嵌入式系統(tǒng)加快設(shè)計流程的開發(fā)方案

在日益信息化的現(xiàn)代社會中，計算機和網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)全面滲透到日常生活中，各種應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的電子產(chǎn)品也隨處可見，計算機的應(yīng)用經(jīng)過桌面PC系統(tǒng)的空前之后，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用正風(fēng)起云涌，廣泛進入到工業(yè)、軍事、通信、環(huán)保、電力、鐵路、金融等眾多領(lǐng)域。作為兩大類型計算機之一的專用計算機系統(tǒng)、即嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上已經(jīng)遠遠超過傳統(tǒng)的通用計算機系統(tǒng)，嵌入式微控制器技術(shù)的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。
　　嵌入式微控制器組成的系統(tǒng)可嵌入到任何需要控制的設(shè)備中，并且在工控領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設(shè)備級（工控機）、板級（單板、模塊）、芯片級（MCU、SoC）。當(dāng)前使用的單片機與工控機是一種典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。隨著Internet的飛速發(fā)展，對各種工控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能要求也越來越高。大量的智能設(shè)備將通過網(wǎng)絡(luò)相互傳遞信息和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備的功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及監(jiān)管控一體化。
　　在嵌入式系統(tǒng)的市場競爭愈加激烈的今天，如何快速地將符合需求的產(chǎn)品投入市場并在競爭中保持一席之地？成為眾多嵌入式研發(fā)制造企業(yè)所面臨的共同課題。
　　所以必須通過加快設(shè)計流程來提高設(shè)計質(zhì)量，而目前大多企業(yè)普遍采取的解決方案是利用現(xiàn)成的商業(yè)化平臺。嵌入式設(shè)備在開發(fā)過程中，除了必須考慮它的處理器架構(gòu)、操作系統(tǒng)性能、以及其他組件之外，開發(fā)人員還必須了解一些例如：系統(tǒng)的哪些部分需要設(shè)計、哪些部分需要購買現(xiàn)成設(shè)備等等。
　　一般自行設(shè)計的方案，它的優(yōu)勢是可以全面地自定義最終的解決方案并優(yōu)化成本，但是任何設(shè)計規(guī)格的更改或疏忽都會使成本高昂，且周期漫長。相反，使用商業(yè)現(xiàn)成的平臺將增加產(chǎn)品的銷售成本，或者可能會浪費一些不必要的成本，但是通常來說，現(xiàn)成的系統(tǒng)提供了更快的驗證周期，因而也就具有更為快捷的設(shè)計流程，從而在更短的上市時間內(nèi)保證設(shè)計的質(zhì)量。
　　下文我們就將用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的兩種方案----自行設(shè)計或使用現(xiàn)成平臺進行對比闡述，并且討論與這兩種方案相關(guān)的技術(shù)和經(jīng)濟風(fēng)險。
　　方案一：自行設(shè)計
　　開發(fā)之前，需要為系統(tǒng)的核心控制部分選擇一種處理器技術(shù)，目前研祥采用以下五種技術(shù)：
　　1. 微控制器-微控制器的成本極為低廉，并且通常在單一的芯片上提供了集成的解決方案，且包括I/O外圍設(shè)備。它們通常帶有極小的片上存儲容量，而且難以用于復(fù)雜性高和需要擴展的場合。此外，其時鐘速率通常是10MHz的數(shù)量級，因此一般不能實現(xiàn)高性能的控制循環(huán)。
　　2. 嵌入式處理器-和微控制器相比，嵌入式處理器的時鐘速率更高且通常具有外部存儲接口，因而性能和擴展性并不成問題。但是應(yīng)用程序需要進行復(fù)雜的驅(qū)動開發(fā)，因為嵌入式處理器通常并不帶有片上模擬外圍設(shè)備。此外，隨著芯片封裝技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器通常采用高密度的封裝技術(shù)，例如球柵陣列封裝（ball-grid array，即BGA），這將導(dǎo)致較復(fù)雜的制造流程，增添了更為困難的硬件調(diào)試工作。
　　3. 數(shù)字信號處理器（DSP）-DSP是一種專用的微處理器，它提供額外的指令以優(yōu)化特定的數(shù)學(xué)函數(shù)，例如乘法和累加操作。DSP對于計算繁重的應(yīng)用場合來說是極為有用的，但是通常需要專業(yè)的知識來利用它的軟件性能。
　　4. 專用集成電路（ASIC）-ASIC芯片是專為某個特定的應(yīng)用而設(shè)計的，不具有通用性。對于解決諸如功耗和產(chǎn)品成本等問題，ASIC被廣泛認為是一種極好的方案。但是，極為昂貴的ASIC開發(fā)和制造流程通常讓人望而卻步，一般僅限于具有極大產(chǎn)量的產(chǎn)品。
　　5. 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）-FPGA在自定義的ASIC設(shè)計和現(xiàn)成的技術(shù)之間提供了極好的平衡。它們具有高度的專有化性能，同時可以通過編程重新配置邏輯模塊，因而其開發(fā)成本與ASIC相比要低得多。雖然FPGA可以被應(yīng)用于各種場合，但是一般來說復(fù)雜的FPGA設(shè)計并不常見，因為對于大部分習(xí)慣于使用C語言進行順序編程的嵌入式軟件開發(fā)者來說，VHDL編程格式顯得十分陌生。
　　在許多情況下，單一的處理器技術(shù)并不足以解決應(yīng)用的需求，因此，混合式架構(gòu)逐漸成為發(fā)展的方向。如圖1所示，嵌入式處理器用于進行系統(tǒng)管理、用戶界面和數(shù)據(jù)分析，而DSP負責(zé)與I/O模塊和對數(shù)據(jù)進行初步處理等任務(wù)。這種混合式架構(gòu)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中變得十分普遍。
　　
　　圖1：嵌入式處理器用于進行系統(tǒng)管理、用戶界面和數(shù)據(jù)分析，而DSP或FPGA負責(zé)與I/O模塊和對數(shù)據(jù)進行初步處理等任務(wù)
　　在確定了使用何種處理器技術(shù)之后，設(shè)計人員還需要完成I/O電路的開發(fā)。如果嵌入式系統(tǒng)中存在任何的模擬信號，那么就需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、以及相應(yīng)的軟件驅(qū)動。模擬電路的設(shè)計同樣會遇到很多復(fù)雜的問題，限于篇幅本文不再贅述。