Linux嵌入式系統(tǒng)的設計方法與設計層次

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技術的推動。

隨著微電子技術的不斷創(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合，生產出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微電子結構模塊，推動了一個全新的技術領域和產業(yè)的發(fā)展。在此基礎上發(fā)展起來的器件可編程思想和微處理(器)技術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、生活和學習等社會活動。

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。

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。

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。其任務是按常用或專用功能，用HDL來描述集成電路的功能和結構，并經過不同級別的驗證形成不同級別的IP內核模塊，供芯片設計人員裝配或集成選用。

IP(Intellectual Property)內核模塊是一種預先設計好的甚至已經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內核模塊有行為(behavior)、結構(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內核(soft IP core)”、完成結構描述的“固IP內核(firm IP core)”和基于物理描述并經過工藝驗證的“硬IP內核(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。

軟IP內核通常是用某種HDL文本提交用戶，它已經過行為級設計優(yōu)化和功能驗證，但其中不含有任何具體的物理信息。據此，用戶可以綜合出正確的門電路級網表，并可以進行后續(xù)結構設計，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合成一體，根據各種不同的半導體工藝，設計成具有不同性能的器件。可以商品化的軟IP內核一般電路結構總門數都在5000門以上。但是，如果后續(xù)設計不當，有可能導致整個結果失敗。軟IP內核又稱作虛擬器件。

硬IP內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構掩模版圖和全套工藝文件，是可以拿來就用的全套技術。

固IP內核的設計深度則是介于軟IP內核和硬IP內核之間，除了完成硬IP內核所有的設計外，還完成了門電路級綜合和時序仿真等設計環(huán)節(jié)。一般以門電路級網表形式提交用戶使用。

TI，Philips和Atmel等廠商就是通過Intel授權，用其MCS51的IP內核模塊結合自己的特長開發(fā)出有個性的與Intel MCS51兼容的單片機。

常用的IP內核模塊有各種不同的CPU(32/64位CISC/RISC結構的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、網絡單元、編譯器、編碼/解碼器和模擬器件模塊等。豐富的IP內核模塊庫為快速地設計專用集成電路和單片系統(tǒng)以及盡快占領市場提供了基本保證。

軟件技術的進步，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調用函數形式來實現(xiàn)各種資源管理。用戶程序可以在EOS的基礎上開發(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動程序。為了適應網絡應用和 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完全不同的技術。

隨著電子信息技術的發(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、結構、數據流、信號連接關系和定時關系，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，而讓具有軟件背景的設計人員用硬件描述語言輸入方式。由于用HDL描述進行輸入，因而與系統(tǒng)行為描述更接近，且更便于綜合、時域傳遞和修改，還能建立獨立于工藝的設計文件，所以，擅長軟件編程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知識，往往可以比習慣于傳統(tǒng)設計的工程師設計出更好的硬件電路和系統(tǒng)。所以，習慣于傳統(tǒng)設計的工程師應該學會用HDL來描述和編程。