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嵌入式系統(tǒng)設計方法的演化—從單片機到單片系統(tǒng)
摘要：在介紹嵌入式系統(tǒng)設計方法變化背景的基礎(chǔ)上，綜述嵌入式系統(tǒng)設計方法的不同層次，從單片 機應用到單片系統(tǒng)設計的演化，并提出了發(fā)展戰(zhàn)略。一、嵌入式系統(tǒng)設計方法變化的背景
嵌入式系統(tǒng)設計方法的演化總的來說是因為應用需求的牽引和IT技術(shù)的推動。
1.隨著微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高。硅材料與人類智慧的結(jié)合，生產(chǎn)出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊，推動了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的器件可編程思想和微處理（器）技術(shù)可以用軟件來改變和實現(xiàn)硬件的功能。微處理器和各種可編程大規(guī)模集成專用電路、半定制器件的大量應用，開創(chuàng)了一個嶄新的應用世界，以至廣泛影響著并在逐步改變著人類的生產(chǎn)、生活和學習等社會活動。
2.計算機硬件平臺性能的大幅度提高，使很多復雜算法和方便使用的界面得以實現(xiàn)，大大提高了工作效率，給復雜嵌入式系統(tǒng)輔助設計提供了物理基礎(chǔ)。
3.高性能的EDA綜合開發(fā)工具（平臺）得到長足發(fā)展，而且其自動化和智能化程度不斷提高，為復雜的嵌入式系統(tǒng)設計提供了不同用途和不同級別集編輯、布局、布線、編譯、綜合、模擬、測試、驗證和器件編程等一體化的易于學習和方便使用的開發(fā)集成環(huán)境。
4.硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)的發(fā)展為復雜電子系統(tǒng)設計提供了建立各種硬件模型的工作媒介。它的描述能力和抽象能力強，給硬件電路，特別是半定制大規(guī)模集成電路設計帶來了重大的變革。目前，用得較多的有已成為IEEE為 STD1076標準的VHDL、IEEE STD 1364標準的Verilog HDL和Altera公司企業(yè)標準的AHDL等。
由于HDL的發(fā)展和標準化，世界上出現(xiàn)了一批利用HDL進行各種集成電路功能模塊專業(yè)設計的公司。其任務是按常用或?qū)Ｓ霉δ�，用HDL來描述集成電路的功能和結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過不同級別的驗證形成不同級別的IP內(nèi)核模塊，供芯片設計人員裝配或集成選用。
IP（Intellectual Property）內(nèi)核模塊是一種預先設計好的甚至已經(jīng)過驗證的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有幾種不同形式。IP內(nèi)核模塊有行為（behavior）、結(jié)構(gòu)（structure）和物理（physical）3級不同程度的設計，對應有主要描述功能行為的“軟IP內(nèi)核(soft IP core)”、完成結(jié)構(gòu)描述的“固IP內(nèi)核(firm IP core)”和基于物理描述并經(jīng)過工藝驗證的“硬IP內(nèi)核(hard IP core)”3個層次。這相當于集成電路（器件或部件）的毛坯、半成品和成品的設計技術(shù)。
軟IP內(nèi)核通常是用某種HDL文本提交用戶，它已經(jīng)過行為級設計優(yōu)化和功能驗證，但其中不含有任何具體的物理信息。據(jù)此，用戶可以綜合出正確的門電路級網(wǎng)表，并可以進行后續(xù)結(jié)構(gòu)設計，具有最大的靈活性，可以很容易地借助于EDA綜合工具與其他外部邏輯電路結(jié)合成一體，根據(jù)各種不同的半導體工藝，設計成具有不同性能的器件�？梢陨唐坊能汭P內(nèi)核一般電路結(jié)構(gòu)總門數(shù)都在5000門以上。但是，如果后續(xù)設計不當，有可能導致整個結(jié)果失敗。軟IP內(nèi)核又稱作虛擬器件。
硬IP內(nèi)核是基于某種半導體工藝的物理設計，已有固定的拓撲布局和具體工藝，并已經(jīng)過工藝驗證，具有可保證的性能。其提供給用戶的形式是電路物理結(jié)構(gòu)掩模版圖和全套工藝文件，是可以拿來就用的全套技術(shù)。
固IP內(nèi)核的設計深度則是介于軟IP內(nèi)核和硬IP內(nèi)核之間，除了完成硬IP內(nèi)核所有的設計外，還完成了門電路級綜合和時序仿真等設計環(huán)節(jié)。一般以門電路級網(wǎng)表形式提交用戶使用。
TI，Philips和Atmel等廠商就是通過Intel授權(quán)，用其MCS51的IP內(nèi)核模塊結(jié)合自己的特長開發(fā)出有個性的與Intel MCS51兼容的單片機。
常用的IP內(nèi)核模塊有各種不同的CPU(32/64位CISC/RISC結(jié)構(gòu)的CPU或8/16位微控制器/單片機，如8051等)、32/64位DSP（如320C30）、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCI、標準接口、網(wǎng)絡單元、編譯器、編碼/解碼器和模擬器件模塊等。豐富的IP內(nèi)核模塊庫為快速地設計專用集成電路和單片系統(tǒng)以及盡快占領(lǐng)市場提供了基本保證。
5.軟件技術(shù)的進步，特別是嵌入式實時操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operation System）的推出，為開發(fā)復雜嵌入式系統(tǒng)應用軟件提供了底層支持和高效率開發(fā)平臺。EOS是一種功能強大、應用廣泛的實時多任務系統(tǒng)軟件。它一般都具有操作系統(tǒng)所具有的各種系統(tǒng)資源管理功能，用戶可以通過應用程序接口API調(diào)用函數(shù)形式來實現(xiàn)各種資源管理。用戶程序可以在EOS的基礎(chǔ)上開發(fā)并運行。它與通用系統(tǒng)機中的OS相比，主要有系統(tǒng)內(nèi)核短小精悍、開銷小、實時性強和可靠性高等特點。完善的EOS還提供各種設備的驅(qū)動程序。為了適應網(wǎng)絡應用和Internet應用。還可以提供TCP/IP協(xié)議支持。目前流行的EOS有3Com公司的Palm OS、Microsoft公司的Windows CE和Windows NT Embedded4.0、日本東京大學的Tron和各種開放源代碼的嵌入式Linux以及國內(nèi)開發(fā)成功的凱思集團的Hopen OS和浙江大學的HBOS。
二、嵌入式系統(tǒng)設計方法的變化
過去擅長于軟件設計的編程人員一般對硬件電路設計“敬而遠之”，硬件設計和軟件設計被認為是性質(zhì)完全不同的技術(shù)。
隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子工程出身的設計人員，往往還逐步涉足軟件編程。其主要形式是通過微控制器（國內(nèi)習慣稱作單片機）的應用，學會相應的匯編語言編程。在設計規(guī)模更大的集散控制系統(tǒng)時，必然要用到已普及的PC機，以其為上端機，從而進一步學習使用Quick BASIC，C，C ，VC和VB等高級語言編程作系統(tǒng)程序，設計系統(tǒng)界面，通過與單片機控制的前端機進行多機通信構(gòu)成集中分布控制系統(tǒng)。
軟件編程出身的設計人員則很少有興趣去學習應用電路設計。但是，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是硬件描述語言HDL的發(fā)明，系統(tǒng)硬件設計方法發(fā)生了變化，數(shù)字系統(tǒng)的硬件組成及其行為完全可以用HDL來描述和仿真。在這種情況下，設計硬件電路不再是硬件設計工程師的專利，擅長軟件編程的設計人員可以借助于HDL工具來描述硬件電路的行為、功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、信號連接關(guān)系和定時關(guān)系，設計出滿足各種要求的硬件系統(tǒng)。
EDA工具允許有兩種設計輸入工具，分別適應硬件電路設計人員和軟件編程人員兩種不同背景的需要。讓具有硬件背景的設計人員用已習慣的原理圖輸入方式，而讓
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