嵌入式开发的设计模式及发展趋势

　　在嵌入式应用中使用RTOS是由于嵌入式应用一般是计算机实时系统，有两个重要特性：实时性和可靠性。实时性标准常用“系统响应时间”来衡量，即当一外部事件发生，系统能在多少时间内响应事件。RTOS分强实时和弱实时两种。强实时RTOS用于对时间要求比较严格的场合。可靠性标准常用系统平均无故障运行时间，即平均的故障间隔时间MTBF来衡量。

　　操作系统（OS）是一组计算机程序的集合，用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源，即合理地对资源进行调度，并为用户提供方便的应用接口。它为应用支持软件提供运行环境，即对程序开发者提供功能强、使用方便的开发环境。OS的前身就是监控程序，类似于单片机仿真器的监控程序。

　　RTOS是多任务的，每个用户的应用程序可以设计成多个不同的任务，这些任务可以并发执行，提高系统的吞吐量，更有效地利用系统资源。常用的任务调度算法为：优先级加轮询、非抢占式优先级调度、按优先级抢占的调度算法。任务间通信与同步机制为：邮箱、队列、信号量、事件标志。划分任务时，任务之间的通信要尽可能少，这样可以简化设计。

　　基于任务的设计可扩展、可管理、可大大提高系统的可靠性。RTOS提供给用户的是各种系统调用。中断、时间基准及定时的管理都由RTOS完成。采用RTOS编程可大幅度缩短程序的开发时间。RTOS一般都可裁剪、移植，适用于多种硬件环境，可以和应用程序一起固化到应用系统中。

　　随着后PC时代的来临，微软维纳斯计划推出Windows CE，我国女娲计划推出自主版权的Hopen实时多任务操作系统。 “3C”结合的信息家电问世，RTOS引起国内业界的极大关注。国内已引入pSOS、 VRTX、VxWorks、QNX、Nucleus等RTOS以及 CMX和RTXC小型适合单片机的带源代码的RTOS。

　　免费公开内核的RTLinux和 μCOS也是使用的热点。清华大学出版社出版了《工业控制计算机实时操作系统》。国际上很有名的有关μCOS的专著《Micro C/OS-ii The Real Time Kernel》不久将在国内翻译出版。 RTOS会更加深入人心，嵌入式应用软件开发由汇编、C向 RTOS发展。

　　硬件设计

　　单片机，即一个芯片就是一个计算机，代表着计算机小型化的理想。随着超大规模高速集成电路 VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）的发展，专用集成电路 ASIC（Application Special Integrated Circuit）设计已使片上系统 SOC（System On a Chip）的设计与制造正在或已经成为现实。

　　单片机和SOC是硬件设计高度集成化的产物。高度集成可以增加系统的可靠性、缩小体积并降低成本。集成电路产品的集成度，目前仍然保持每18个月增长一倍的发展速度（摩尔定律），而产品的生命周期却日趋缩短，因此，迫切要求提高ASIC芯片的设计速度。其中最重要的是尽可能重复运用已有的设计成果，采用具有知识产权的功能单元块，即IP核（Intelligence Property Core）。

　　因此，必须重视IP核的开发和重用。在设计方法上运用电子设计自动化（EDA）工具，使用 VHDL和 Verilog硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）进行硬件的设计。VHDL支持行为级描述，并有IEEE 87和IEEE 93标准，设计效率明显高于Verilog，更加受欢迎。从集成电路的观点看，单片机是IP核，常用接口芯片 8255、8250、8279等也有类似功能的IP核。8051单片机得到Philips、Atmel等众多厂商的支持也得益于其IP核的互换和转让。内含CPU的可编程逻辑器件已列入集成电路生产厂家的生产计划。模数混合的集成电路还存在设计制造难度。

目前，嵌入式应用硬件设计采用满足要求的单片机是理想的选择，采用CPU+PLD+AD/DA模式是明智的选择。可编程逻辑器件的发展经历了由GAL/PAL、EPLD向 CPLD/FPGA（复杂可编程逻辑器件/现场可编程逻辑器件）发展，集成度越来越高。Lattice、Altera、Xilinx、AMD等公司提供可编程逻辑器件和EDA设计工具，支持HDL文本输入和原理图输入，配备编辑、编译、仿真、综合、芯片编程等功能。通过在系统编程ISP（In System Programming）或称在线下载，利用微机并口配有的下载电缆和可编程器件的JTAG接口相连，即可修改系统中PLD部分的设计，实现硬件设计的软化。

　　系统定制电路部分的设计已从ASIC集成电路设计的殿堂变成电子工程师的必备知识。集成电路的设计和电子电路的设计在融合。当然，单片机外接的简单逻辑也