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說是因為應用需求的牽引和IT技術的推動。

　　1 隨著微電子技術的不斷創新和發展，大規模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高。硅材料與人類智慧的結合，生產出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微電子 結構模塊，推動了一個全新的技術領域和產業的發展。在此基礎上發展起來的器件可編程思想和微處理（器）技術可以用軟件來改變和實現硬件的功能。微處理器和 各種可編程大規模集成專用電路、半定制器件的大量應用，開創了一個嶄新的應用世界，以至廣泛影響著并在逐步改變著人類的生產、生活和學習等社會活動。

　　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綜合開發工具（平臺）得到長足發展，而且其自動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、編譯、綜合、模擬、測試、驗證和器件編程等一體化的易于學習和方便使用的開發集成環境。

　　4硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)的發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公司企業標準的AHDL等。

　　由于HDL的發展和標準化，世界上出現了一批利用HDL進行各種集成電路功能模塊專業設計的公司。其任務是按常用或專用功能，用HDL來描述集成電路的功能和結構，并經過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過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過工藝驗證的“硬IP內核(hard IP core)”3個層次。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。

　　軟IP內核通常是用某種HDL文本提交用戶，它已經過行為級設計優化和功能驗證，但其中不含有任何具體的物理信息。據此，用戶可以綜合出正確的 門電路級網表，并可以進行后續結構設計，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。可以商品化的軟IP內核一般電路結構總門數都在5000門以上。但是，如果后續設計不當，有可能導致整個結果失敗。軟IP內核 又稱作虛擬器件。

　　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，并已經過工藝驗證，具有可保證的性能。其提供給用戶的形式是電路物理結構掩模版圖和全套工藝文件，是可以拿來就用的全套技術。

　　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，還完成了門電路級綜合和時序仿真等設計環節。一般以門電路級網表形式提交用戶使用。

　　TI，Philips和Atmel等廠商就是通過Intel授權，用其MCS-51的IP內核模塊結合自己的特長開發出有個性的與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、網絡單元、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用集成電路和單片系統以及盡快占領市場提供了基本保證。

　　5軟件技術的進步，特別是嵌入式實時操作系統EOS(Embedded Operation System）的推出，為開發復雜嵌入式系統應用軟件提供了底層支持和高效率開發平臺。EOS是一種功能強大、應用廣泛的實時多任務系統軟件。它一般都具 有操作系統所具有的各種系統資源管理功能，用戶可以通過應用程序接口API調用函數形式來實現各種資源管理。用戶程序可以在EOS的基礎上開發并運行。它 與通用系統機中的OS相比，主要有系統內核短小精悍、開銷小、實時性強和可靠性高等特點。完善的EOS還提供各種設備的驅動程序。為了適應網絡應用和 Internet應用。還可以提供TCP/IP協議支持。目前流行的EOS有3Com公司的Palm OS、Microsoft公司的Windows CE和Windows NT Embedded4.0、日本東京大學的Tron和各種開放源代碼的嵌入式Linux以及國內開發成功的凱思集團的Hopen OS和浙江大學的HBOS。

二、 嵌入式系統設計方法的變化

　　過去擅長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完全不同的技術。

　　隨著電子信息技術的發展，電子工程出身的設計人員，往往還逐步涉足軟件編程。其主要形式是通過微控制器（國內習慣稱作單片機）的應用，學會相應 的匯編語言編程。在設計規模更大的集散控制系統時，必然要用到已普及的PC機，以其為上端機，從而進一步學習使用Quick BASIC，C，C++，VC和VB等高級語言編程作系統程序，設計系統界面，通過與單片機控制的前端機進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習應用電路設計。但是，隨著計算機技術的飛速發展，特別是硬件描述語言HDL的發明，系統硬件設計方法 發生了變化，數字系統的硬件組成及其行為完全可以用HDL來描述和仿真。在這種情況下，設計硬件電路不再是硬件設計工程師的專利，擅長軟件編程的設計人員 可以借助于HDL工具來描述硬件電路的行為、功能、結構、數據流、信號連接關系和定時關系，設計出滿足各種要求的硬件系統。