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1、 32 位嵌入式开发的动向 32 位嵌入式开发的动向 作者： 高超然 徐成 李仁发摘 要：摘 要：嵌入式系统开发已经进入 32 位时代，与传统的 8/16 位系统相比，无论处理器的结构还是开发手段上都发生了较大变化，并出现了一大批新技术。本文以 ARM 技术为主,探讨了国内外 32 位嵌入式开发的现状和趋势，涉及到了诸如 SOC、SOPC、软硬件协同设计等多个领域，以期引入更为广泛和深刻的讨论。 嵌入式微处理器市场状况 嵌入式微处理器市场状况 2003年我国嵌入式系统应用产品经济总量达1000亿元， 其中嵌入式处理器芯片约为100亿元。2003 年我国嵌入式微处理器销售总量约为 10.2 亿片
2、，4 位 MCU 占 2.6 亿片、8 位约占 6.6 亿片，32 位 MPU 占 0.75 亿片。另外，据有关机构预测分析，今年中国大陆市场 8 位MCU 的需求量会增长 15%20%左右；32 位 MPU 的需求量继续以 100%的速度增长。 由此可以看出， 8 位 MCU 市场已逐步趋向稳定， 32 位 MPU 代表着嵌入式技术的发展方向，正在加速发展。在 32 位嵌入式微处理器市场上，基于 ARM 内核的微处理器在市场上处于绝对的领导地位(图 1)，因此追踪 ARM 技术的发展趋势显得尤为重要。 图 1 32 位嵌入式处理器市场分布 图 2 复杂片上系统调试/跟踪原理 ARM 技术的发
3、展趋势 ARM 技术的发展趋势 高度集成化的 SOC 趋势 高度集成化的 SOC 趋势 ARM 公司是一家 IP 供应商，其核心业务是 IP 核以及相关工具的开发和设计。半导体厂商通过购买 ARM 公司的 IP 授权来生产自己的微处理器芯片。 由此以来， 处理器内核来自 ARM公司，各芯片厂商结合自身已有的技术优势以及芯片的市场定位等因素使芯片设计最优化，从而产生了一大批高度集成、各具特色的 SOC 芯片。例如 Intel 公司的 XScale 系列集成了LCD 控制器、音频编/解码器，定位于智能 PDA 市场；Atmel 公司的 AT91 系列片内集成了大容量 Flash 和 RAM、 高精
4、度 A/D 转换器以及大量可编程 I/O 端口， 特别适合于工业控制领域；Philips公司的LPC2000系列片内集成了128位宽的零等待Flash存储器以及I2C、 SPI、 PWM、UART 等传统接口，极高的性价比使它对传统的 8/16 位 MCU 提出了严峻挑战。 然而如此众多的高集成度 SOC 芯片由于其内核统一于 ARM 核心， 使得软、 硬件平台的移植变得相当容易；只要掌握了 ARM 开发技术的核心，就可以达到“一通百通”的目的，为用户大大降低了培训、学习的成本，缩短了产品上市的时间。 高集成度 SOC 芯片的采用可以带来一系列好处， 诸如减少了外围器件和 PCB 面积， 提高
5、系统抗干扰能力，缩小产品体积，降低功耗等。 ARM 公司的 IP 核也由 ARM7、ARM9 发展到今天的 ARM11 版本。ARM11 囊括了 Thumb-2、CoreSight、TrustZone 等众多业界领先技术，同时由单一的处理器内核向多核发展，为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台。 软核与硬核同步发展的 SOPC 技术 软核与硬核同步发展的 SOPC 技术 随着亚微米技术的发展，FPGA 芯片密度不断增加，并以强大的并行计算能力和方便灵活的动态可重构性，被广泛地应用于各个领域。但是在复杂算法的实现上，FPGA 却远没有32 位 RISC 处理器灵活方便， 所以在设计具有复杂算法和
6、控制逻辑的系统时， 往往需要 RISC和 FPGA 结合使用，SOPC 技术就是在这样的环境下诞生的。同时 ASIC 相对于 SOPC 由于缺少弹性，且逐渐丧失价格优势而放慢了发展的步伐。 SOPC 技术中以 Nios 和 MicroBlaze 为代表的 RISC 处理器 IP 核、各种标准外设 IP 核以及用户以 HDL 语言开发的逻辑部件可以最终综合到一片 FPGA 芯片中，实现真正的可编程片上系统，此时的嵌入式处理器称之为“软处理器”或“软核”。Altera 公司最新推出的NiosII 可以嵌入到 Altera 公司的 StratixII、Stratix、Cyclone 和 HardCo
7、py 等系列可编程器件中，用户可以获得超过 200DMIPS 的性能，而只需花费不到 35 美分的逻辑的资源。用户可以从三种处理器以及超过 60 个的 IP 核中选择所需要的， 设计师可以以此来创建一个最适合他们需求的嵌入式系统。软核技术提供了极高的灵活性和性价比。 SOPC 技术的另一个重要分支是嵌入硬核。集高密度逻辑(FPGA)、存储器(SRAM)及嵌入式处理器(ARM/PPC)于单片可编程逻辑器件上， 实现了高速度与编程能力的完美结合。 Altera公司的 EPXA10 芯片内部集成了工作频率可达 200MHZ 的 ARM922T 处理器、100 万门可编程逻辑、3MB 的内部 RAM
8、以及 512 个可编程 I/O 管脚，可以通过嵌入各种 IP 核实现多种标准工业接口，如 PCI、USB 等。软硬核同步发展，为用户提供了更多、更灵活的选择。 与 DSP 技术融合 与 DSP 技术融合 传统的嵌入式微处理器可以分为微控制器 MCU、微处理器 MPU 和数字信号处理器 DSP，然而随着技术的发展，它们之间的区别也变的越来越模糊，并有逐步融合的趋势。现在不少的 MCU 和 MPU 具备了 DSP 的特征，例如采用哈佛结构，增加了乘加运算指令等；同时不少DSP 芯片内部也集成了 A/D、D/A、定时/计数器和 UART 等。 这种技术融合趋势也有两条不同的技术路线： 1.在中低端应
9、用中， 在传统 MPU 内部集成DSP 宏单元以及在指令集中加入 DSP 功能指令。ARM9E 系列处理器采用哈佛结构的同时增加了 16 位数据乘法和乘加操作指令、双字数据操作指令、cache 预取指令等，可以满足数字消费品、存贮设备、马达控制和低端网络设备对于控制和高密度运算能力的双重需求。2.高端复杂应用中，向多内核、并行处理的方向发展。TI 公司的开放媒体应用处理器 OMAP 集成了TI的TMS320C5XXDSP内核和一个增强了的ARM926-EJS内核以及内部处理器通信机制和音频、视频、网络通信等部件，使之成为一个强大的多媒体移动计算平台。 开发和调试手段不断完善 开发和调试手段不断
10、完善 随着嵌入式应用系统的日益复杂化以及开发周期越来越短， 开发和调试手段也发生了很大改变。硬件方面由于 QFP 和 BGA 封装的逐渐普及，使得以探针方式为主的 BDM(背景调试模式)力不从心； 以边界扫描接口(JTAG)为基础的在电路仿真调试手段(ICE)正在普及， 更为先进的片上实时跟踪(Trace)技术也已浮出水面。软件方面，因为软件规模不断扩大，必须采用嵌入式操作系统来管理软、 硬件资源， 同时传统的 C 语言和汇编语言混合编程的模式也因为引入面向对象思想以及 C和 Java 语言而发生了很大改变。面向对象语言更适合大规模应用和平台级开发，代码复用和移植变得更简单。 图 3 传统的系
11、统设计方法 图 4 软件/硬件协同设计方法 ARM 公司最新推出的 RealView 是一整套完整的解决方案，由集成开发环境和在线仿真器 Multi-ICE，实时跟踪器 Multi-Trace 等组成。RealView 支持多内核系统调试，多种操作系统的任务级或线程级调试， 大大降低了高端 ARM 处理器的开发门槛， 缩短了应用系统开发周期。图 2 说明了复杂片上系统调试/跟踪原理。 软件工程思想融入嵌入式软件 软件工程思想融入嵌入式软件 嵌入式软件规模不断扩大， 以往的面向过程的模块化分析方法已经很难满足要求。 基于对象的统一建模语言(UML)可以描述对于实时系统极为关键的结构和行为方面，并
12、且已成为有效设计的优秀媒介。Hassan Gonaa 提出的并发对象建模和体系结构设计方法(COMET)以及Bruce Powel Douglass 等人提出的嵌入式系统的快速面向对象过程(ROPES)都是在吸收了统一建模语言精髓的基础上， 并融合了嵌入式实时系统固有特点发展而来的基于 UML 的嵌入式系统建模和分析方法。 嵌入式系统可以归入电子技术和计算机技术交叉学科的范畴,因此存在着硬件、软件在设计时的协调和配合问题。 传统的系统级设计方法如图 3 所示， 虽然在系统设计的初始阶段考虑了软硬件接口问题， 但由于软硬件分别开发， 各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成时出错误。由于设计方法的
13、限制，这些错误不但很难定位，而且对它们的修改往往会涉及整个软件结构和硬件配置的改动，会带来灾难性后果。 为了避免上述问题，软硬件协同设计的方法应运而生，其典型设计过程如图 4 所示。首先，采用有限状态机(FSM)、统一化规格语言(CSP)和硬件描述语言(HDL)等方法对系统进行抽象描述，对软/硬件统一表示，便于功能划分和综合；然后，在此基础上对软/硬件进行划分。这种方法的特点是在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑软/硬件的关系，并在设计的每个层次上给予测试验证， 使得尽早发现和解决问题。 国外一些大的半导体厂商已经将这种分析/设计方法逐步运用到实际的芯片开发设计当中。 国内的现状和动向
14、国内的现状和动向 国内的 32 位嵌入式开发近两年来异常火爆， 基于 32 位 SOC 芯片的应用系统能够大大提高产品的性能和附加值，增强产品的市场竞争力，因此越来越多的工程师开始将目光从 8位/16 位转移到 32 位微处理器上。广大的应用开发工程师是国内 32 位嵌入式开发向纵深发展的基础。华为、大唐、东南大学、清华大学等一批企业和研究机构购买了 ARM 公司的 IP授权用于自有知识产权 SOC 芯片的设计，这必将逐步缩小我们同国外先进水平的差距。 由于市场和政策导向， 国内的 32 位嵌入式处理器也呈现出群体突破的态势， 方舟一号、方舟二号、龙芯等一大批 32 位嵌入式处理器陆续问世，但是开发工具、生产能力等问题还未解决，阻碍了它们的推广应用。另一方面，在 SOPC、软硬件协同设计等较为前沿的领域我们还处于研究和探索阶段，与国外先进水平尚有较大差距。但我们有理由相信，采用国产芯片和操作系统的嵌入式开发已不再遥远。
