嵌入式系统设计方法的演化——从单片机到单片系统

　　一、 嵌入式系统设计方法变化的背景

　　嵌入式系统设计方法的演化总的来说是因为应用需求的牵引和IT技术的推动。

　　1 随着微电子技术的不断创新和发展，大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高。硅材料与人类智慧的结合，生产出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微电子 结构模块，推动了一个全新的技术领域和产业的发展。在此基础上发展起来的器件可编程思想和微处理（器）技术可以用软件来改变和实现硬件的功能。微处理器和 各种可编程大规模集成专用电路、半定制器件的大量应用，开创了一个崭新的应用世界，以至广泛影响着并在逐步改变着人类的生产、生活和学习等社会活动。

　　2计算机硬件平台性能的大幅度提高，使很多复杂算法和方便使用的界面得以实现，大大提高了工作效率，给复杂嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。

　　3高性能的EDA综合开发工具（平台）得到长足发展，而且其自动化和智能化程度不断提高，为复杂的嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级别集编辑、布局、布线、编译、综合、模拟、测试、验证和器件编程等一体化的易于学习和方便使用的开发集成环境。

　　4硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)的发展为复杂电子系统设计提供了建立各种硬件模型的工作媒介。它的描述能力和抽象能力强，给硬件电路，特别是半定制大规模集成电路设计 带来了重大的变革。目前，用得较多的有已成为IEEE为 STD1076标准的VHDL、IEEE STD 1364标准的Verilog HDL和Altera公司企业标准的AHDL等。

　　由于HDL的发展和标准化，世界上出现了一批利用HDL进行各种集成电路功能模块专业设计的公司。其任务是按常用或专用功能，用HDL来描述集成电路的功能和结构，并经过不同级别的验证形成不同级别的IP内核模块，供芯片设计人员装配或集成选用。

　　IP（Intellectual Property）内核模块是一种预先设计好的甚至已经过验证的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有几种不同形式。IP内核模块有行为 （behavior）、结构（structure）和物理（physical）3级不同程度的设计，对应有主要描述功能行为的“软IP内核(soft IP core)”、完成结构描述的“固IP内核(firm IP core)”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬IP内核(hard IP core)”3个层次。这相当于集成电路（器件或部件）的毛坯、半成品和成品的设计技术。

　　软IP内核通常是用某种HDL文本提交用户，它已经过行为级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的 门电路级网表，并可以进行后续结构设计，具有最大的灵活性，可以很容易地借助于EDA综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体，根据各种不同的半导体工艺， 设计成具有不同性能的器件。可以商品化的软IP内核一般电路结构总门数都在5000门以上。但是，如果后续设计不当，有可能导致整个结果失败。软IP内核 又称作虚拟器件。

　　硬IP内核是基于某种半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。

　　固IP内核的设计深度则是介于软IP内核和硬IP内核之间，除了完成硬IP内核所有的设计外，还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节。一般以门电路级网表形式提交用户使用。

　　TI，Philips和Atmel等厂商就是通过Intel授权，用其MCS-51的IP内核模块结合自己的特长开发出有个性的与Intel MCS-51兼容的单片机。

　　常用的IP内核模块有各种不同的CPU(32/64位CISC/RISC结构的CPU或8/16位微控制器/单片机，如8051等)、32 /64位DSP（如320C30）、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCI、 标准接口、网络单元、编译器、编码/解码器和模拟器件模块等。丰富的IP内核模块库为快速地设计专用集成电路和单片系统以及尽快占领市场提供了基本保证。

　　5软件技术的进步，特别是嵌入式实时操作系统EOS(Embedded Operation System）的推出，为开发复杂嵌入式系统应用软件提供了底层支持和高效率开发平台。EOS是一种功能强大、应用广泛的实时多任务系统软件。它一般都具 有操作系统所具有的各种系统资源管理功能，用户可以通过应用程序接口API调用函数形式来实现各种资源管理。用户程序可以在EOS的基础上开发并运行。它 与通用系统机中的OS相比，主要有系统内核短小精悍、开销小、实时性强和可靠性高等特点。完善的EOS还提供各种设备的驱动程序。为了适应网络应用和 Internet应用。还可以提供TCP/IP协议支持。目前流行的EOS有3Com公司的Palm OS、Microsoft公司的Windows CE和Windows NT Embedded4.0、日本东京大学的Tron和各种开放源代码的嵌入式Linux以及国内开发成功的凯思集团的Hopen OS和浙江大学的HBOS。

二、 嵌入式系统设计方法的变化

　　过去擅长于软件设计的编程人员一般对硬件电路设计“敬而远之”，硬件设计和软件设计被认为是性质完全不同的技术。

　　随着电子信息技术的发展，电子工程出身的设计人员，往往还逐步涉足软件编程。其主要形式是通过微控制器（国内习惯称作单片机）的应用，学会相应 的汇编语言编程。在设计规模更大的集散控制系统时，必然要用到已普及的PC机，以其为上端机，从而进一步学习使用Quick BASIC，C，C++，VC和VB等高级语言编程作系统程序，设计系统界面，通过与单片机控制的前端机进行多机通信构成集中分布控制系统。

　　软件编程出身的设计人员则很少有兴趣去学习应用电路设计。但是，随着计算机技术的飞速发展，特别是硬件描述语言HDL的发明，系统硬件设计方法 发生了变化，数字系统的硬件组成及其行为完全可以用HDL来描述和仿真。在这种情况下，设计硬件电路不再是硬件设计工程师的专利，擅长软件编程的设计人员 可以借助于HDL工具来描述硬件电路的行为、功能、结构、数据流、信号连接关系和定时关系，设计出满足各种要求的硬件系统。