創(chuàng )建與購買(mǎi)——了解嵌入式系統設計的總成本

　　自定義的嵌入式系統設計——“創(chuàng )建”的方式

　　在開(kāi)發(fā)之前，您必須為系統的核心控制器選擇一種處理器技術(shù)。例如如下所列舉的五種技術(shù)：

　　微控制器-微控制器的成本極為低廉，并且通常在單一的芯片上提供了集成的解決方案，且包括I/O外圍設備。它們通常帶有極小的片上存儲容量，而且不易于用于復雜性高和需要擴展的場(chǎng)合。此外，其時(shí)鐘速率通常是10M赫茲的數量級，因此您通常不能實(shí)現高性能的控制循環(huán)。

　　微處理器-利用微處理器，時(shí)鐘速率將更高而且通常具有外部存儲接口，因而性能和擴展性并不成問(wèn)題。但是您的應用程序可能需要復雜的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)，因為它們通常并不帶有片上模擬外圍設備。此外，高密度的封裝技術(shù)，例如球門(mén)陣列封裝(ball-grid array，即BGA)可能導致需要極為復雜的制造流程。這就增添了更為困難的硬件調試工作。

　　數字信號處理器(DSP)-DSP是一種專(zhuān)用的微處理器，它具有額外的指令以?xún)?yōu)化特定的數學(xué)函數，例如乘法和累加操作。DSP對于計算繁重的應用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)是極為有用的，但是您通常需要專(zhuān)業(yè)的知識來(lái)利用它的軟件性能。

　　專(zhuān)用集成電路(ASIC)-一款ASIC芯片是專(zhuān)為某個(gè)特

　　定的應用而設計的，而不是為了通用的可編程性。ASIC廣泛被認為是一種極好的技術(shù)用來(lái)解決諸如功率消耗和產(chǎn)品成本等技術(shù)性問(wèn)題。但是，極為昂貴的ASIC開(kāi)發(fā)和制造流程通常讓人望而卻步，除了那些具有極大產(chǎn)量的產(chǎn)品。

　　現成可編程門(mén)陣列(FPGA)-FPGA在自定義的ASIC設計和現成的技術(shù)之間提供了極好的平衡。它們具有高度的專(zhuān)有化性能，但是它們可以重新配置，因而您不會(huì )付出與開(kāi)發(fā)ASIC相同的高昂制造成本。雖然您可以在廣泛的處理應用場(chǎng)合中使用FPGA，但是會(huì )遇到并不常見(jiàn)的復雜的FPGA設計，因為對于大部分習慣于使用C語(yǔ)言進(jìn)行順序編程的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，VHDL編程格式顯得十分陌生。

　　在許多情況下，單一的處理器技術(shù)并不足以解決應用的需要。因此，近年來(lái)混合式架構就變得極為流行。一種使用這種方式的架構如圖1所示。實(shí)時(shí)處理器用來(lái)管理網(wǎng)絡(luò )通信和用戶(hù)界面，而FPGA則管理著(zhù)與I/O組件和高速控制任務(wù)間的接口。這種混合式架構在嵌入式系統設計中變得十分普遍。

　　圖1、混合式架構在嵌入式系統設計中變得十分普遍。在這種混合式架構中，實(shí)時(shí)處理器用來(lái)管理網(wǎng)絡(luò )通信和用戶(hù)界面，而FPGA則管理著(zhù)與I/O組件和高速控制任務(wù)間的接口。

　　在確定了使用何種處理器技術(shù)之后，您必須開(kāi)發(fā)I/O電路。如果嵌入式系統中存在任何的模擬信號，那么您就需要模擬-數字信號轉換器(ADC)、數字-模擬信號轉換器(DAC)、以及相應的軟件驅動(dòng)。市面上許多書(shū)籍都講述了設計優(yōu)良模擬電路中所遇到的復雜性問(wèn)題，因此本指南著(zhù)力于系統中的嵌入式控制器，盡管其中許多的概念也適用于I/O組件的選擇。

　　現成的嵌入式系統-“購買(mǎi)”的方式

　　另外一種方式就是購買(mǎi)現成的平臺來(lái)開(kāi)發(fā)控制器。雖然通常來(lái)說(shuō)您付出了比板卡組件成本更高的價(jià)錢(qián)，但是您可以更加迅速地進(jìn)入市場(chǎng)。除此之外，這些系統具有較好的擴展方式，所以在第一次原型設計后進(jìn)行不可避免的性能改進(jìn)之時(shí)就無(wú)需費心費力。而且隨著(zhù)處理器技術(shù)的進(jìn)步，您可以為您的嵌入式系統考慮如下幾種不同的實(shí)現技術(shù)：

　　非集成式嵌入式系統-它具有多種不同的波形系數(form factors)，例如Mini-ITX、PC/104等。非集成式嵌入式系統通常是最為經(jīng)濟的使用現成產(chǎn)品來(lái)建立嵌入式系統的解決方案。這些系統也具有各種不同的處理器架構以供您選擇，而且也會(huì )帶有一小部分操作系統和I/O支持套件。但是，針對這種系統的軟件開(kāi)發(fā)工具幾乎從未集成，而且這些系統通常需要您進(jìn)行強制性認證，例如EMI和CE兼容性。

　　集成式嵌入式系統-除了具有與非集成式嵌入式系統相同的組件之外，集成式嵌入式系統提供了諸如沖擊、振動(dòng)、工作溫度、以及環(huán)境認證之類(lèi)的技術(shù)說(shuō)明。通常來(lái)說(shuō)，這些系統更加昂貴，但是他們通常帶有集成式軟件開(kāi)發(fā)工具而且具有更為豐富的集成式I/O選擇。

　　工業(yè)級PC- 利用現成可得的PC技術(shù)，工業(yè)級PC為開(kāi)發(fā)工具及I/O性能提供了最為豐富的選擇。它們也具有許多與其它集成式嵌入式系統相同的技術(shù)說(shuō)明和認證，但這種性能是以成本為代價(jià)的。這種系統比前述兩種方式更為昂貴。

　　圖2、NI CompactRIO正是集成式嵌入式系統的一個(gè)實(shí)例

　　NI CompactRIO集成式嵌入式系統架構與圖1所示的簡(jiǎn)單的方框圖極為相似。它使用了Freescale公司的PowerPC微處理器并運行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統。PowerPC通過(guò)內部的PCI總線(xiàn)與Xilinx FPGA相連接。此外，FPGA直接連接至各種模擬和數字I/O模塊的連接頭，從而使得您可以連接傳感器、激勵器、以及通信總線(xiàn)。如果您需要高度自定義的I/O，那么您可以設計您自定義的模塊。圖2示出了NI CompactRIO集成式嵌入式系統示意圖，而圖3示出了嵌入式系統方框圖。

　　圖3、CompactRIO系統方框圖

　　做出決定-嵌入式系統設計中的“隱性”成本

　　通常在選擇采用創(chuàng )建還是購買(mǎi)方式時(shí)，技術(shù)性能并不是決定性因素。相反，它通常會(huì )演變成一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)濟性分析。如果最終的利潤所得足以填補產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中所花費的工程成本投資，那么您就做出了一個(gè)明智的決定。

　　如果要做出一個(gè)明智的決定，您必須準確地估計創(chuàng )建您自定義解決方案所花費的成本。但這并是看上去那么簡(jiǎn)單;如果您只是把板卡組件的成本和硬件及軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間相加，那么您只是非常粗略地低估了總投資成本。您應當考慮其它的“隱性”成本才能準確地評估真正的任務(wù)成本。

　　例如，制造和庫存成本通常是系統銷(xiāo)售成本的百分之二十到三十。此外，平均來(lái)說(shuō)，百分之三十的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間花在操作系統、驅動(dòng)、以及中間件開(kāi)發(fā)上-盡管在選擇帶有集成硬件和軟件的集成平臺后您可以不必進(jìn)行這樣的板卡啟動(dòng)工作。另外，您還需要考慮其它的隱性成本，包括環(huán)保標準、驗證、易耗元器件、以及最后時(shí)刻的技術(shù)變更所導致設計變更和徹底的重新設計。最后，最難以感覺(jué)但可能是最為重要的成本是機會(huì )成本，即把工程時(shí)間花費在設計此種系統，而不是花費在其它將帶來(lái)收益的項目上。

　　一旦您評估了工程投資成本，那么您就可以計算一個(gè)簡(jiǎn)單的財務(wù)收支平衡分析。假設您指派兩個(gè)工程師花費九個(gè)月的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)自定義的板卡，從技術(shù)說(shuō)明到供貨，其投資成本大約是$300,000。下一步，在預安裝、原型設計、預發(fā)布單元、加工以及其它偶然的工程成本等每個(gè)方面您都花費了$25,000，從而使得整個(gè)投資成本上升到$400,000。在您完成了這些工作后，自定義設計產(chǎn)品的成本將比現成的平臺便宜$400。使用公式1，您將看到投資收支平衡點(diǎn)位于第1000個(gè)單位產(chǎn)品，而且直到售出第1001個(gè)單位產(chǎn)品才會(huì )盈利。而且，這并沒(méi)有包含上面所討論的其它“隱性”成本。但是，如果您選擇了集成式嵌入式系統，那么您可以縮短上市時(shí)間，但是早期的利潤將會(huì )用于成本優(yōu)化和特性改進(jìn)。通過(guò)這種方式，您可以在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內攤銷(xiāo)投資成本，而不是在早期的開(kāi)發(fā)過(guò)程中投入所有的資金。

　　公式1、您可以使用簡(jiǎn)單的公式來(lái)計算任何自定義系統的收支平衡點(diǎn)

　　結論

　　因此就不要開(kāi)發(fā)自定義的板卡了?當然不是。反而，對于那些需要極高專(zhuān)用化波形系數且具有極高產(chǎn)量的系統、或者具有極為苛刻技術(shù)要求(例如極低的功率消耗)的系統來(lái)說(shuō)，當您評估對您產(chǎn)品成功至關(guān)重要的技術(shù)時(shí)它將節省您的辛苦付出。而在那些您使用現成技術(shù)的領(lǐng)域，可以讓供應商負擔物流和“隱性”成本從而使得您可以專(zhuān)注于技術(shù)差異化以獲得更優(yōu)的產(chǎn)品。