嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的演化—從單片機(jī)到單片系統(tǒng)

 摘要：在介紹嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法變化背景的基礎(chǔ)上，綜述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的不同層次，從單片 機(jī)應(yīng)用到單片系統(tǒng)設(shè)計的演化，并提出了發(fā)展戰(zhàn)略。

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 設(shè)計 單片系統(tǒng)(SOC) 硬件描述語言(HDL) IP內(nèi)核

一、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法變化的背景

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的演化總的來說是因?yàn)閼?yīng)用需求的牽引和IT技術(shù)的推動。

1.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，推動了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的器件可編程思想和微處理（器）技術(shù)可以用軟件來改變和實(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，開創(chuàng)了一個嶄新的應(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)等社會活動。

2.計算機(jī)硬件平臺性能的大幅度提高，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)計提供了物理基礎(chǔ)。

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(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(yàn)證和器件編程等一體化的易于學(xué)習(xí)和方便使用的開發(fā)集成環(huán)境。

4.硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)的發(fā)展為復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)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(qiáng)，給硬件電路，特別是半定制大規(guī)模集成電路設(shè)計帶來了重大的變革。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)計的公司。其任務(wù)是按常用或?qū)Ｓ霉δ?，用HDL來描述集成電路的功能和結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過不同級別的驗(yàn)證形成不同級別的IP內(nèi)核模塊，供芯片設(shè)計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)計好的甚至已經(jīng)過驗(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級不同程度的設(shè)計，對應(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)過工藝驗(yàn)證的“硬IP內(nèi)核(hard IP core)”3個層次。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)過行為級設(shè)計優(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電路級網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)合成一體，根據(jù)各種不同的半導(dǎo)體工藝，設(shè)計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)總門數(shù)都在5000門以上。但是，如果后續(xù)設(shè)計不當(dāng)，有可能導(dǎo)致整個結(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，已有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝，并已經(jīng)過工藝驗(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，是可以拿來就用的全套技術(shù)。

固IP內(nèi)核的設(shè)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(shè)計外，還完成了門電路級綜合和時序仿真等設(shè)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(quán)，用其MCS51的IP內(nèi)核模塊結(jié)合自己的特長開發(fā)出有個性的與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)核模塊庫為快速地設(shè)計專用集成電路和單片系統(tǒng)以及盡快占領(lǐng)市場提供了基本保證。

5.軟件技術(shù)的進(jìn)步，特別是嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operation System）的推出，為開發(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發(fā)平臺。EOS是一種功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的實(shí)時多任務(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，用戶可以通過應(yīng)用程序接口API調(diào)用函數(shù)形式來實(shí)現(xiàn)各種資源管理。用戶程序可以在EOS的基礎(chǔ)上開發(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、開銷小、實(shí)時性強(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和各種開放源代碼的嵌入式Linux以及國內(nèi)開發(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)計方法的變化

過去擅長于軟件設(shè)計的編程人員一般對硬件電路設(shè)計“敬而遠(yuǎn)之”，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計被認(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(xí)慣稱作單片機(jī)）的應(yīng)用，學(xué)會相應(yīng)的匯編語言編程。在設(shè)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(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等高級語言編程作系統(tǒng)程序，設(shè)計系統(tǒng)界面，通過與單片機(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)計人員則很少有興趣去學(xué)習(xí)應(yīng)用電路設(shè)計。但是，隨著計算機(jī)技術(shù)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(shè)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(shè)計硬件電路不再是硬件設(shè)計工程師的專利，擅長軟件編程的設(shè)計人員可以借助于HDL工具來描述硬件電路的行為、功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、信號連接關(guān)系和定時關(guān)系，設(shè)計出滿足各種要求的硬件系統(tǒng)。

EDA工具允許有兩種設(shè)計輸入工具，分別適應(yīng)硬件電路設(shè)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(shè)計人員用已習(xí)慣的原理圖輸入方式，而讓具有軟件背景的設(shè)計人員用硬件描述語言輸入方式。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、時域傳遞和修改，還能建立獨(dú)立于工藝的設(shè)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(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計的工程師設(shè)計出更好的硬件電路和系統(tǒng)。所以，習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計的工程師應(yīng)該學(xué)會用HDL來描述和編程。

三、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的3個層次

嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(shè)計方法。

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

抽象設(shè)計主要是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能要求，對系統(tǒng)功能細(xì)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(jìn)行硬件和軟件功能實(shí)現(xiàn)的分配。

具體設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)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(jìn)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(jìn)行搭試、功能檢驗(yàn)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(shè)計的關(guān)鍵一步就是利用印制板(PCB)計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)軟件對系統(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。軟件設(shè)計貫穿整個系統(tǒng)的設(shè)計過程，主要包括任務(wù)分析、資源分配、模塊劃分、流程設(shè)計和細(xì)化、編碼調(diào)試等。軟件設(shè)計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為開發(fā)平臺的設(shè)計方法。

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)計時，設(shè)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(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)計并不需要設(shè)計人員有半導(dǎo)體工藝和片內(nèi)集成電路布局和布線的知識和經(jīng)驗(yàn)。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(diào)試費(fèi)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(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)計人員從過去選擇和使用標(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(qiáng)，結(jié)構(gòu)趨于更合理，使用變得更靈活和方便。

設(shè)計人員可以利用各種EDA工具和標(biāo)準(zhǔn)的CPLD和FPGA等，設(shè)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(shè)計方法，把用半定制器件設(shè)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(gòu)成系統(tǒng)。

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

20世紀(jì)90年代后，進(jìn)一步開始了從“集成電路”級設(shè)計不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級設(shè)計。目前已進(jìn)入單片系統(tǒng)SOC（System on a chip）設(shè)計階段，并開始進(jìn)入實(shí)用階段。這種設(shè)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(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(jié)構(gòu)、外圍器件各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)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(shè)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?yàn)?，?shí)際上并不是所有的系統(tǒng)都能在一個芯片上實(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)價值。目前，進(jìn)入實(shí)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(dǎo)體廠商正在緊鑼密鼓地研制和開發(fā)像單片PC這樣的復(fù)雜單片系統(tǒng)。

單片系統(tǒng)的設(shè)計如果從零開始，這既不現(xiàn)實(shí)也無必要。因?yàn)槌嗽O(shè)計不成熟、未經(jīng)過時間考驗(yàn)，其系統(tǒng)性能和質(zhì)量得不到保證外，還會因?yàn)樵O(shè)計周期太長而失去商業(yè)價值。

為了加快單片系統(tǒng)設(shè)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(quán)，使用成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊來進(jìn)行設(shè)計集成和二次開發(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)計的基礎(chǔ)，究竟購買哪一級IP內(nèi)核模塊，要根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)、時間、資金和其他條件權(quán)衡確定。購買硬IP內(nèi)核模塊風(fēng)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(fēng)險，還能節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，因?yàn)橐话阗徺IIP內(nèi)核模塊的費(fèi)用要低于自己單獨(dú)設(shè)計和驗(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上買得到。為了壟斷市場，有一些公司開發(fā)出來的關(guān)鍵IP內(nèi)核模塊（至少暫時）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開發(fā)。

這3個層次各有各的應(yīng)用范圍。從應(yīng)用開發(fā)角度看，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，都是采用前2種方法。第3層次設(shè)計方法對一般具體應(yīng)用人員來說，只能用來設(shè)計簡單的單片系統(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)問題或商業(yè)價值問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)用人員只要會選用即可。所以，3個層次的設(shè)計方法會并存，并不會簡單地用后者取代前者。 初級應(yīng)用設(shè)計人員會以第1種方法為主；富有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計人員會以第2種方法為主；很專業(yè)的設(shè)計人員會用第3種方法進(jìn)行簡單單片系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。但所有的設(shè)計人員都可以應(yīng)用半導(dǎo)體大廠商推出的用第3種方法設(shè)計的專用單片系統(tǒng)。

結(jié)束語

目前，在我國3個層次的設(shè)計分別呈“面”、“線”、“點(diǎn)”的狀態(tài)。習(xí)慣于第1層次設(shè)計方法的電子信息系統(tǒng)設(shè)計人員需要逐步向第2層次過渡和發(fā)展；第2層次設(shè)計方法要由“線”逐步發(fā)展成“面”；第3層次設(shè)計方法需要國家有關(guān)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(guān)、協(xié)調(diào)發(fā)展。第3層次設(shè)計方法要由“點(diǎn)”逐步發(fā)展成“線”。