32位嵌入式開發(fā)的發(fā)展和動(dòng)向分析

0.75億片。另外，據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測分析，今年中國大陸市場8位MCU的需求量會(huì)增長15%- 20%左右；32位MPU的需求量繼續(xù)以100%的速度增長。

由此可以看出，8位MCU市場已逐步趨向穩(wěn)定，32位MPU代表著嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向，正在加速發(fā)長。在32位嵌入式微處理器市場上，基于ARM內(nèi)核的微處理器在市場上處于絕對的領(lǐng)導(dǎo)地位，因此追蹤ARM技術(shù)的發(fā)展趨勢顯得尤為重要。

ARM技術(shù)的發(fā)展趨勢

高度集成化的SOC趨勢

ARM 公司是一家IP供應(yīng)商，其核心業(yè)務(wù)是IP核以及相關(guān)工具的開發(fā)和設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體廠商通過購買ARM公司的IP授權(quán)來生產(chǎn)自己的微處理器芯片。由此以來，處理器內(nèi)核來自ARM公司、各芯片廠商結(jié)合自身已有的技術(shù)優(yōu)勢以及芯片的市場定位等因數(shù)使芯片設(shè)計(jì)最優(yōu)化，從而產(chǎn)生了一大批高度集成、各據(jù)特色的SOC芯片。例如Intel公司的XScale系列集成了LCD控制器、音頻編/解碼器，定位于智能PDA市場；Atmel公司的AT91系列片內(nèi)集成了大容量 Flash和RAM、高精度A/D轉(zhuǎn)換器以及大量可編程I/O端口，特別適合于工業(yè)控制領(lǐng)域；Philips公司的LPC2000系列片內(nèi)集成了128位寬的零等待Flash存儲(chǔ)器以及I2C,&nbspSPI,PWM,UART等傳統(tǒng)接口，極高的性價(jià)比使它對傳統(tǒng)的8/16位MCU提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

然而如此眾多的高集成度SOC芯片由于其內(nèi)核統(tǒng)一于ARM核心，使得軟、硬件平臺的移植變得相當(dāng)容易；只要掌握了ARM開發(fā)技術(shù)的核心，就可以達(dá)到“一通白通”的目的，為用戶大大降低了培訓(xùn)、學(xué)習(xí)的成本，縮短了產(chǎn)品上市的時(shí)間。

高集成度SOC芯片的采用可以帶來一系列好處，諸如減少了外圍器件和PCB面積，提高系統(tǒng)抗干擾能力，縮小產(chǎn)品體積，降低功耗等。

ARM公司的IP核也由ARM7,ARM9發(fā)展到今天的ARM11版本。ARM11囊括了Thumb-2,CoreSight,TrusZone等眾多業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，同時(shí)由單一的處理器內(nèi)核向多核發(fā)展，為高端的嵌入式應(yīng)用提供了強(qiáng)大的處理平臺。

軟核與硬核同步發(fā)展的SOPC技術(shù)

隨著亞微米技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片密度不斷增加，并以強(qiáng)大的并行計(jì)算能力和方便靈活的動(dòng)態(tài)可重購性，被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是在復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)上， FPGA卻遠(yuǎn)沒有32位RISC處理器靈活方便，所以在設(shè)計(jì)具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時(shí)，往往需要RISC和FPGA結(jié)合使用，SOPC技術(shù)就是在這樣的環(huán)境下誕生的。同時(shí)ASIC相對于SOPC由于減少彈性，且逐漸喪失價(jià)格優(yōu)勢而放慢了發(fā)展的步伐。

SOPC技術(shù)中以Nios和 MicroBlaze為代表的RISC處理器IP核以及用戶以HDL語言開發(fā)的邏輯部件可以最終綜合到一片F(xiàn)PGA芯片中，實(shí)現(xiàn)真正的可編程片上系統(tǒng)，此時(shí)的嵌入式處理器稱之為“軟處理器”或“軟核”。Altera公司最新推出的NiosII可以嵌入到Altera公司的StratixII, Stratix,Cyclone和HardCopy等系列可編程器件中，用戶可以獲得超過200DMIPS的性能，而只需花費(fèi)不到35美分的邏輯的資源。用戶可以從三種處理器以及超過60個(gè)的IP核中選擇所需要的，設(shè)計(jì)師可以以此來創(chuàng)建一個(gè)最適合他們需求的嵌入式系統(tǒng)。軟核技術(shù)提供了極高的靈活性和性價(jià)比。

SOPC技術(shù)的另一個(gè)重要分支是嵌入硬核。集高密度邏輯(FPGA)、存儲(chǔ)器(SRAM)及嵌入式處理器(ARM/& nbspPPC)于單片可編程邏輯器件上，實(shí)現(xiàn)了高速度與編程能力的完美結(jié)合。Altra公司的EPXA10芯片內(nèi)部集成了工作頻率可達(dá)200MHz的 ARM922T處理器、100萬門可編程邏輯、3MB的內(nèi)部RAM以及512個(gè)可編程I/O管腳，可以通過嵌入各種IP核實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口，如 PCI,USB等。軟硬核同步發(fā)展，為用戶提供了更多、更靈活的選擇。

與DSP技術(shù)融合

傳統(tǒng)的嵌入式微處理器可以分為微控制器MCU、微處理器MPU和數(shù)字信號處理器DSP，然而隨著技術(shù)的發(fā)展，它們之間的區(qū)別也變的越來越模糊，并有逐步融合的趨勢?，F(xiàn)在不少的MCU和 MPU具備了DSP的特征，例如采用哈佛結(jié)構(gòu)、增加了乘加運(yùn)算指令等；同時(shí)不少DSP芯片內(nèi)部也集成了A/D,D/A,定時(shí)/計(jì)數(shù)器和UART等。

這種技術(shù)融合趨勢也有兩條不同的技術(shù)路線：1.在中低端應(yīng)用中，在傳統(tǒng)MPU內(nèi)部集成DSP宏單元以及在指令集中加入DSP功能指令。ARM9E系列處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)的同時(shí)增加了16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作指令、雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作指令、cache預(yù)取指令等，可以滿足數(shù)字消費(fèi)品、存貯設(shè)備、馬達(dá)控制和低端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對于控制和高密度運(yùn)算能力的雙重需求。2.高端復(fù)雜應(yīng)用中，向多內(nèi)核、并行處理的方向發(fā)展。TI公司的開放媒體應(yīng)用處理器OMAP集成了TI的 TMS320C5XXDSP內(nèi)核和一個(gè)增強(qiáng)了的ARM926-EJS內(nèi)核以及內(nèi)部處理器通信機(jī)制和音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)通信等部件，使之成為一個(gè)強(qiáng)大的多媒體移動(dòng)計(jì)算平臺。

開發(fā)和調(diào)試手段不斷完善

隨著嵌入式系統(tǒng)的日益復(fù)雜化以及開發(fā)周期越來越短，開發(fā)和調(diào)試手段也發(fā)生了很大的改變。硬件方面由于QFP和BGA封裝的逐漸普及，使得以探針方式為主的BDM(背景調(diào)試模式)力不從心；以邊界掃描接口(JTAG)為基礎(chǔ)的在電路仿真調(diào)試手段正在普及，更為先進(jìn)的的片上實(shí)時(shí)跟蹤(Trace)技術(shù)也已浮出水面。軟件方面，因?yàn)檐浖?guī)模不斷擴(kuò)大，必須采用嵌入式操作系統(tǒng)來管理軟、硬件資源，同時(shí)傳統(tǒng)的C語言和匯編語言混合編程的模式也因?yàn)橐朊嫦驅(qū)ο笏枷胍约癈++和Java語言而發(fā)生了很大改變。面向?qū)ο笳Z言更適合大規(guī)模應(yīng)用和平臺級開發(fā)，代碼復(fù)用和移植變得更簡單。

軟件工程師思想融入嵌入式軟件

嵌入式軟件規(guī)模不斷擴(kuò)大，以往的面向過程的模塊化分析方法已經(jīng)很難滿足要求?；趯ο蟮慕y(tǒng)一建模語言(UML)可以描述對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)極為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)和行為方面，并且已成為有效設(shè)計(jì)的優(yōu)秀媒介。 Hassan&nbspGonaa提出的并發(fā)對象建模和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法(COMET)以及Bruce&nbspPowel& nbspDouglass等人提出的嵌入式系統(tǒng)的快速面向?qū)ο筮^程(ROPES)都是在吸收了統(tǒng)一建模語言精髓的基礎(chǔ)上，并融合了嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)固有特點(diǎn)發(fā)展而來的基于UML的嵌入式系統(tǒng)建模和分析方法。

嵌入式系統(tǒng)可以歸入電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)交叉學(xué)科的范疇，因此存在著硬件、軟件在設(shè)計(jì)時(shí)的協(xié)調(diào)和配合問題。傳統(tǒng)的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)雖然在初始階段考慮了軟硬件接口問題，但由于軟硬件分別開發(fā)，各自部分的修改和缺陷很容易導(dǎo)致系統(tǒng)集成時(shí)出錯(cuò)誤。由于設(shè)計(jì)方法的限制，這些錯(cuò)誤不但很難定位，而且對它們的修改往往會(huì)涉及整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)和硬件配置的改動(dòng)，會(huì)帶來災(zāi)難性后果。

為了避免上述問題，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法應(yīng)運(yùn)而生，其典型設(shè)計(jì)過程如下。首先，采用有限狀態(tài)機(jī)(FSM)、統(tǒng)一化規(guī)格語言(CSP)和硬件描述語言(HDL)等方法對系統(tǒng)進(jìn)行抽象描述，對軟/硬件統(tǒng)一表示，便于功能劃分和綜合；然后，在此基礎(chǔ)上對軟/硬件進(jìn)行劃分。這種方法的特點(diǎn)是在協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同測試和協(xié)同驗(yàn)證上，充分考慮軟/硬件的關(guān)系，并在設(shè)計(jì)的每個(gè)層次上給予測試驗(yàn)證，使得盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題。國外一些大的半導(dǎo)體廠商已經(jīng)將這種分析/設(shè)計(jì)方法逐步運(yùn)用到實(shí)際的芯片開發(fā)設(shè)計(jì)當(dāng)中。

國內(nèi)的現(xiàn)狀和動(dòng)向

國內(nèi)的32位嵌入式開發(fā)近兩年來異?；鸨?，基于32位SOC芯片的應(yīng)用系統(tǒng)能夠大大提高產(chǎn)品的性能和附加值，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場力，因此越來越多的工程師開始將目光從8位/16位轉(zhuǎn)移到32位微處理器上。廣大的應(yīng)用開發(fā)工程師是國內(nèi)32位嵌入式開發(fā)向縱深發(fā)展的基礎(chǔ)。華為、大唐、東南大學(xué)、清華大學(xué)等一批企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)購買了ARM公司的IP授權(quán)用于自有知識產(chǎn)權(quán)SOC芯片的設(shè)計(jì)，這必將逐步縮小我們同國外先進(jìn)水平的差距。

由于市場和政策導(dǎo)向，國內(nèi)的32位嵌入式處理器也呈現(xiàn)出群體突破的態(tài)勢，方舟一號、方舟二號、龍芯等一大批32位嵌入式處理器陸續(xù)問世，但是開發(fā)工具、生產(chǎn)能力等問題還未解決，阻礙了它們的推廣應(yīng)用。另一方面，在SOPC、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)等較為前沿的領(lǐng)域我們還處于研究和探索階段，與國外先進(jìn)水平尚有較大差距。但我們有理由相信，采用國產(chǎn)芯片和操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)已不再遙遠(yuǎn)。

ks99