嵌入式開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)和流程

嵌入式開(kāi)發(fā)是指利用分立元件或集成器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行軟件編程(通常是高級(jí)語(yǔ)言)，實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多輪修改設(shè)計(jì)、制作，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。這種嵌入式開(kāi)發(fā)，適用于未來(lái)產(chǎn)品比較單一，產(chǎn)量比較大，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)，成本控制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)。嵌入式技術(shù)不是單純的軟件技術(shù)，也不是單純的硬件技術(shù)，是一門(mén)如何在一個(gè)特定的硬件環(huán)境上開(kāi)發(fā)與構(gòu)建特定的可編程軟件系統(tǒng)的綜合技術(shù)。嵌入式技術(shù)是在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展中應(yīng)運(yùn)而生的，它是依附于嵌入式系統(tǒng)，并推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)不斷向前發(fā)展的核心動(dòng)力。嵌入式是一種專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車(chē)等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。嵌入式技術(shù)近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，但是嵌入式產(chǎn)業(yè)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，彼此之間的特點(diǎn)也相當(dāng)明顯。例如，很多行業(yè)：手機(jī)、PDA、車(chē)載導(dǎo)航、工控、軍工、多媒體終端、網(wǎng)關(guān)、數(shù)字電視等。主流的嵌入式平臺(tái)有三種：ARM平臺(tái)、DSP平臺(tái)和FPGA平臺(tái)。一、ARMARM微處理器是由ARM公司提供IP(Intellectual Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán))授權(quán)，交付多個(gè)芯片設(shè)計(jì)廠商整合生產(chǎn)的。在2007年，意法半導(dǎo)體(ST)公司成為第一個(gè)引入ARM Cortex-M授權(quán)的半導(dǎo)體廠商，開(kāi)啟了高性能、低成本、低功耗的ARM嵌入式芯片新時(shí)代，其生產(chǎn)的STM32系列微處理器是最流行的Cortex-M微處理器。ARM嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)與控制、智能儀器儀表、機(jī)電一體化設(shè)備、汽車(chē)電子及日常消費(fèi)電子產(chǎn)品中，其優(yōu)越的性能和完善的開(kāi)發(fā)環(huán)境得到廣大電子工程師的青睞。二、DSP平臺(tái)嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)，是專(zhuān)門(mén)用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)及傳輸?shù)墓鸾Y(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)門(mén)硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。三、FPGA平臺(tái)隨著平臺(tái)級(jí)FPGA產(chǎn)品的出現(xiàn)和EDA設(shè)計(jì)工具軟件的不斷發(fā)展，利用現(xiàn)有的FPGA和EDA工具，人們也可以很方便地在FPGA中嵌入RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集)處理器內(nèi)核、DSP算法、存儲(chǔ)器、專(zhuān)用ASIC模塊、其它數(shù)字IP Core以及用戶(hù)定制邏輯等，構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)(SOPC)，把原來(lái)需要在PCB上采用處理器、DSP、若干ASIC芯片才能實(shí)現(xiàn)的功能全都集成到了單片F(xiàn)PGA上。FPGA內(nèi)部嵌入了豐富的乘法器(DSP)資源、高速收發(fā)器(GTP/GTX)資源、以太網(wǎng)MAC資源、嵌入式處理器(Power PC)資源、時(shí)鐘及鎖相環(huán)資源、存儲(chǔ)器(BRAM)資源等，甚至在Xilinx公司最新推出的Zynq-7000系列芯片之中嵌入了ARM資源，將傳統(tǒng)的FPGA演變成了ARM+FPGA的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這些嵌入的硬件資源極大地增強(qiáng)了傳統(tǒng)FPGA的功能，提升了FPGA的工作效率和靈活性，使得一塊FPGA平臺(tái)就可適用于多種產(chǎn)品，進(jìn)行各種擴(kuò)展。開(kāi)發(fā)者只需要掌握Verilog HDL等硬件描述語(yǔ)言和嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的相關(guān)知識(shí)，就可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行編程和控制。(1)嵌入式處理器：MPU、DSP。(2)存儲(chǔ)器系統(tǒng)：Flash+RAM+MEM card+mini HD。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它不具備像硬盤(pán)那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而用靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器(RAM、SRAM)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)和非易失型存儲(chǔ)器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其中FLASH憑借其可擦寫(xiě)次數(shù)多、存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。(3)輸入設(shè)備：鍵盤(pán)，視/音頻輸入，A/D。(4)輸出設(shè)備：顯示(LED/LCD/OLED)裝置，視/音頻輸出，A/D。(5)通訊接口：Ehternet(802.3)，WIFI(802.11)。(6)總線接口：RS232/RS485，USB，1394(Firewire)。(7)電源管理：待機(jī)、休眠、功耗管理等。嵌入式開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)選擇主要是嵌入式處理器的選擇。在具體應(yīng)用中處理器的選擇決定了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在一個(gè)系統(tǒng)中使用什么樣的嵌入式處理器主要取決于應(yīng)用領(lǐng)域、用戶(hù)的需求、成本、開(kāi)發(fā)的難易程度等因素。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選擇最適用的硬件平臺(tái)是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，包括要考慮其他工程的影響以及缺乏完整或準(zhǔn)確的信息等。標(biāo)準(zhǔn)嵌入式開(kāi)發(fā)架構(gòu)有兩大體系：CISC(Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))和RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))。早期的CPU全部是CISC架構(gòu)，它的設(shè)計(jì)目的主要用最少的機(jī)器語(yǔ)言指令來(lái)完成所需的計(jì)算任務(wù)。這種架構(gòu)會(huì)增加CPU結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和對(duì)CPU工藝的要求，但對(duì)于編譯器的開(kāi)發(fā)十分有利。只有Intel及其兼容CPU還在使用CISC架構(gòu)。RISC架構(gòu)要求軟件來(lái)指定各個(gè)操作步驟，可以降低CPU的復(fù)雜性以及允許在同樣的工藝水平下生產(chǎn)功能更強(qiáng)大的CPU，但對(duì)于編譯器的設(shè)計(jì)有更高的要求。占主要地位的是RISC處理器。RISC體系的陣營(yíng)非常廣泛，從ARM、MIPS到PowerPC、ARC、Tensilica等，都是屬于RISC處理器范疇。不過(guò)這些處理器雖然同樣是屬于RISC體系，但是在指令設(shè)計(jì)與處理單元的結(jié)構(gòu)上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平臺(tái)上所開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)法直接為另一硬件平臺(tái)所用，而必須重新經(jīng)過(guò)編譯。CISC和RISC正在逐步走向融合，Pentium Pro、Nx586、K5就是一個(gè)明顯的例子，它們的內(nèi)核都是基于RISC體系結(jié)構(gòu)的，它們接受CISC指令后將其分類(lèi)成RISC指令以便在同一時(shí)間內(nèi)能夠執(zhí)行多余指令當(dāng)前，嵌入式開(kāi)發(fā)已經(jīng)逐步規(guī)范化，在遵循一般工程開(kāi)發(fā)流程的基礎(chǔ)上，嵌入式開(kāi)發(fā)有其自身的一些特點(diǎn)。主要包括系統(tǒng)需求分析(要求有嚴(yán)格規(guī)范的技術(shù)要求)、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測(cè)試，最終得到產(chǎn)品。(1)系統(tǒng)需求分析。確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，并提煉出設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書(shū)，作為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如輸入輸出信號(hào)、操作方式等;非功能性需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。(2)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能性需求，包括對(duì)硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分，以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。(3)硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。基于體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。為了縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，設(shè)計(jì)往往是并行的。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作大部分都集中在軟件設(shè)計(jì)上，面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。(4)系統(tǒng)集成。把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤。(5)系統(tǒng)測(cè)試。對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，看其是否滿足規(guī)格說(shuō)明書(shū)中給定的功能要求。