開(kāi)放源碼硬件簡(jiǎn)史

1.1 開(kāi)放源碼硬件史前時(shí)代 

早在60,70 年代，電子愛(ài)好者就開(kāi)始互相交流電路設計，PCB版圖， 形成了開(kāi)放源碼硬件的雛形。 在中國， 這個(gè)時(shí)期，出現了很多以業(yè)余無(wú)線(xiàn)電和電子設計為主題的書(shū)刊，雜志。 

集成電路出現后，越來(lái)越多的功能集成在一個(gè)芯片中， 電路越來(lái)越復雜， 設計制造集成電路的門(mén)檻越來(lái)越高， 開(kāi)放和共享集成電路設計變得越來(lái)越困難。 

ISA（指令集構架）的出現， 使得電子行業(yè)出現了軟件和硬件大分工， 硬件廠(chǎng)商大規模生產(chǎn)具有ISA的芯片（如微處理器），以取得芯片生產(chǎn)的規模效應， 軟件廠(chǎng)商進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，以適應不同應用之間個(gè)性化的需要。 

標準的ISA, 比如X86指令集，加上標準的硬件構架， 比如PC,   使得軟件開(kāi)發(fā)人員可以在同一平臺上互相交流軟件設計， 這導致了90年代開(kāi)放源碼軟件的蓬勃發(fā)展。  

芯片設計，在80年代90年代， 隨著(zhù)EDA技術(shù)的日臻完善，硬件設計越來(lái)越自動(dòng)化，以HDL語(yǔ)言為核心的芯片設計越來(lái)越像軟件設計。 

90年代末， 隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)以及開(kāi)放源碼軟件的盛行， 很自然地， 人們就想到，可以利用開(kāi)放源碼軟件的理念進(jìn)行硬件設計， 尤其是芯片設計。 

由于芯片設計的復雜性， 一次設計一個(gè)完整的系統難度是相當大的， 因此， 開(kāi)放源碼硬件社區通常采用的自底而上的方法進(jìn)行，也就是，先設計小的功能模塊，（稱(chēng)為芯核，core, 或者IP）,  每個(gè)功能模塊都工作正常了，再搭建大的系統， 比如片上系統（SOC）.   

1.2 開(kāi)放源碼硬件的產(chǎn)生
 
1998年，Delft University of Technology 的一些學(xué)生和老師在互連網(wǎng)上發(fā)起Open Design Circuits Group, 目的是開(kāi)放電路設計并把它發(fā)布在網(wǎng)上，盡管這個(gè)小組的活動(dòng)逐漸稀少， 但它啟發(fā)了后來(lái)最著(zhù)名的兩個(gè)開(kāi)放源碼硬件網(wǎng)站的產(chǎn)生：Opencores 和 OpenIPcore.  越來(lái)越多的學(xué)校學(xué)生選擇把他們的設計公布到網(wǎng)上，并把許多功能集成到一起，以期完成很復雜的功能。 在2000年的時(shí)候，OpenIPcore 合并入Opencores. 

Jamil Khatib是Opencores的中的教父級的人物，1975年出生的他，寫(xiě)了非常多的奠基性的文檔，探討開(kāi)放源碼硬件的定義以及商業(yè)模式，參與了最早的F-CPU,gEDA等項目的開(kāi)發(fā),　 2006年他在Brandenburg University大學(xué)念研究生。作為阿拉伯人，他的還專(zhuān)門(mén)撰文探討了開(kāi)放源碼硬件如何對阿拉伯世界的技術(shù)轉移產(chǎn)生影響?！∷踔吝€建議在互聯(lián)網(wǎng)上除了http之外，還需要添加Hardware Computing Resource Protocol ，比如說(shuō) ``hcrp://''，專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行硬件資源下載.

隨著(zhù)芯片設計越來(lái)越大，芯片設計越來(lái)越向SOC方向邁進(jìn)，也就是在一個(gè)芯片中集成很多現有的IP核，以達到快速設計出系統的目的。這時(shí)，IP核的可重用性和可更改性就成了最關(guān)鍵的問(wèn)題。而開(kāi)放源碼的IP核的無(wú)疑在這方面具有先天優(yōu)勢。因此，很多商業(yè)公司也逐漸加入了開(kāi)放源碼硬件的行列，例如，SUN公司，IBM公司。商業(yè)公司進(jìn)行開(kāi)放源碼往往是有附加條件的，比如，對于學(xué)術(shù)界免費，但是如果商業(yè)應用，仍需要收費?！?

1.3 開(kāi)放源碼硬件現狀

目前，開(kāi)放源碼的硬件中比較著(zhù)名的項目有：F-CPU是第一個(gè)在互連網(wǎng)上設計的處理器，　OpenCores中的OpenRISC項目，試圖開(kāi)發(fā)一個(gè)完全免費的RISC構架的處理器以及之上的SOC,    歐洲航天局（ESA）開(kāi)發(fā)的Sparc兼容的Leon2處理器?！?

與開(kāi)放源碼軟件的完全免費不同， 開(kāi)放源碼硬件最終要物理實(shí)現才能驗證其設計是否達到預期目的。 可編程邏輯器件(PLD)， 特別是現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）， 以其快速靈活，初期投入成本低廉， 成為開(kāi)放源碼硬件最適合的開(kāi)發(fā)平臺。因此，Opencores的設計主要都是在FPGA上進(jìn)行。

為了讓開(kāi)放源碼社區的項目易于共同開(kāi)發(fā)和溝通，通常會(huì )提供統一的開(kāi)發(fā)板使用，例如，Opencores 社區廣泛使用的Micro FPGABoard和OCRP-1 board這兩款開(kāi)發(fā)板，就是統一采用Xilinx公司的Vertix系列FPGA設計的。大名鼎鼎的OpenRisc1000 就是在這塊板上開(kāi)發(fā)設計的?！?

近年來(lái)，很多開(kāi)放源碼的處理器及總線(xiàn)基本開(kāi)發(fā)完成，下一步就是在上面運行操作系統，編寫(xiě)各種設備驅動(dòng)程序， 并配上豐富的應用軟件。目前，Leon2 和Openrisc 1200 均可以成功運行Linux系統，為開(kāi)放源碼硬件和開(kāi)放源碼軟件的社區融合打下了基礎?！?

1.4 中國開(kāi)放源碼硬件發(fā)展狀況

中國有案可查的開(kāi)放源碼硬件項目是2001年3月啟動(dòng)的OpenARM項目， OpenARM并不像他的名字所隱含的那樣ARM處理器的設計相關(guān)。實(shí)際上，這個(gè)項目只是利用了現成的ARM 芯片，外面加上一塊MEMEC 公司2002年3月（現已被Avenet收購）捐贈的Xilinx FPGA作為外圍擴展的模塊。  FPGA的引入? 使得該設計可以很容易地用HDL 代碼的形式進(jìn)行管理和跟蹤。該項目后期還充分引入了OpenCores社區已有的成果，如Wishbone總線(xiàn)?！?

有趣的是，開(kāi)放源碼軟件庫sourceforge中也有一個(gè)OpenARM, 這個(gè)項目的ARM指的是”Application Response Measurement” ，　而不是我們所說(shuō)的ARM 處理器。

在“中國芯“盛行的幾年里，不少學(xué)校和研究單位參考開(kāi)放源碼的處理器設計了自己的微處理器，這個(gè)時(shí)期，中國利用開(kāi)放源碼硬件的資源進(jìn)行IC設計的方法開(kāi)始悄然流行。

1.5 開(kāi)放源碼硬件展望

擺在開(kāi)放源碼硬件支持者面前的一個(gè)頗有趣的問(wèn)題是，”如果你要自己做一頓免費的晚餐，那么是否你做飯用米必須是自己種的，做飯用的 鍋碗瓢盆也必須是免費獲得的 ?”.   

一部分開(kāi)放源碼的信仰者堅持認為上述問(wèn)題的答案是肯定的。因此，有一些人堅持開(kāi)發(fā)了例如gEDA 的開(kāi)放源碼EDA工具?！×硪徊糠秩藙t認為，　開(kāi)放源碼硬件也可以利用商業(yè)工具和商業(yè)原材料， 只要在此基礎上做的系統設計開(kāi)放出來(lái)就可以了。 

在利用商業(yè)工具進(jìn)行開(kāi)放源碼的設計方面， Xilinx 公司走在了業(yè)界前列， 例如，Xilinx公司開(kāi)發(fā)的８位軟處理器Picoblaze 是一種開(kāi)放源碼的８微處理器，而Xilinx公司的３２位軟處理器Micoblaze是在Xilinx公司EDK軟件下支持的處理器，Xilinx公司給出了非常多的可供下載的參考設計，頗具參考價(jià)值。 再加上對uclinux的官方支持，可以在Xilinx提供的EDK工具的基礎上，利用Xilinx的參考設計并加以改進(jìn)， 迅速搭建嵌入式系統， 并在uclinux的基礎上完成應用軟件設計.  

在Xilinx 率先宣布65nm 的FPGA量產(chǎn)時(shí)， 廣大開(kāi)放源碼硬件愛(ài)好者面臨的是可以容納數千萬(wàn)門(mén)的可編程邏輯。 傳統的自底而上的設計很難快速地構建如此大的系統。 電子系統級設計（ESL） 可以用高層次語(yǔ)言來(lái)描述系統需求，并自動(dòng)生成硬件設計。例如，Xilinx的XtremeDSP方案, 可以在Matlab中，用Simulink這種圖形化的方式搭建復雜的數字信號處理系統（例如3G/B3G數字前端）， 

在開(kāi)放源碼硬件世界， 也出現了諸如利用SystemC等高層次語(yǔ)言描述的系統（例如SystemCDES）.  可以預計，隨著(zhù)開(kāi)放源碼硬件進(jìn)一步普及和成熟，軟件，硬件，系統設計，算法設計等會(huì )在開(kāi)放源碼的旗幟下日趨融合，  數年之后，可下載的硬件設計 （Downloadable Hardware）可以出現在每個(gè)人的掌上。 

1.6 開(kāi)放源碼硬件遇到的挑戰

開(kāi)放源碼硬件從誕生到現在將近１０年了，很多人為它的發(fā)展付出了大量的努力，　但至今采用開(kāi)放源碼硬件運用在實(shí)際應用系統中的案例幾乎沒(méi)有。究其原因，開(kāi)放源碼硬件面臨的問(wèn)題和挑戰主要有：

1)免費EDA工具的獲取?！?

盡管有Alliance 和 gEDA 等EDA工具可供使用，但它的功能和易用性和商業(yè)EDA軟件相比還是不能相提并論?！τ凇胺峭昝乐髁x”的開(kāi)放源碼硬件設計者來(lái)說(shuō)，適當采用商業(yè)軟件是一個(gè)可以考慮的方案?！≡谏虡I(yè)軟件中，由于FPGA廠(chǎng)商的軟件工具（比如XILINX的ISE, EDK,CHIPSCOPE,SYSTEM GENERATOR等）可以通過(guò)大學(xué)計劃獲得捐贈，使得利用強大商業(yè)軟件的支持進(jìn)行開(kāi)放源碼硬件設計變得可能?！?

2)板卡制造成本

自己制作一塊FPGA原型系統板的成本是相當可觀(guān)的，　

3)上市時(shí)間

在電子產(chǎn)品數月就換代的時(shí)代，上市時(shí)間是電子系統設計的一個(gè)關(guān)鍵因素，即使是采用商業(yè)IP,  都有可能遇到意想不到的整合問(wèn)題；而 目前開(kāi)放源碼硬件在文檔完備性，穩定性上，技術(shù)支持方面存在的諸多問(wèn)題，更是使務(wù)實(shí)的設計者望而確步。

4)軟件豐富性和工具鏈問(wèn)題

如果采用開(kāi)放源碼的處理器，這就意味著(zhù)從指令集到編譯器到調試器都是重新開(kāi)發(fā)的，幾乎所有的軟件都需要移植和重新編譯，這使得開(kāi)放源碼的處理器的開(kāi)發(fā)尤其困難。如果設計實(shí)際系統，人們更關(guān)心的是如何能解決問(wèn)題?！∩虡I(yè)處理器更能滿(mǎn)足這種需要。

5)廠(chǎng)商支持

 Linux得以蓬勃發(fā)展，除了廣大愛(ài)好者的奉獻之外，IBM 等大公司的積極推動(dòng)也起了非常大的作用。 而開(kāi)放源碼硬件的發(fā)展，也離不開(kāi)相關(guān)硬件廠(chǎng)商的支持?！?

正是由于這些挑戰的存在，開(kāi)放源碼硬件的活動(dòng)目前更多的集中在大學(xué)和研究機構中，尤其在不發(fā)達國家中，更多得起著(zhù)硬件設計知識傳播的作用。