嵌入式系統設計方法的演化——從單片機到單片系統

　　一、 嵌入式系統設計方法變化的背景

　　嵌入式系統設計方法的演化總的來(lái)說(shuō)是因為應用需求的牽引和IT技術(shù)的推動(dòng)。

　　1 隨著(zhù)微電子技術(shù)的不斷創(chuàng )新和發(fā)展，大規模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高。硅材料與人類(lèi)智慧的結合，生產(chǎn)出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微電子 結構模塊，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)現硬件的功能。微處理器和 各種可編程大規模集成專(zhuān)用電路、半定制器件的大量應用，開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)嶄新的應用世界，以至廣泛影響著(zhù)并在逐步改變著(zhù)人類(lèi)的生產(chǎn)、生活和學(xué)習等社會(huì )活動(dòng)。

　　2計算機硬件平臺性能的大幅度提高，使很多復雜算法和方便使用的界面得以實(shí)現，大大提高了工作效率，給復雜嵌入式系統輔助設計提供了物理基礎。

　　3高性能的EDA綜合開(kāi)發(fā)工具（平臺）得到長(cháng)足發(fā)展，而且其自動(dòng)化和智能化程度不斷提高，為復雜的嵌入式系統設計提供了不同用途和不同級別集編輯、布局、布線(xiàn)、編譯、綜合、模擬、測試、驗證和器件編程等一體化的易于學(xué)習和方便使用的開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。

　　4硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware Description Language)的發(fā)展為復雜電子系統設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，給硬件電路，特別是半定制大規模集成電路設計 帶來(lái)了重大的變革。目前，用得較多的有已成為IEEE為 STD1076標準的VHDL、IEEE STD 1364標準的Verilog HDL和Altera公司企業(yè)標準的AHDL等。

　　由于HDL的發(fā)展和標準化，世界上出現了一批利用HDL進(jìn)行各種集成電路功能模塊專(zhuān)業(yè)設計的公司。其任務(wù)是按常用或專(zhuān)用功能，用HDL來(lái)描述集成電路的功能和結構，并經(jīng)過(guò)不同級別的驗證形成不同級別的IP內核模塊，供芯片設計人員裝配或集成選用。

　　IP（Intellectual Property）內核模塊是一種預先設計好的甚至已經(jīng)過(guò)驗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內核模塊有行為 （behavior）、結構（structure）和物理（physical）3級不同程度的設計，對應有主要描述功能行為的“軟IP內核(soft IP core)”、完成結構描述的“固IP內核(firm IP core)”和基于物理描述并經(jīng)過(guò)工藝驗證的“硬IP內核(hard IP core)”3個(gè)層次。這相當于集成電路（器件或部件）的毛坯、半成品和成品的設計技術(shù)。

　　軟IP內核通常是用某種HDL文本提交用戶(hù)，它已經(jīng)過(guò)行為級設計優(yōu)化和功能驗證，但其中不含有任何具體的物理信息。據此，用戶(hù)可以綜合出正確的 門(mén)電路級網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續結構設計，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合成一體，根據各種不同的半導體工藝， 設計成具有不同性能的器件?？梢陨唐坊能汭P內核一般電路結構總門(mén)數都在5000門(mén)以上。但是，如果后續設計不當，有可能導致整個(gè)結果失敗。軟IP內核 又稱(chēng)作虛擬器件。

　　硬IP內核是基于某種半導體工藝的物理設計，已有固定的拓撲布局和具體工藝，并已經(jīng)過(guò)工藝驗證，具有可保證的性能。其提供給用戶(hù)的形式是電路物理結構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內核的設計深度則是介于軟IP內核和硬IP內核之間，除了完成硬IP內核所有的設計外，還完成了門(mén)電路級綜合和時(shí)序仿真等設計環(huán)節。一般以門(mén)電路級網(wǎng)表形式提交用戶(hù)使用。

　　TI，Philips和Atmel等廠(chǎng)商就是通過(guò)Intel授權，用其MCS-51的IP內核模塊結合自己的特長(cháng)開(kāi)發(fā)出有個(gè)性的與Intel MCS-51兼容的單片機。

　　常用的IP內核模塊有各種不同的CPU(32/64位CISC/RISC結構的CPU或8/16位微控制器/單片機，如8051等)、32 /64位DSP（如320C30）、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCI、 標準接口、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內核模塊庫為快速地設計專(zhuān)用集成電路和單片系統以及盡快占領(lǐng)市場(chǎng)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(shí)操作系統EOS(Embedded Operation System）的推出，為開(kāi)發(fā)復雜嵌入式系統應用軟件提供了底層支持和高效率開(kāi)發(fā)平臺。EOS是一種功能強大、應用廣泛的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統軟件。它一般都具 有操作系統所具有的各種系統資源管理功能，用戶(hù)可以通過(guò)應用程序接口A(yíng)PI調用函數形式來(lái)實(shí)現各種資源管理。用戶(hù)程序可以在EOS的基礎上開(kāi)發(fā)并運行。它 與通用系統機中的OS相比，主要有系統內核短小精悍、開(kāi)銷(xiāo)小、實(shí)時(shí)性強和可靠性高等特點(diǎn)。完善的EOS還提供各種設備的驅動(dòng)程序。為了適應網(wǎng)絡(luò )應用和 Internet應用。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以及國內開(kāi)發(fā)成功的凱思集團的Hopen OS和浙江大學(xué)的HBOS。

二、 嵌入式系統設計方法的變化

　　過(guò)去擅長(cháng)于軟件設計的編程人員一般對硬件電路設計“敬而遠之”，硬件設計和軟件設計被認為是性質(zhì)完全不同的技術(shù)。

　　隨著(zhù)電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子工程出身的設計人員，往往還逐步涉足軟件編程。其主要形式是通過(guò)微控制器（國內習慣稱(chēng)作單片機）的應用，學(xué)會(huì )相應 的匯編語(yǔ)言編程。在設計規模更大的集散控制系統時(shí)，必然要用到已普及的PC機，以其為上端機，從而進(jìn)一步學(xué)習使用Quick BASIC，C，C++，VC和VB等高級語(yǔ)言編程作系統程序，設計系統界面，通過(guò)與單片機控制的前端機進(jìn)行多機通信構成集中分布控制系統。

　　軟件編程出身的設計人員則很少有興趣去學(xué)習應用電路設計。但是，隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是硬件描述語(yǔ)言HDL的發(fā)明，系統硬件設計方法 發(fā)生了變化，數字系統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，設計硬件電路不再是硬件設計工程師的專(zhuān)利，擅長(cháng)軟件編程的設計人員 可以借助于HDL工具來(lái)描述硬件電路的行為、功能、結構、數據流、信號連接關(guān)系和定時(shí)關(guān)系，設計出滿(mǎn)足各種要求的硬件系統。