嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)即將進(jìn)入軟核時(shí)代

嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可剪裁(可編程，可重構(gòu))的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)自其誕生以來(lái)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的風(fēng)風(fēng)雨雨。在展望未來(lái)之前，我們先來(lái)大致回顧一下嵌入式系統(tǒng)的歷史。1987年到1997年的十年是ASIC風(fēng)行的十年，而后的十年，也就是1997年到2007年是現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的大好時(shí)光，制造標(biāo)準(zhǔn)化但應(yīng)用定制化是這個(gè)階段的明顯特征，而2007年后，用戶可重構(gòu)和可自動(dòng)配置的SoC和SIP將成為下一個(gè)嵌入式系統(tǒng)核心技術(shù)發(fā)展階段的主流。 



上圖通過(guò)我國(guó)科學(xué)家許居衍院士發(fā)表的“許氏循環(huán)”以及日本科學(xué)家牧本次夫的“牧本浪潮”(Makimoto's Wave)總結(jié)和預(yù)測(cè)了嵌入式系統(tǒng)核心技術(shù)的發(fā)展規(guī)律。通過(guò)這張圖我們不難看出應(yīng)用微電子技術(shù)成果之上的嵌入式系統(tǒng)的演進(jìn)過(guò)程。歷史上的嵌入式系統(tǒng)硬件規(guī)模龐大，特別是多CPU 容錯(cuò)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試都是很復(fù)雜的技術(shù)工作，隨著無(wú)止境的應(yīng)用需求的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的小型化，對(duì)功能、可靠性、成本以及功耗的更嚴(yán)格要求以及對(duì)嵌入式系統(tǒng)智能化趨勢(shì)的追求，“現(xiàn)場(chǎng)”可編程與可重構(gòu)性變得非常重要。1977到1987年的十年是嵌入式系統(tǒng)微處理器時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)通過(guò)對(duì)微處理器和微控制器軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)板極的功能，隨著時(shí)代的發(fā)展與科學(xué)的進(jìn)步，軟編程已經(jīng)漸漸不能適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)對(duì)于板極功能實(shí)現(xiàn)的要求，于是，就出現(xiàn)了硬編程這一概念。所謂硬編程就是指將事先描述好的HDL語(yǔ)言程序?qū)懭氲叫酒瑑?nèi)部，實(shí)現(xiàn)板極的功能，也就是我們通常所說(shuō)的可編程邏輯器件FPGA。通過(guò)“許氏循環(huán)”，我們不難發(fā)現(xiàn)一個(gè)時(shí)間規(guī)律，那就是每隔10年
就會(huì)有一種新的嵌入式工程技術(shù)得到快速發(fā)展和普及應(yīng)用(一種半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)明與普及應(yīng)用有約10年的滯后)。2003年以前，業(yè)界更多強(qiáng)調(diào)的是在嵌入式系統(tǒng)中基于FPGA的硬可編程性，2004年，在嵌入式系統(tǒng)原有硬件的基礎(chǔ)上，在FPGA中加入了軟核處理器，使得FPGA具有軟可編程性。當(dāng)今，嵌入式系統(tǒng)對(duì)軟硬雙可編程提出了需求，軟核進(jìn)入FPGA成為了時(shí)代的需要，因此嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也隨之進(jìn)入了軟核（Soft Core）時(shí)代。就目前而言，F(xiàn)PGA的利用率已經(jīng)超過(guò)了90％，應(yīng)用FPGA的產(chǎn)品也廣泛出現(xiàn)在我們的日常生活之中，如PDP/LCD電視，投影儀，DVD等等。此外，手持設(shè)備、工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備以及汽車電子領(lǐng)域也都是FPGA可以大展拳腳的應(yīng)用領(lǐng)域。而如何實(shí)現(xiàn)FPGA的高利用率也就成為了目前嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。就目前而言，可以從三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)FPGA的高利用率。(1)工藝上的創(chuàng)新，通過(guò)采用7到10層的金屬層大大提高了FPGA的利用率和布線成功率。(2)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，通過(guò)靈活的內(nèi)部可配置功能模塊和在FPGA中不斷完善I/O、DSP和存儲(chǔ)器等功能提高性能。(3)EDA設(shè)計(jì)平臺(tái)的創(chuàng)新，使得FPGA設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的門檻大為降低，更具有可用性。 

我們究竟需要一種什么樣的FPGA支持工具才能適應(yīng)當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要呢？
(1)快速的FPGA片上系統(tǒng)開(kāi)發(fā)(2)集成的軟/硬件開(kāi)發(fā)(3)獨(dú)立各FPGA廠商并且支持多種體系結(jié)構(gòu)(4)融合了元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)(5)易學(xué)且低價(jià)，功能齊全，元件庫(kù)完備的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括了IP內(nèi)核和CPU仿真測(cè)試和debug開(kāi)發(fā)平臺(tái)。而這也正是我們所謂的基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)。基于這種需求，Altium公司(投資上億美元?dú)v時(shí)三年時(shí)間并為此收購(gòu)了業(yè)界著名的嵌入式軟件公司TASKING)于2004年開(kāi)發(fā)并推出了稱之為Nexar 2004的EDA平臺(tái)。該軟件包含多種設(shè)計(jì)導(dǎo)入方式，集成了VHDL仿真和合成，包含了各種處理器內(nèi)核的大型免使用費(fèi)IP庫(kù)，集成了嵌入式軟件設(shè)計(jì)工具。該軟件的推出對(duì)IC設(shè)計(jì)普遍化有著特別的意義。它提供了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的EDA平臺(tái)，集設(shè)計(jì)，驗(yàn)證，測(cè)試綜合于一體，支持雙屏CRT，是基于PCB/FPGA/SoC的EDA工作站，為嵌入式系統(tǒng)多CPU核設(shè)計(jì)提供了實(shí)現(xiàn)手段，消除了PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性、EMC、來(lái)自不同廠商的SMD器件的封裝、測(cè)試、訂貨、缺貨等困擾，提升了效率，此外,它基于FPGA實(shí)現(xiàn)用戶可重構(gòu)的SoC(上市速度快，生命周期長(zhǎng))。因此，Nexar 2004的推出很好的解決了目前我們對(duì)于FPGA支持工具的需求。它在很大程度上推動(dòng)了FPGA乃至整個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。在FPGA中嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以方便地使用基于SoC設(shè)計(jì)中IP重用的思想和方法，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通過(guò)使用高水平的嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)，原來(lái)很多基于PCB設(shè)計(jì)的硬件工程師告訴我，從某種意義上來(lái)講，F(xiàn)PGA就像PCB一樣，可自由布線并實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，過(guò)去常用的單片機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯電路（ASSP）可用存儲(chǔ)在PC硬盤中的IP庫(kù)來(lái)替代（節(jié)省了SMD封裝的物理芯片），顯然，沒(méi)有EDA工具很難實(shí)現(xiàn)這樣的嵌入式系統(tǒng)。 

因此我們可以預(yù)見(jiàn)：傳統(tǒng)的MCU和ASSP供應(yīng)商市場(chǎng)份額將會(huì)下降，F(xiàn)PGA會(huì)更大規(guī)模的應(yīng)用，數(shù)字處理方法將占據(jù)嵌入式系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。而不斷改進(jìn)的FPGA支持工具，使FPGA開(kāi)發(fā)速度得到了提升，特別是出現(xiàn)了基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)，從普及意義上來(lái)講，它的出現(xiàn)使基于FPGA設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)成為可能。就目前的趨勢(shì)而言，嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)非常重要(如Nexar)，目前的設(shè)計(jì)要求各種獨(dú)立的軟件工具可以在一個(gè)無(wú)縫隙的平臺(tái)上協(xié)同工作。而由于目前嵌入式系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)速度跟不上硬件設(shè)計(jì)的速度（公司硬軟件人員比為1：7），硬件電路設(shè)計(jì)跟不上半導(dǎo)體工藝的發(fā)展速度，因此可以這樣說(shuō)，半導(dǎo)體工業(yè)通過(guò)提供優(yōu)質(zhì)的FPGA把更多的應(yīng)用設(shè)計(jì)空間和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間留給了我們嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者。嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)將變的必不可少！由此也可以看出，我們即將面臨的是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟核時(shí)代。

展望未來(lái)，SoC已經(jīng)成為嵌入式設(shè)計(jì)者的理想，而可自動(dòng)配置的SoC/SIP(SIP：Silicon In Package)也將成為下一個(gè)10年（2007年到2017年）嵌入式系統(tǒng)的主流。軟硬雙編程將逐步取代不能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的硬編程，成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方式。而SoC時(shí)代的到來(lái)也就意味著成千上萬(wàn)的嵌入式系統(tǒng)工程師可以實(shí)現(xiàn)他們夢(mèng)想，將自己設(shè)計(jì)的板子變成芯片。而這也正是SoC的含義：System on Chip?？梢哉f(shuō)，未來(lái)5年內(nèi)大量產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的IP是為嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入軟硬雙編程的SoC時(shí)代打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)的必由之路。

SoC設(shè)計(jì)技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒂鷣?lái)愈復(fù)雜的功能集成到單硅片上，SoC正是在集成電路（IC）向集成系統(tǒng)（IS）轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。SoC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準(zhǔn)確定義。從狹義角度講，它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SoC是一個(gè)微小型系統(tǒng)，如果說(shuō)中央處理器（CPU）是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界一般傾向?qū)oC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器（或片外存儲(chǔ)控制接口）集成在單一芯片上。它擁有獨(dú)立的處理器以及固定基礎(chǔ)的軟件，通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。SoC技術(shù)的一大發(fā)展趨勢(shì)是基于平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，分享IP核開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成成果，不斷重整價(jià)值鏈,在關(guān)注面積、延遲、功耗的基礎(chǔ)上，向成品率、可靠性、EMI噪聲、成本、易用性等轉(zhuǎn)移，使系統(tǒng)級(jí)集成能力快速發(fā)展。SoC設(shè)計(jì)準(zhǔn)入的最大門檻是專門技術(shù)、IP庫(kù)、SoC總線架構(gòu)和嵌入式軟件（包括BIOS、OS）支持，需要廣泛的多功能IP核和將客戶邏輯與之集成在一起的設(shè)計(jì)藝術(shù)，以滿足客戶產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的需求。同時(shí)許多第三方IP核供應(yīng)商由此可以得到快速發(fā)展，它們的成功要么是具有獨(dú)一無(wú)二的且極具價(jià)值的IP核，要么是具有良好聲譽(yù)的IP庫(kù)。SoC設(shè)計(jì)者通過(guò)重用經(jīng)過(guò)證明了的IP，不僅利用了最新工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且減少了開(kāi)發(fā)周期和風(fēng)險(xiǎn)。SoC技術(shù)將引領(lǐng)新一代嵌入式處理器的技術(shù)發(fā)展，以嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用為核心，集軟、硬件于一體，并在系統(tǒng)集成中追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容性，能成功實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的協(xié)作與融合。SoC設(shè)計(jì)技術(shù)為計(jì)算機(jī)專業(yè)人才介入IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一個(gè)機(jī)會(huì)。不僅在SoC芯片設(shè)計(jì)上需要較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)背景知識(shí)，而且SoC突出了軟件開(kāi)發(fā)的比重，需要計(jì)算機(jī)專業(yè)人士的介入，需要提供良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和嵌入式操作系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，無(wú)論是現(xiàn)在的FPGA還是未來(lái)的客戶訂制型SoC， IP庫(kù)都對(duì)嵌入式設(shè)計(jì)有著極其重要的作用。 在90年代，SoC基本上由1個(gè)片上CPU＋邏輯＋I(xiàn)/O端口組成，而進(jìn)入2000年后的第二代SoC的重要特征則是包含了多個(gè)可配置處理器的I/O端口。下一代SoC就是一個(gè)處理器數(shù)量可縮放的集合體，這種趨勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一個(gè)是每片芯片的處理器數(shù)量會(huì)以每年30％的速度遞增，在下一個(gè)十年內(nèi)，每片芯片的處理器數(shù)量會(huì)超過(guò)1000個(gè)，而在另一方面，芯片每面的可編程運(yùn)算能力也會(huì)以每年65％的速度遞增。利用嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)在FPGA上學(xué)習(xí)和實(shí)踐多CPU核設(shè)計(jì)技術(shù)和積累經(jīng)驗(yàn)對(duì)培訓(xùn)千萬(wàn)名未來(lái)的ES工程師是一種很現(xiàn)實(shí)的選擇。

有材料表明：世界芯片復(fù)雜度的年增長(zhǎng)58%，而IC設(shè)計(jì)能力的年增長(zhǎng)僅為20%，由此看出，世界集成電路設(shè)計(jì)能力的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上芯片復(fù)雜度增長(zhǎng)的速度，這為集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)提供了難得的發(fā)展機(jī)會(huì)。面對(duì)集成電路向SoC的轉(zhuǎn)型，我國(guó)實(shí)現(xiàn)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)跨越的一個(gè)歷史機(jī)遇正在來(lái)臨。因此許多專家建議，我國(guó)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展芯片設(shè)計(jì)業(yè)，特別重視SoC提供的發(fā)展機(jī)會(huì)。

嵌入式系統(tǒng)自其問(wèn)世以來(lái)就一直受到廣泛的關(guān)注，嵌入式系統(tǒng)的水平也在很大程度上決定著全社會(huì)的科技水平。從過(guò)去一路走來(lái)，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)歷了由模擬向數(shù)字的演進(jìn)過(guò)程，在未來(lái)的20年內(nèi)可能又將逐步演進(jìn)為數(shù)模并存的情形。由最初軟件編程主宰的MPU（嵌入式微處理器、DSP、單片機(jī)）到以往的硬編程主宰的ASIC時(shí)代直到今天的FPGA時(shí)代，可以說(shuō)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)在走過(guò)了一段相當(dāng)長(zhǎng)歲月的同時(shí)，其核心技術(shù)沿著“許氏循環(huán)“的浪潮不斷前行，設(shè)計(jì)平臺(tái)也通過(guò)科技的進(jìn)步不斷完善自身。隨著即將到來(lái)的客戶訂制型SoC/SIP以及U－SoC，我們即將進(jìn)入的是一個(gè)軟硬雙可編程的嵌入式系統(tǒng)時(shí)代。就目前而言，我們正處于一個(gè)硬編程向軟硬雙可編程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)渡時(shí)期，因此可以這么說(shuō)，我們現(xiàn)在即將進(jìn)入的是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟核時(shí)代。

總結(jié)
輕、薄、短、小、低功耗、高可靠性是嵌入式系統(tǒng)永遠(yuǎn)追求的方向，顯然用半導(dǎo)體工程技術(shù)和EDA 平臺(tái)在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)是千萬(wàn)人為之努力的目標(biāo)。SoC是基于IP重用和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的產(chǎn)物。對(duì)于今天的ES（Embedded System）工程師來(lái)說(shuō)在嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)上基于FPGA設(shè)計(jì)SoC可能是必然的選擇。