嵌入式系统设计师:嵌入式系统设计来源: 发布时间:星期四, 2008年12月11日 浏览:10次 评论:0
 新发展及其挑战最新发展情况；论述当前嵌入式系统设计技术发展特点；从嵌入式系统设计开发复杂度 开发形式、手段和工具开发平台和开发语言等方面嵌入式系统设计发生各种变化并提出应对这些变化各种挑战 关键字：嵌入式系统；设计技术；SoC 1 嵌入式系统设计技术发展 特点随着微电子技术 飞速发展CPU已经变成低成本器件在可能情况下各种机电设备已经或者正在嵌入CPU构成嵌入式系统据Virginia Tech公司报告嵌入式系统中所使用CPU数量已经超过通用PC中CPU数量30倍现在系统研究 重点已从通用系统转向专用系统以及从 般性能转向可靠性、可用性、安全性、自主性、可扩展性、功能性、灵活性、成本、体积、功耗及可管理性上1.1 32位嵌入式处理器比例快速升高 InStat/MDR曾预测在2001～2006年期间 32位向控制器（MCU）复合年增长率可达22.6%而全球32位MCU市场在2003年增长幅度实际已走过30%在2004年预计将达到38%增长驱动因素主要有两个方面方面 像数码相机、MP3播放机、PDA、游戏机和移动电话手机等手持设备以及各种信息家电等有更高性能要求多媒体和通信设备推出在这些应用中庞大多媒体数据必然需要更大存储空间目前许多32位微控制器都可以使用SDRAM因此可极大地降低使用更大容量数据存储器成本；而8位微控制器般只能使用成本较高SRAM作为数据在座 器此外除了处理应用控制功能之外需支持互联网接入应用在MCU运行TCP/IP或其它通信协议情况下要求系统建立在RTOS上就必然成为种现实需求另外有越来越多像电视机、汽车音响及电子玩具等传统应用也与时俱进地提出数字化和“硬件软化”要求它们对计算性能要求及存储器容量需求都超出绝大多数8位微控制器能提供范围另 方面由于IT技术发展推动32位ARM体系结构已经成为种事实上标准随着高端32位CPU价格不断下降和开发环境成熟促使32位嵌入式处理器日益挤压原先由8位微控制器主导应用空间随着ARM处理器在全球范围流行32位RISC嵌入式处理器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计主流8位机除MCS-51外 其它8位机和16位机都没有种能为标准或准标准产品32位嵌入式处理器度被认为只适用于高端应用场合看法正在改变有更多、更复杂特点和功能需求便携式电子设备正促使嵌入式系统工程师考虑用32位MCU取代8/16位MCU另外越来越多设计师认识到转用32位架构不令能提升性能还能降低相同成本下系统功耗和节约总成本以及缩短产品上市时间这个转变为设计师提供了可随着产品性能和需求不断扩展而升级方案1．2 可供选择 可编程计算部件方案增多（1）GPP-EP-MCU-DSP-ASP/ASSP-ASIC/SoC 嵌入式系统 核心是可编程计算部件即处理器这可以有很多种选择而且近几年又增加了些新选择：除过去常用通用处理器GPP（Gereral Purpose Processor）、嵌入式处理器EP（Embedded Processor）、微控制器MCU（Micro-Control Unit）、数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）外目前发展很快、可以给我们提供新选择还有各种专用处理器ASP（Application Spec ic Processor）或专用标准产品ASSP（Application Specic Standard Product）它们都是针对些特定应用而设计如用于HDTV、ADSL、Cable Modem等专用处理器与MCU相比ASP/ASSP集成资源可能比般MCU更多、更专业化所以ASP价格要高于MCU；但它应用在相关领域中又是通用、标准和开放所以任个公司都能应用它构成自己系统或产品而不存在侵犯知识产权问题另种有知识产权保护在应用上较封闭专用集成电路ASIC（Application Specic IC）类定制片上系统SoC( on Chip)投入成本就要比ASP高得多但这可以根据设计人员要求来构建定制SoC这样就可为设计人员提供满足量体载衣式应用需求灵活性SoC技术使嵌入式系统应用发生了革命性变化这个变化就是嵌入式系统设计技术已从选择厂家提供标准产品时代进入了用户具有个性自行开发设计器件时代（2）PsoC/SoPC/CsoC 采用定制SoC有两大缺点： 是高昂次性工程费用（NRE）；二是从产品概念到生产阶段需要很长前置开发时间目前个发展趋势是以FPGA为代表现场可编程技术在迅速崛起这是由于市场对通用可配置处理器呼声越来越高传统MCU在市场需求中显得越来越力不从心可配置、可扩展处理器逐渐浮出水面利用半定制器件可以构成基本FPGA硬核处理器或基于FPGA软核处理器并由此可编程片上系统（PsoC或SOPC）应运而生这是种面向消费电子、工业、办公自动化、电信和汽车应用中嵌入式控制功能而开发高性能、现场可编程、混合信号阵列它集MCU和FPGA/CPLD优点于身实现可配置SoC既适应了设计人员对系统部件集成需要又能实现可配置需求灵活性从而为许多现实应用提供种平衡解决方案不同 厂家依据自己本来优势从两个不同方向异途同归地实现这种“可配置”性种是FPGA厂商在现有FPGA架构中加入微处理器核与其它IP功能模块使其兼备功能性和灵活性例如Altera公司为嵌入式应用先后推出Nios和Nios II软核嵌入式处理器就是种可特许通用RISC CPU它可与各种各样外围接口、用户自定义指令和硬件加速单元相组合构成个定制可编程片上系统（SoPC）并能够根据需要选择配置Xilinx也同样推出个类似32位哈佛结构MicroBlaze软核嵌入式处理器而另种是微处理器厂家从微处理器出发再加入可编程逻辑模块例如Triscend公司推出种波称为是CsoC(Configurable SoC)技术是在个以ARM架构微处理器核为核心SoC中嵌放工可编程逻辑模块构成可配置SoC平台1.3 微控制器 发展特点尽管由于市场对多功能产品需求 增加和IT技术推动使32位MCU产品日益成为市场热点；但目8位MCU仍然是技术市场主流并且还有相当广阔应用空间和旺盛生命力16位MCU也占有定市场份额各种MCU根据自己在市场上定位也都有了很大发展MCU总发展具有以下些特点 （1）微控制器SoC化 微控制器（MCU）已可集成越来越多 内置部件常用部件有存储器类包括 存储器MROM/OTPROM/EPROM/EEPROM/Flash和数据存储器SRAM/SDRAM/SSRAM；有串行接口类包括UART、SPI、I2C、CAN、IR、Ethernet、HDLC；有并行接口类包括Centronics、PCI、IDE、GPIO等；有定时和时钟类包括Timer/Counter、RTC、Watchdog、Clock out；有专用和外围接口类包括Comparer(比较器)、ADC、DAC、LCD控制器、DMA、PWM、PLL、MAC、温度传感器等 甚至有MCU例如NS公司MCU已把语音、图像部件也集成到单片机中目就是在单个器件中集成所有所需要用到部件构成片上系统（SoC）由于Cygnal公司推出C8051F系列MCU在个芯片中集成了构成数据采集系统或控制系统所需要几乎所有数字和模拟外围接口和功能部件所以这种混合信号芯片被其称作SoC （2）多核结构处理器 随着嵌入式应用 深入特别是在数字通信和网络中应用对处理器提出了更高要求为适应这种情况现在已出现多核结构处理器Motorola公司研发 MPC8260 PowerQUICC II就是是种先进为电信和网络市场而设计集成通信微处理器它融合了两个CPU——嵌入式PowerPC内核和通信处理模块（CPM）由于CPM分担了嵌入式PowerPC核外围工作任务这种双处理器体系结构功耗反而要低于传统体系结构处理器Infineon公司推出 TC10GP和增强型TC1130都是三核（TriCore）结构微处理器它同时具备RISC、CISC和DSP功能是种建立在SoC概念上结构这种单处机由三个核组成：微控制器和DSP核、数据和存储器核、外围专用集成电路（ASIC）这种单片机最大特点是把DSP和微控制器愈合成个单内核大大提高了微控制器功能具有类似结构还有Hitachi公司SH7410、SH7612等它们用于既需要MCU又需要DSP功能场合比使用单独MCU和DSP组合提供了更优势性能（3）更低功耗 现在新推出 MCU功耗越来越小很多MCU都有多种工作方式包括等待、暂停、休眠、空闲、节电等工作方式例如PhilipsP87LPC762空闲状态下电流为1.5mA而在节电方式下电流只有0.5mA很多MCU还允许在低振荡频率下以极低功耗工作例如P87LPC764在32.768kHz低频下正常工作电流仅为Idd=16μA(VDD=3.6V),空闲模式下Idd=7μA(VDD=3.6V)（4）更宽工作电压范围 扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是现在新推出 MCU个特点目前般MCU都可以在3.3～5.5V范围内工作有些产品则可以在2.2～6V范围内工作例如FujitsuMB8919X、MB8912X和MB89130系列以及F2MC-8L系列MCU绝大多数工作电压范围都为2.2～6V；而TIMSP430X11X系列工作电压可以低达2.2VMotorola针对长时间处在待机模式装置所设计超省电HCS08系列MCU已经把可工作最低电压降到了1.8V（5）更先进 工艺和更小封装现在MCU 封装水平已大大提高有越来越多MCU采用了各种帖片封装形式以满足便携式手持设备需要Microchip公司推出了目前世界上体积最小6引脚PIC10F2XX系列MCU为了适应各种应用需要减少驱动电路很多MCU输出能力都有了很大提高Motorola MCUI/O口灌电流可达8mA以上而MicrochipMCU可达20～25mA其它如AMD、Fujitsu、NEC、Infineon、Hitachi、Toshiba等都在8～20mA之间（6）低噪声布线技术 在过去 般MCU中电源与地引脚是安排在芯片封装对角上即左上、右下或右上、左下位置上这种安排会使电源噪声对MCU内部电路造成相对最大干扰现在很多MCU都把电源和地引脚安排在两个相邻引脚上这样既降低了干扰还便于在印制电路板上对去耦电容器进行布线降低系统噪声2 嵌入式系统设计 新挑战要求更高 应用需求推动嵌入式设计正在8/16位转向功能更强大32位MCU这种升级给工程师带来性能空间和处理裕度提升同时也带来了严峻挑战提出了系列前所未有全新问题首先要对开发工具和软件进行新投资并对设计流程进行重新定义；另外要对原软件能多大程度地用于新架构、要把已有软件移植到32位新架构上还必须做多少工作以及器件和开发工具成本、存储器种类、规模、性能和容量、可选器件种类等进行评估是否向32位升级主要取决于经过综合考虑后总系统成本等2.1 发生了哪些变化 原来国内熟悉8位MCU开发 工程师大部分出身于电子工程和其他机电专业而非计算机专业随着嵌入式系统设计技术发展已经在很多方面发生了很大变化在这此与传统8位MCU开发有着许多明显不同：首先是开九牛二虎之力复杂度大为提高其次开发形式、手段和工具也有了很大不同；另外系统越来越多地是建立在RTOS平台上使用开发设计语言不再是开始效率很低汇编语言而越来越多地使用开发效率很高高级语言C语言已成为主流通用开发语言（1）开发 复杂度各种多媒体和通信手持设备、信息家电和复杂系统都需要更强大 MCU来完成复杂大数据量实时处理例如目前移动电话手机需要多屏显示、网页浏览、文本信息发送、带查找功能大容量地址簿和语音拨号等功能；最新数码相机及摄像机高效率数据压缩、自动识别和各种智能处理等需要增加DSP功能；电话交换机需要分布式处理而采用多处理器结构（2）开发形式、手段和工具 随着开发对象复杂度 提高硬件和软件设计比例发生了很大变化软件开发比重越来越大复杂系统设计已不可能由个设计师包括硬件和软件而必须由个团队来分工合作完成由此也推出了开发形式、手段和工具发展特别是硬件/软件协同设计和验证技术、设计管理技术（如软件版本管理软件）和各种嵌入式系统设计工具软件发展 过去 几乎所有4/8/16位MCU开发都必须要有用于实时调试专用在线仿真器（IC E）其开发过程总是先设计、制作和调试好硬件同时进行软件编程在调试好硬件电路板之前对软件最多仅能进行关于纯逻辑和计算调试；只有在已调试好硬件基础上才能进行系统应用软件调试所有可以提供库或应用软件包都是专用对于32位嵌入式处理器来说 随着时钟频率越来越高（50～400MHz以上）加上复杂封装形式（如BGA）ICE已越来越难胜任开发工具工作目前替代基本方法是借助于JTAG接口构成JTAG调试器直接从CPU获取调试信息而使得产品设计简化从而使得开发工具价格反而要低于ICE软件和硬件工程师并行工作是 种发展潮流通过协同设计特别是协同验证技术软件工程师能尽早在真实硬件上测试而硬件工程师能尽早在原形设计周期中验证他们设计嵌入式系统复杂性和多样性不可能有个包打天下统完整解决方案所以不同EDA供应商推出了各种商用嵌入式系统设计环境如有Synopsys公司Co-Centric Studio、Cadence公司“虚拟元件协同设计”（VCC）、CoWare公司“CoWare N2C”等还有世界各地大学也为嵌入式系统设计开发出各种用于特定应用免费工具（3）开发平台 能让产品可靠和迅速上市是嵌入式系统普通要求 为了提高时效过去“切自行设计”模式已逐渐被“尽量采用具有IP产品”所代替这又推动了标准实时操作系统（RTOS）和相应调试技术发展由于32位架构 MPU/MCU资源丰富指令集相对庞大而且系统软件也更加复杂特别当系统有多任务实时保证要求时通常要选用种RTOS作为开发平台来对应用软件中多任务进行调度当系统需要连接Intenet网/实现图形用户界面（GUI）或文件系统（FS）时若采用支持TCP/IP协议栈/GUI/FS嵌入式操作系统可极大地降低复杂多任务系统开发难度RTOS 引入解决了嵌入式软件开发标准化难题促进嵌入式开发软件模块化和可移植化为软件工程化打下基础随着嵌入式系统中软件比重不断上升、应用越来越大这对开发人员知识结构、应用接口和档案组织管理等都提出了新要求引入RTOS相当于引入了种新管理模式对于开发单片机和开发人员都是个飞跃（4）开发语言 在从8/16位MCU向32位转换时 所用软件开发语言也发生了变化过去大部分8/16位MCU都没有太多性能冗余软件编写必须完全适合其有限处理功能因此软件开发大部分用汇编语言编写在8/16位MCU上采用C、PL/M等高级语言编程 再用相关编译器转换成相应机器语言执行早在十几年前就已尝试并推广；但由于当时编译器编译效率还不够高高级语言额外开销相对比较大、运行效率下降再加上8/16位MCU本身处理裕度有限失言进度缓慢最近几年就8/16位MCU而言随着C编译器效率和MCU性能大幅度提高用高级语言代替汇编语言也渐成趋势典型MCU都推出了自己C编译器其中Keil C51编译效率已达到很高水平经过优化用Keil C51编写编译后运行效率甚至要高于普通开发者直接用汇编语言编写2.2 设计者面对 新挑战（1）转变观念 需要熟悉新开发模式嵌入式系统应用不再是过去单 单片机应用模式而是越来截止多样化这可为用户提供更多不同层次选择方案嵌入式系统实现最高形式是片上系统SoC而SoC核心技术是重用和组合IP核构件从单片机应用设计到片上系统设计及其中间系列变化从底层大包大揽设计到利用FPGA和IP模块进行功能组合PsoC/SOPC设计这是个观念转变学习和熟悉新开发模式将会事半功倍地构建功能强大和性能卓越嵌入式系统但同时也给系统设计验证工作提出了许多新挑战（2）进入 技术门槛提高需要学习全新RTOS技术现代高端嵌入式系统都是建立在RTOS基础上 这对于未受过计算机专业训练各专业领域工程技术人员来说需要学习全新RTOS技术深入了解RTOS工作机制和系统资源配置掌握底层软件、系统软件和应用软件设计和调试方式进入技术门槛要比所熟悉开发方法高得多这对于开发者来说也是个新挑战(3)选择适合 开发工具熟悉新开发环境目前从8位升级到32位 个最大障碍就是开发工具投入32位开发工具要比8位开发工具复杂得多使用技术门槛要高得多同时其投资也要高得多进入32位系统开发工程师不得不面对与8位系统很不相同开发环境如何正确选择处理器架构」
0
相关文章
读者评论
发表评论 |
 |
专注于互联网--专注于架构 |
最新标签 网站地图 文章索引 Rss订阅 |
