32位嵌入式開(kāi)發(fā)的動(dòng)向

2004年9月A版

摘  要：嵌入式系統開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入32位時(shí)代，與傳統的8/16位系統相比，無(wú)論處理器的結構還是開(kāi)發(fā)手段上都發(fā)生了較大變化，并出現了一大批新技術(shù)。本文以ARM技術(shù)為主,探討了國內外32位嵌入式開(kāi)發(fā)的現狀和趨勢，涉及到了諸如SOC、SOPC、軟硬件協(xié)同設計等多個(gè)領(lǐng)域，以期引入更為廣泛和深刻的討論。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統；32位；ARM；技術(shù)趨勢

嵌入式微處理器市場(chǎng)狀況

　　2003年我國嵌入式系統應用產(chǎn)品經(jīng)濟總量達1000億元，其中嵌入式處理器芯片約為100億元。2003年我國嵌入式微處理器銷(xiāo)售總量約為10.2億片，4位MCU占2.6億片、8位約占6.6億片，32位MPU占0.75億片。另外，據有關(guān)機構預測分析，今年中國大陸市場(chǎng)8位MCU的需求量會(huì )增長(cháng)15%~20%左右；32位MPU的需求量繼續以100%的速度增長(cháng)。

　　由此可以看出，8位MCU市場(chǎng)已逐步趨向穩定，32位MPU代表著(zhù)嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向，正在加速發(fā)展。在32位嵌入式微處理器市場(chǎng)上，基于A(yíng)RM內核的微處理器在市場(chǎng)上處于絕對的領(lǐng)導地位(圖1)，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供應商，其核心業(yè)務(wù)是IP核以及相關(guān)工具的開(kāi)發(fā)和設計。半導體廠(chǎng)商通過(guò)購買(mǎi)ARM公司的IP授權來(lái)生產(chǎn)自己的微處理器芯片。由此以來(lái)，處理器內核來(lái)自ARM公司，各芯片廠(chǎng)商結合自身已有的技術(shù)優(yōu)勢以及芯片的市場(chǎng)定位等因素使芯片設計最優(yōu)化，從而產(chǎn)生了一大批高度集成、各具特色的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(chǎng)；Atmel公司的AT91系列片內集成了大容量Flash和RAM、高精度A/D轉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系列片內集成了128位寬的零等待Flash存儲器以及I2C、SPI、PWM、UART等傳統接口，極高的性?xún)r(jià)比使它對傳統的8/16位MCU提出了嚴峻挑戰。

　　然而如此眾多的高集成度SOC芯片由于其內核統一于A(yíng)RM核心，使得軟、硬件平臺的移植變得相當容易；只要掌握了ARM開(kāi)發(fā)技術(shù)的核心，就可以達到“一通百通”的目的，為用戶(hù)大大降低了培訓、學(xué)習的成本，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(lái)一系列好處，諸如減少了外圍器件和PCB面積，提高系統抗干擾能力，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、TrustZone等眾多業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，同時(shí)由單一的處理器內核向多核發(fā)展，為高端的嵌入式應用提供了強大的處理平臺。

軟核與硬核同步發(fā)展的SOPC技術(shù)

　　隨著(zhù)亞微米技術(shù)的發(fā)展，FPGA芯片密度不斷增加，并以強大的并行計算能力和方便靈活的動(dòng)態(tài)可重構性，被廣泛地應用于各個(gè)領(lǐng)域。但是在復雜算法的實(shí)現上，FPGA卻遠沒(méi)有32位RISC處理器靈活方便，所以在設計具有復雜算法和控制邏輯的系統時(shí)，往往需要RISC和FPGA結合使用，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由于缺少彈性，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、各種標準外設IP核以及用戶(hù)以HDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的邏輯部件可以最終綜合到一片FPGA芯片中，實(shí)現真正的可編程片上系統，此時(shí)的嵌入式處理器稱(chēng)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(hù)可以獲得超過(guò)200DMIPS的性能，而只需花費不到35美分的邏輯的資源。用戶(hù)可以從三種處理器以及超過(guò)60個(gè)的IP核中選擇所需要的，設計師可以以此來(lái)創(chuàng )建一個(gè)最適合他們需求的嵌入式系統。軟核技術(shù)提供了極高的靈活性和性?xún)r(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)、存儲器(SRAM)及嵌入式處理器(ARM/PPC)于單片可編程邏輯器件上，實(shí)現了高速度與編程能力的完美結合。Altera公司的EPXA10芯片內部集成了工作頻率可達200MHZ的ARM922T處理器、100萬(wàn)門(mén)可編程邏輯、3MB的內部RAM以及512個(gè)可編程I/O管腳，可以通過(guò)嵌入各種IP核實(shí)現多種標準工業(yè)接口，如PCI、USB等。軟硬核同步發(fā)展，為用戶(hù)提供了更多、更靈活的選擇。

與DSP技術(shù)融合

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

　　這種技術(shù)融合趨勢也有兩條不同的技術(shù)路線(xiàn)：1.在中低端應用中，在傳統MPU內部集成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構的同時(shí)增加了16位數據乘法和乘加操作指令、雙字數據操作指令、cache預取指令等，可以滿(mǎn)足數字消費品、存貯設備、馬達控制和低端網(wǎng)絡(luò )設備對于控制和高密度運算能力的雙重需求。2.高端復雜應用中，向多內核、并行處理的方向發(fā)展。TI公司的開(kāi)放媒體應用處理器OMAP集成了TI的TMS320C5XXDSP內核和一個(gè)增強了的ARM926-EJS內核以及內部處理器通信機制和音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò )通信等部件，使之成為一個(gè)強大的多媒體移動(dòng)計算平臺。

開(kāi)發(fā)和調試手段不斷完善

　　隨著(zhù)嵌入式應用系統的日益復雜化以及開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，開(kāi)發(fā)和調試手段也發(fā)生了很大改變。硬件方面由于QFP和BGA封裝的逐漸普及，使得以探針?lè )绞綖橹鞯腂DM(背景調試模式)力不從心；以邊界掃描接口(JTAG)為基礎的在電路仿真調試手段(ICE)正在普及，更為先進(jìn)的片上實(shí)時(shí)跟蹤(Trace)技術(shù)也已浮出水面。軟件方面，因為軟件規模不斷擴大，必須采用嵌入式操作系統來(lái)管理軟、硬件資源，同時(shí)傳統的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的模式也因為引入面向對象思想以及C＋＋和Java語(yǔ)言而發(fā)生了很大改變。面向對象語(yǔ)言更適合大規模應用和平臺級開(kāi)發(fā)，代碼復用和移植變得更簡(jiǎn)單。

　　ARM公司最新推出的RealView是一整套完整的解決方案，由集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和在線(xiàn)仿真器Multi-ICE，實(shí)時(shí)跟蹤器Multi-Trace等組成。RealView支持多內核系統調試，多種操作系統的任務(wù)級或線(xiàn)程級調試，大大降低了高端ARM處理器的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，縮短了應用系統開(kāi)發(fā)周期。圖2說(shuō)明了復雜片上系統調試/跟蹤原理。

軟件工程思想融入嵌入式軟件

　　嵌入式軟件規模不斷擴大，以往的面向過(guò)程的模塊化分析方法已經(jīng)很難滿(mǎn)足要求?；趯ο蟮慕y一建模語(yǔ)言(UML)可以描述對于實(shí)時(shí)系統極為關(guān)鍵的結構和行為方面，并且已成為有效設計的優(yōu)秀媒介。Hassan Gonaa提出的并發(fā)對象建模和體系結構設計方法(COMET)以及Bruce Powel Douglass等人提出的嵌入式系統的快速面向對象過(guò)程(ROPES)都是在吸收了統一建模語(yǔ)言精髓的基礎上，并融合了嵌入式實(shí)時(shí)系統固有特點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的基于UML的嵌入式系統建模和分析方法。

　　嵌入式系統可以歸入電子技術(shù)和計算機技術(shù)交叉學(xué)科的范疇,因此存在著(zhù)硬件、軟件在設計時(shí)的協(xié)調和配合問(wèn)題。傳統的系統級設計方法如圖3所示，雖然在系統設計的初始階段考慮了軟硬件接口問(wèn)題，但由于軟硬件分別開(kāi)發(fā)，各自部分的修改和缺陷很容易導致系統集成時(shí)出錯誤。由于設計方法的限制，這些錯誤不但很難定位，而且對它們的修改往往會(huì )涉及整個(gè)軟件結構和硬件配置的改動(dòng)，會(huì )帶來(lái)災難性后果。

　　為了避免上述問(wèn)題，軟硬件協(xié)同設計的方法應運而生，其典型設計過(guò)程如圖4所示。首先，采用有限狀態(tài)機(FSM)、統一化規格語(yǔ)言(CSP)和硬件描述語(yǔ)言(HDL)等方法對系統進(jìn)行抽象描述，對軟/硬件統一表示，便于功能劃分和綜合；然后，在此基礎上對軟/硬件進(jìn)行劃分。這種方法的特點(diǎn)是在協(xié)同設計、協(xié)同測試和協(xié)同驗證上，充分考慮軟/硬件的關(guān)系，并在設計的每個(gè)層次上給予測試驗證，使得盡早發(fā)現和解決問(wèn)題。國外一些大的半導體廠(chǎng)商已經(jīng)將這種分析/設計方法逐步運用到實(shí)際的芯片開(kāi)發(fā)設計當中。

國內的現狀和動(dòng)向

　　國內的32位嵌入式開(kāi)發(fā)近兩年來(lái)異?；鸨?，基于32位SOC芯片的應用系統能夠大大提高產(chǎn)品的性能和附加值，增強產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力，因此越來(lái)越多的工程師開(kāi)始將目光從8位/16位轉移到32位微處理器上。廣大的應用開(kāi)發(fā)工程師是國內32位嵌入式開(kāi)發(fā)向縱深發(fā)展的基礎。華為、大唐、東南大學(xué)、清華大學(xué)等一批企業(yè)和研究機構購買(mǎi)了ARM公司的IP授權用于自有知識產(chǎn)權SOC芯片的設計，這必將逐步縮小我們同國外先進(jìn)水平的差距。

　　由于市場(chǎng)和政策導向，國內的32位嵌入式處理器也呈現出群體突破的態(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問(wèn)世，但是開(kāi)發(fā)工具、生產(chǎn)能力等問(wèn)題還未解決，阻礙了它們的推廣應用。另一方面，在SOPC、軟硬件協(xié)同設計等較為前沿的領(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)芯片和操作系統的嵌入式開(kāi)發(fā)已不再遙遠。

參考文獻：

1.  Hassan Gonaa，‘Designing Concurrent, Distributed and Real-Time Applications with UML’，American: Addison-Wesley Press, 2004,1

2.  王田苗，‘嵌入式系統設計與實(shí)例開(kāi)發(fā)’，清華大學(xué)出版社，2003.10