姓名:宋艷玲? ? 學(xué)號:17011223216

嵌牛導(dǎo)讀:嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的演化總的來說是因為應(yīng)用需求的牽引和IT技術(shù)的推動。隨著微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高并村。硅材料與人類智慧的結(jié)合，生產(chǎn)出大批量的低成本轿钠、高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊芭概，推動了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

嵌牛鼻子:嵌入式系統(tǒng)位喂，軟件浪耘，硬件

嵌牛提問:什么是嵌入式系統(tǒng)?微處理器和各種可編程大規(guī)模集成專用電路、半定制器件的大量應(yīng)用塑崖，對人類的生產(chǎn)七冲、生活和學(xué)習(xí)等社會活動有怎樣的影響?

嵌牛正文:

計算機硬件平臺性能的大幅度提高，使很多復(fù)雜算法和方便使用的界面得以實現(xiàn)规婆，大大提高了工作效率澜躺，給復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)輔助設(shè)計提供了物理基礎(chǔ)。

高性能的EDA綜合開發(fā)工具(平臺)得到長足發(fā)展抒蚜，而且其自動化和智能化程度不斷提高掘鄙，為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了不同用途和不同級別集編輯、布局嗡髓、布線操漠、編譯、綜合饿这、模擬浊伙、測試、驗證和器件編程等一體化的易于學(xué)習(xí)和方便使用的開發(fā)集成環(huán)境蛹稍。

2

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的變化

過去擅長于軟件設(shè)計的編程人員一般對硬件電路設(shè)計“敬而遠(yuǎn)之”吧黄，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計被認(rèn)為是性質(zhì)完全不同的技術(shù)。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展唆姐，電子工程出身的設(shè)計人員拗慨，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(nèi)習(xí)慣稱作單片機)的應(yīng)用，學(xué)會相應(yīng)的匯編語言編程赵抢。在設(shè)計規(guī)模更大的集散控制系統(tǒng)時剧蹂，必然要用到已普及的PC機，以其為上端機烦却，從而進一步學(xué)習(xí)使用Quick BASIC宠叼、C、C++其爵、VC和VB等高級語言編程作系統(tǒng)程序冒冬，設(shè)計系統(tǒng)界面，通過與單片機控制的前端機進行多機通信構(gòu)成集中分布控制系統(tǒng)摩渺。

軟件編程出身的設(shè)計人員則很少有興趣去學(xué)習(xí)應(yīng)用電路設(shè)計简烤。但是，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展摇幻，特別是硬件描述語言HDL的發(fā)明横侦，系統(tǒng)硬件設(shè)計方法發(fā)生了變化，數(shù)字系統(tǒng)的硬件組成及其行為完全可以用HDL來描述和仿真绰姻。在這種情況下枉侧，設(shè)計硬件電路不再是硬件設(shè)計工程師的專利，擅長軟件編程的設(shè)計人員可以借助于HDL工具來描述硬件電路的行為狂芋、功能榨馁、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流银酗、信號連接關(guān)系和定時關(guān)系辆影，設(shè)計出滿足各種要求的硬件系統(tǒng)。

EDA工具允許有兩種設(shè)計輸入工具黍特，分別適應(yīng)硬件電路設(shè)計人員和軟件編程人員兩種不同背景的需要。讓具有硬件背景的設(shè)計人員用已習(xí)慣的原理圖輸入方式锯蛀，而讓具有軟件背景的設(shè)計人員用硬件描述語言輸入方式灭衷。由于用HDL描述進行輸入，因而與系統(tǒng)行為描述更接近旁涤，且更便于綜合翔曲、時域傳遞和修改，還能建立獨立于工藝的設(shè)計文件劈愚，所以瞳遍，擅長軟件編程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知識，往往可以比習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計的工程師設(shè)計出更好的硬件電路和系統(tǒng)菌羽。所以掠械，習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計的工程師應(yīng)該學(xué)會用HDL來描述和編程。

3

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的3個層次

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計有3個不同層次：

1. 第1層次：以PCB CAD軟件和ICE為主要工具的設(shè)計方法。

這是過去直至現(xiàn)在我國單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計人員一直沿用的方法猾蒂，其步驟是先抽象后具體均唉。

抽象設(shè)計主要是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能要求，對系統(tǒng)功能細(xì)化肚菠，分成若干功能模塊舔箭，畫出系統(tǒng)功能框圖，再對功能模塊進行硬件和軟件功能實現(xiàn)的分配蚊逢。

具體設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計层扶。硬件設(shè)計主要是根據(jù)性能參數(shù)要求對各功能模塊所需要使用的元器件進行選擇和組合，其選擇的基本原則就是市場上可以購買到的性價比最高的通用元器件烙荷。必要時怒医，須分別對各個沒有把握的部分進行搭試、功能檢驗和性能測試奢讨，從模塊到系統(tǒng)找到相對優(yōu)化的方案稚叹，畫出電路原理圖。硬件設(shè)計的關(guān)鍵一步就是利用印制板(PCB)計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件對系統(tǒng)的元器件進行布局和布線拿诸，接著是印制板加工扒袖、裝配和硬件調(diào)試。

工作量最大的部分是軟件設(shè)計亩码。軟件設(shè)計貫穿整個系統(tǒng)的設(shè)計過程蔬咬，主要包括任務(wù)分析、資源分配涧郊、模塊劃分钾虐、流程設(shè)計和細(xì)化、編碼調(diào)試等吏廉。軟件設(shè)計的工作量主要集中在程序調(diào)試泞遗，所以軟件調(diào)試工具就是關(guān)鍵。最常用和最有效的工具是在線仿真器(ICE)席覆。

2. 第2層次：以EDA工具軟件和EOS為開發(fā)平臺的設(shè)計方法史辙。

隨著微電子工藝技術(shù)的發(fā)展，各種通用的可編程半定制邏輯器件應(yīng)運而生佩伤。在硬件設(shè)計時聊倔，設(shè)計師可以利用這些半定制器件，逐步把原先要通過印制板線路互連的若干標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件自制成專用集成電路(ASIC)使用生巡，這樣耙蔑，就把印制板布局和布線的復(fù)雜性轉(zhuǎn)換成半定制器件內(nèi)配置的復(fù)雜性。然而孤荣，半定制器件的設(shè)計并不需要設(shè)計人員有半導(dǎo)體工藝和片內(nèi)集成電路布局和布線的知識和經(jīng)驗甸陌。

隨著半定制器件的規(guī)模越來越大须揣，可集成的器件越來越多，使印制板上互連器件的線路邀层、裝配和調(diào)試費用越來越少返敬，不僅大大減少了印制板的面積和接插件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)綜合成本寥院，增加了可編程應(yīng)用的靈活性劲赠，更重要的是降低了系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)工作速度秸谢，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性凛澎。

這樣，硬件設(shè)計人員從過去選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路器件估蹄，逐步轉(zhuǎn)向自己設(shè)計和制作部分專用的集成電路器件塑煎，而這些技術(shù)是由各種EDA工具軟件提供支持的。

半定制邏輯器件經(jīng)歷了可編程邏輯陣列PLA臭蚁、可編程陣列邏輯PAL最铁、通用陣列邏輯GAL、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的發(fā)展過程垮兑。其趨勢是集成度和速度不斷提高冷尉，功能不斷增強，結(jié)構(gòu)趨于更合理系枪，使用變得更靈活和方便雀哨。

設(shè)計人員可以利用各種EDA工具和標(biāo)準(zhǔn)的CPLD和FPGA等，設(shè)計和自制用戶專用的大規(guī)模集成電路私爷。然后再通過自下而上的設(shè)計方法雾棺，把用半定制器件設(shè)計自制的集成電路、可編程外圍器件衬浑、所選擇的ASIC與嵌入式微處理器或微控制器在印制板上布局捌浩、布線構(gòu)成系統(tǒng)。

3. 第3層次：以IP內(nèi)核庫為設(shè)計基礎(chǔ)嚎卫，用軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)的設(shè)計方法嘉栓。

20世紀(jì)90年代后，進一步開始了從“集成電路”級設(shè)計不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級設(shè)計拓诸。目前已進入單片系統(tǒng)SOC(System o-n a chip)設(shè)計階段，并開始進入實用階段麻昼。這種設(shè)計方法不是把系統(tǒng)所需要用到的所有集成電路簡單地二次集成到1個芯片上奠支，如果這樣實現(xiàn)單片系統(tǒng)，是不可能達(dá)到單片系統(tǒng)所要求的高密度抚芦、高速度倍谜、高性能迈螟、小體積、低電壓尔崔、低功耗等指標(biāo)的答毫，特別是低功耗要求。單片系統(tǒng)設(shè)計要從整個系統(tǒng)性能要求出發(fā)季春，把微處理器洗搂、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)载弄、外圍器件各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來耘拇，并通過建立在全新理念上的系統(tǒng)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能宇攻。有時也可能把系統(tǒng)做在幾個芯片上惫叛。

因為，實際上并不是所有的系統(tǒng)都能在一個芯片上實現(xiàn)的;還可能因為實現(xiàn)某種單片系統(tǒng)的工藝成本太高逞刷，以至于失去商業(yè)價值嘉涌。目前，進入實用的單片系統(tǒng)還屬簡單的單片系統(tǒng)夸浅，如智能IC卡等仑最。但幾個著名的半導(dǎo)體廠商正在緊鑼密鼓地研制和開發(fā)像單片PC這樣的復(fù)雜單片系統(tǒng)。

單片系統(tǒng)的設(shè)計如果從零開始题篷，這既不現(xiàn)實也無必要词身。因為除了設(shè)計不成熟、未經(jīng)過時間考驗番枚，其系統(tǒng)性能和質(zhì)量得不到保證外法严，還會因為設(shè)計周期太長而失去商業(yè)價值。

為了加快單片系統(tǒng)設(shè)計周期和提高系統(tǒng)的可靠性葫笼，目前最有效的一個途徑就是通過授權(quán)深啤，使用成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊來進行設(shè)計集成和二次開發(fā)，利用膠粘邏輯技術(shù)GLT(Glue Logic Technology)路星，把這些IP內(nèi)核模塊嵌入到SOC中溯街。IP內(nèi)核模塊是單片系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，究竟購買哪一級IP內(nèi)核模塊洋丐，要根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)呈昔、時間、資金和其他條件權(quán)衡確定友绝。購買硬IP內(nèi)核模塊風(fēng)險最小堤尾，但付出最大，這是必然的迁客。

但總的來說郭宝，通過購買IP內(nèi)核模塊不僅可以降低開發(fā)風(fēng)險辞槐，還能節(jié)省開發(fā)費用，因為一般購買IP內(nèi)核模塊的費用要低于自己單獨設(shè)計和驗證的費用粘室。當(dāng)然榄檬，并不是所需要的IP內(nèi)核模塊都可以從市場上買得到。為了壟斷市場衔统，有一些公司開發(fā)出來的關(guān)鍵IP內(nèi)核模塊(至少暫時)是不愿意授權(quán)轉(zhuǎn)讓使用的鹿榜。像這樣的IP內(nèi)核模塊就不得不自己組織力量來開發(fā)。

這3個層次各有各的應(yīng)用范圍缰冤。從應(yīng)用開發(fā)角度看犬缨，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，都是采用前2種方法棉浸。第3層次設(shè)計方法對一般具體應(yīng)用人員來說怀薛，只能用來設(shè)計簡單的單片系統(tǒng)。而復(fù)雜的單片系統(tǒng)則是某些大的半導(dǎo)體廠商才能設(shè)計和實現(xiàn)的迷郑，并且用這種方法實現(xiàn)的單片系統(tǒng)枝恋，只可能是那些廣泛使用、具有一定規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)才值得投入研制嗡害。還有些應(yīng)用系統(tǒng)焚碌，因為技術(shù)問題或商業(yè)價值問題并不適宜用單片實現(xiàn)。

當(dāng)它們以商品形式推出相應(yīng)單片系統(tǒng)后霸妹，應(yīng)用人員只要會選用即可十电。所以，3個層次的設(shè)計方法會并存叹螟，并不會簡單地用后者取代前者鹃骂。 初級應(yīng)用設(shè)計人員會以第1種方法為主;富有經(jīng)驗的設(shè)計人員會以第2種方法為主;很專業(yè)的設(shè)計人員會用第3種方法進行簡單單片系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。但所有的設(shè)計人員都可以應(yīng)用半導(dǎo)體大廠商推出的用第3種方法設(shè)計的專用單片系統(tǒng)罢绽。

4

結(jié)語

目前畏线，在我國3個層次的設(shè)計分別呈“面”、“線”良价、“點”的狀態(tài)寝殴。

習(xí)慣于第1層次設(shè)計方法的電子信息系統(tǒng)設(shè)計人員需要逐步向第2層次過渡和發(fā)展;第2層次設(shè)計方法要由“線”逐步發(fā)展成“面”;第3層次設(shè)計方法需要國家有關(guān)部門根據(jù)IT發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，組織各方面力量攻關(guān)明垢、協(xié)調(diào)發(fā)展蚣常。第3層次設(shè)計方法要由“點”逐步發(fā)展成“線”。