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1、嵌入式系统设计方法的演化从单片机到单片系统摘要：在介绍嵌入式系统设计方法变化背景的根底上，综述嵌入式系统设计方法的不同层次，从单片机应用到单片系统设计的演化，并提出了开展战略。关键词：嵌入式系统设计单片系统(S)硬件描绘语言(HDL)IP内核一、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开展，大规模集成电路的集成度和工艺程度不断进步。硅材料与人类智慧的结合，消费出大批量的低本钱、高可靠性和高精度的微电子构造模块，推动了一个全新的技术领域和产业的开展。在此根底上开展起来的器件可编程思想和微处理器技术可以用软件来
2、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，创始了一个崭新的应用世界，以致广泛影响着并在逐步改变着人类的消费、生活和学习等社会活动。2.计算机硬件平台性能的大幅度进步，使很多复杂算法和方便使用的界面得以实现，大大进步了工作效率，给复杂嵌入式系统辅助设计提供了物理基矗3.高性能的EDA综合开发工具平台得到长足开展，而且其自动化和智能化程度不断进步，为复杂的嵌入式系统设计提供了不同用处和不同级别集编辑、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.硬件描绘语言HDL(HardareDesriptinLang
3、uage)的开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。它的描绘才能和抽象才能强，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、IEEESTD1364标准的VerilgHDL和Altera公司企业标准的AHDL等。由于HDL的开展和标准化，世界上出现了一批利用HDL进展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来描绘集成电路的功能和构造，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。IPIntelletualPrperty内核模块是一种预先设计好
4、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behavir、构造struture和物理physial3级不同程度的设计，对应有主要描绘功能行为的“软IP内核(sftIPre)、完成构造描绘的“固IP内核(firIPre)和基于物理描绘并经过工艺验证的“硬IP内核(hardIPre)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，但其中不含有任何详细的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门电路级网表，并可以进展后续构造设计，具有最大的灵敏性，可以很容易
5、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内核一般电路构造总门数都在5000门以上。但是，假如后续设计不当，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详细工艺，并已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供应用户的形式是电路物理构造掩模幅员和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。固IP内核的设计深度那么是介于软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
6、，Philips和Atel等厂商就是通过Intel受权，用其S51的IP内核模块结合自己的特长开发出有个性的与IntelS51兼容的单片机。常用的IP内核模块有各种不同的PU(32/64位IS/RIS构造的PU或8/16位微控制器/单片机，如8051等)、32/64位DSP如32030、DRA、SRA、EEPR、Flashery、A/D、D/A、PEG/JPEG、USB、PI、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根本保证。5.软件技术的进步，特别是嵌入式实时操作系统ES(Ebeddedperati
7、nSyste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。ES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ES的根底上开发并运行。它与通用系统机中的S相比，主要有系统内核短小精悍、开销孝实时性强和可靠性高等特点。完善的ES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TP/IP协议支持。目前流行的ES有3公司的PalS、irsft公司的indsE和indsNTEbedded4.0、日本东京大学的Trn和各种开放源代码
8、的嵌入式Linux以及国内开发成功的凯思集团的HpenS和浙江大学的HBS。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开展，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P机，以其为上端机，从而进一步学习使用QuikBASI，+，V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展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那么很少
9、有兴趣去学习应用电路设计。但是，随着计算机技术的飞速开展，特别是硬件描绘语言HDL的创造，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来描绘和仿真。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工具来描绘硬件电路的行为、功能、构造、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。EDA工具允许有两种设计输入工具，分别适应硬件电路设计人员和软件编程人员两种不同背景的需要。让具有硬件背景的设计人员用已习惯的原理图输入方式，而让具有软件背景的设计人员用硬件描绘语言输入方式。由于用HDL描绘进展输入，因此与系统行为描
10、绘更接近，且更便于综合、时域传递和修改，还能建立独立于工艺的设计文件，所以，擅长软件编程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知识，往往可以比习惯于传统设计的工程师设计出更好的硬件电路和系统。所以，习惯于传统设计的工程师应该学会用HDL来描绘和编程。三、嵌入式系统设计的3个层次嵌入式系统设计有3个不同层次。1.第1层次：以PBAD软件和IE为主要工具的设计方法。这是过去直至如今我国单片机应用系统设计人员一直沿用的方法，其步骤是先抽象后详细。抽象设计主要是根据嵌入式应用系统要实现的功能要求，对系统功能细化，分成假设干功能模块，画出系统功能框图，再对功能模块进展硬件和软件功能实现的分配。详细设计包括
11、硬件设计和软件设计。硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用的元器件进展选择和组合，其选择的根本原那么就是市场上可以购置到的性价比最高的通用元器件。必要时，须分别对各个没有把握的局部进展搭试、功能检验和性能测试，从模块到系统找到相对优化的方案，画出电路原理图。硬件设计的关键一步就是利用印制板(PB)计算机辅助设计(AD)软件对系统的元器件进展布局和布线，接着是印制板加工、装配和硬件调试。工作量最大的局部是软件设计。软件设计贯穿整个系统的设计过程，主要包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设计的工作量主要集中在程序调试，所以软件调试工具就是关键。最常用和最
12、有效的工具是在线仿真器(IE)。2.第2层次：以EDA工具软件和ES为开发平台的设计方法。随着微电子工艺技术的开展，各种通用的可编程半定制逻辑器件应运而生。在硬件设计时，设计师可以利用这些半定制器件，逐步把原先要通过印制板线路互连的假设干标准逻辑器件自制成专用集成电路(ASI)使用，这样，就把印制板布局和布线的复杂性转换成半定制器件内配置的复杂性。然而，半定制器件的设计并不需要设计人员有半导体工艺和片内集成电路布局和布线的知识和经历。随着半定制器件的规模越来越大，可集成的器件越来越多，使印制板上互连器件的线路、装配和调试费用越来越少，不仅大大减少了印制板的面积和接插件的数量，降低了系统综合本钱
13、，增加了可编程应用的灵敏性，更重要的是降低了系统功耗，进步了系统工作速度，大大进步了系统的可靠性和平安性。这样，硬件设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器件，逐步转向自己设计和制作局部专用的集成电路器件，而这些技术是由各种EDA工具软件提供支持的。半定制逻辑器件经历了可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑GAL、复杂可编程逻辑器件PLD和现场可编程门阵列FPGA的开展过程。其趋势是集成度和速度不断进步，功能不断增强，构造趋于更合理，使用变得更灵敏和方便。设计人员可以利用各种EDA工具和标准的PLD和FPGA等，设计和自制用户专用的大规模集成电路。然后再通过自下而上的设计方
14、法，把用半定制器件设计自制的集成电路、可编程外围器件、所选择的ASI与嵌入式微处理器或微控制器在印制板上布局、布线构成系统。3.第3层次：以IP内核库为设计根底，用软硬件协同设计技术的设计方法。20世纪90年代后，进一步开场了从“集成电路级设计不断转向“集成系统级设计。目前已进入单片系统SSystenahip设计阶段，并开场进入实用阶段。这种设计方法不是把系统所需要用到的所有集成电路简单地二次集成到1个芯片上，假如这样实现单片系统，是不可能到达单片系统所要求的高密度、高速度、高性能、小体积、低电压、低功耗等指标的，特别是低功耗要求。单片系统设计要从整个系统性能要求出发，把微处理器、模型算法、芯
15、片构造、外围器件各层次电路直至器件的设计严密结合起来，并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。有时也可能把系统做在几个芯片上。因为，实际上并不是所有的系统都能在一个芯片上实现的；还可能因为实现某种单片系统的工艺本钱太高，以致于失去商业价值。目前，进入实用的单片系统还属简单的单片系统，如智能I卡等。但几个著名的半导体厂商正在紧锣密鼓地研制和开发像单片P这样的复杂单片系统。单片系统的设计假如从零开场，这既不现实也无必要。因为除了设计不成熟、未经过时间考验，其系统性能和质量得不到保证外，还会因为设计周期太长而失去商业价值。为了加快单片系统设计周期和进步系统的
16、可靠性，目前最有效的一个途径就是通过受权，使用成熟优化的IP内核模块来进展设计集成和二次开发，利用胶粘逻辑技术GLTGlueLgiTehnlgy，把这些IP内核模块嵌入到S中。IP内核模块是单片系统设计的根底，终究购置哪一级IP内核模块，要根据现有基储时间、资金和其他条件权衡确定。购置硬IP内核模块风险最小，但付出最大，这是必然的。但总的来说，通过购置IP内核模块不仅可以降低开发风险，还能节省开发费用，因为一般购置IP内核模块的费用要低于自己单独设计和验证的费用。当然，并不是所需要的IP内核模块都可以从市场上买得到。为了垄断市场，有一些公司开发出来的关键IP内核模块至少暂时是不愿意受权转让使用的。像这样的IP内核模块就不得不自己
