)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。

　　20世紀(jì)90年代后，進(jìn)一步開(kāi)始了從“集成電路”級(jí)設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級(jí)設(shè)計(jì)。目前已進(jìn)入單片系統(tǒng)SOC(System o-n a chip)設(shè)計(jì)階段，并開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。這種設(shè)計(jì)方法不是把系統(tǒng)所需要用到的所有集成電路簡(jiǎn)單地二次集成到1個(gè)芯片上，如果這樣實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng)，是不可能達(dá)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(biāo)的，特別是低功耗要求。單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從整個(gè)系統(tǒng)性能要求出發(fā)，把微處理器、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、外圍器件各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)建立在全新理念上的系統(tǒng)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。有時(shí)也可能把系統(tǒng)做在幾個(gè)芯片上。因?yàn)?，?shí)際上并不是所有的系統(tǒng)都能在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)的;還可能因?yàn)閷?shí)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(jià)值。目前，進(jìn)入實(shí)用的單片系統(tǒng)還屬簡(jiǎn)單的單片系統(tǒng)，如智能IC卡等。但幾個(gè)著名的半導(dǎo)體廠商正在緊鑼密鼓地研制和開(kāi)發(fā)像單片PC這樣的復(fù)雜單片系統(tǒng)。

　　單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如果從零開(kāi)始，這既不現(xiàn)實(shí)也無(wú)必要。因?yàn)槌嗽O(shè)計(jì)不成熟、未經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)，其系統(tǒng)性能和質(zhì)量得不到保證外，還會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)周期太長(zhǎng)而失去商業(yè)價(jià)值。

　　為了加快單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期和提高系統(tǒng)的可靠性，目前最有效的一個(gè)途徑就是通過(guò)授權(quán)，使用成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)集成和二次開(kāi)發(fā)，利用膠粘邏輯技術(shù)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，究竟購(gòu)買(mǎi)哪一級(jí)IP內(nèi)核模塊，要根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)、時(shí)間、資金和其他條件權(quán)衡確定。購(gòu)買(mǎi)硬IP內(nèi)核模塊風(fēng)險(xiǎn)最小，但付出最大，這是必然的。但總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)購(gòu)買(mǎi)IP內(nèi)核模塊不僅可以降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，還能節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用，因?yàn)橐话阗?gòu)買(mǎi)IP內(nèi)核模塊的費(fèi)用要低于自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的費(fèi)用。當(dāng)然，并不是所需要的IP內(nèi)核模塊都可以從市場(chǎng)上買(mǎi)得到。為了壟斷市場(chǎng)，有一些公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的關(guān)鍵IP內(nèi)核模塊(至少暫時(shí))是不愿意授權(quán)轉(zhuǎn)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(lái)開(kāi)發(fā)。

　　這3個(gè)層次各有各的應(yīng)用范圍。從應(yīng)用開(kāi)發(fā)角度看，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，都是采用前2種方法。第3層次設(shè)計(jì)方法對(duì)一般具體應(yīng)用人員來(lái)說(shuō)，只能用來(lái)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的單片系統(tǒng)。而復(fù)雜的單片系統(tǒng)則是某些大的半導(dǎo)體廠商才能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，并且用這種方法實(shí)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(yīng)用系統(tǒng)才值得投入研制。還有些應(yīng)用系統(tǒng)，因?yàn)榧夹g(shù)問(wèn)題或商業(yè)價(jià)值問(wèn)題并不適宜用單片實(shí)現(xiàn)。當(dāng)它們以商品形式推出相應(yīng)單片系統(tǒng)后，應(yīng)用人員只要會(huì)選用即可。所以，3個(gè)層次的設(shè)計(jì)方法會(huì)并存，并不會(huì)簡(jiǎn)單地用后者取代前者。 初級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員會(huì)以第1種方法為主;富有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員會(huì)以第2種方法為主;很專業(yè)的設(shè)計(jì)人員會(huì)用第3種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。但所有的設(shè)計(jì)人員都可以應(yīng)用半導(dǎo)體大廠商推出的用第3種方法設(shè)計(jì)的專用單片系統(tǒng)。