嵌入式開(kāi)發(fā)的設計模式及發(fā)展趨勢

　　在嵌入式應用中使用RTOS是由于嵌入式應用一般是計算機實(shí)時(shí)系統，有兩個(gè)重要特性：實(shí)時(shí)性和可靠性。實(shí)時(shí)性標準常用“系統響應時(shí)間”來(lái)衡量，即當一外部事件發(fā)生，系統能在多少時(shí)間內響應事件。RTOS分強實(shí)時(shí)和弱實(shí)時(shí)兩種。強實(shí)時(shí)RTOS用于對時(shí)間要求比較嚴格的場(chǎng)合?？煽啃詷藴食Ｓ孟到y平均無(wú)故障運行時(shí)間，即平均的故障間隔時(shí)間MTBF來(lái)衡量。

　　操作系統（OS）是一組計算機程序的集合，用來(lái)有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，即合理地對資源進(jìn)行調度，并為用戶(hù)提供方便的應用接口。它為應用支持軟件提供運行環(huán)境，即對程序開(kāi)發(fā)者提供功能強、使用方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境。OS的前身就是監控程序，類(lèi)似于單片機仿真器的監控程序。

　　RTOS是多任務(wù)的，每個(gè)用戶(hù)的應用程序可以設計成多個(gè)不同的任務(wù)，這些任務(wù)可以并發(fā)執行，提高系統的吞吐量，更有效地利用系統資源。常用的任務(wù)調度算法為：優(yōu)先級加輪詢(xún)、非搶占式優(yōu)先級調度、按優(yōu)先級搶占的調度算法。任務(wù)間通信與同步機制為：郵箱、隊列、信號量、事件標志。劃分任務(wù)時(shí)，任務(wù)之間的通信要盡可能少，這樣可以簡(jiǎn)化設計。

　　基于任務(wù)的設計可擴展、可管理、可大大提高系統的可靠性。RTOS提供給用戶(hù)的是各種系統調用。中斷、時(shí)間基準及定時(shí)的管理都由RTOS完成。采用RTOS編程可大幅度縮短程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間。RTOS一般都可裁剪、移植，適用于多種硬件環(huán)境，可以和應用程序一起固化到應用系統中。

　　隨著(zhù)后PC時(shí)代的來(lái)臨，微軟維納斯計劃推出Windows CE，我國女?huà)z計劃推出自主版權的Hopen實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。 “3C”結合的信息家電問(wèn)世，RTOS引起國內業(yè)界的極大關(guān)注。國內已引入pSOS、 VRTX、VxWorks、QNX、Nucleus等RTOS以及 CMX和RTXC小型適合單片機的帶源代碼的RTOS。

　　免費公開(kāi)內核的RTLinux和 μCOS也是使用的熱點(diǎn)。清華大學(xué)出版社出版了《工業(yè)控制計算機實(shí)時(shí)操作系統》。國際上很有名的有關(guān)μCOS的專(zhuān)著(zhù)《Micro C/OS-ii The Real Time Kernel》不久將在國內翻譯出版。 RTOS會(huì )更加深入人心，嵌入式應用軟件開(kāi)發(fā)由匯編、C向 RTOS發(fā)展。

　　硬件設計

　　單片機，即一個(gè)芯片就是一個(gè)計算機，代表著(zhù)計算機小型化的理想。隨著(zhù)超大規模高速集成電路 VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）的發(fā)展，專(zhuān)用集成電路 ASIC（Application Special Integrated Circuit）設計已使片上系統 SOC（System On a Chip）的設計與制造正在或已經(jīng)成為現實(shí)。

　　單片機和SOC是硬件設計高度集成化的產(chǎn)物。高度集成可以增加系統的可靠性、縮小體積并降低成本。集成電路產(chǎn)品的集成度，目前仍然保持每18個(gè)月增長(cháng)一倍的發(fā)展速度（摩爾定律），而產(chǎn)品的生命周期卻日趨縮短，因此，迫切要求提高ASIC芯片的設計速度。其中最重要的是盡可能重復運用已有的設計成果，采用具有知識產(chǎn)權的功能單元塊，即IP核（Intelligence Property Core）。

　　因此，必須重視IP核的開(kāi)發(fā)和重用。在設計方法上運用電子設計自動(dòng)化（EDA）工具，使用 VHDL和 Verilog硬件描述語(yǔ)言HDL（Hardware Description Language）進(jìn)行硬件的設計。VHDL支持行為級描述，并有IEEE 87和IEEE 93標準，設計效率明顯高于Verilog，更加受歡迎。從集成電路的觀(guān)點(diǎn)看，單片機是IP核，常用接口芯片 8255、8250、8279等也有類(lèi)似功能的IP核。8051單片機得到Philips、Atmel等眾多廠(chǎng)商的支持也得益于其IP核的互換和轉讓。內含CPU的可編程邏輯器件已列入集成電路生產(chǎn)廠(chǎng)家的生產(chǎn)計劃。模數混合的集成電路還存在設計制造難度。

目前，嵌入式應用硬件設計采用滿(mǎn)足要求的單片機是理想的選擇，采用CPU+PLD+AD/DA模式是明智的選擇?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展經(jīng)歷了由GAL/PAL、EPLD向 CPLD/FPGA（復雜可編程邏輯器件/現場(chǎng)可編程邏輯器件）發(fā)展，集成度越來(lái)越高。Lattice、Altera、Xilinx、AMD等公司提供可編程邏輯器件和EDA設計工具，支持HDL文本輸入和原理圖輸入，配備編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能。通過(guò)在系統編程ISP（In System Programming）或稱(chēng)在線(xiàn)下載，利用微機并口配有的下載電纜和可編程器件的JTAG接口相連，即可修改系統中PLD部分的設計，實(shí)現硬件設計的軟化。

　　系統定制電路部分的設計已從ASIC集成電路設計的殿堂變成電子工程師的必備知識。集成電路的設計和電子電路的設計在融合。當然，單片機外接的簡(jiǎn)單邏輯也