開放源碼硬件簡(jiǎn)史

1.1 開放源碼硬件史前時(shí)代 

早在60,70 年代，電子愛好者就開始互相交流電路設(shè)計(jì)，PCB版圖， 形成了開放源碼硬件的雛形。 在中國， 這個(gè)時(shí)期，出現(xiàn)了很多以業(yè)余無線電和電子設(shè)計(jì)為主題的書刊，雜志。 

集成電路出現(xiàn)后，越來越多的功能集成在一個(gè)芯片中， 電路越來越復(fù)雜， 設(shè)計(jì)制造集成電路的門檻越來越高， 開放和共享集成電路設(shè)計(jì)變得越來越困難。 

ISA（指令集構(gòu)架）的出現(xiàn)， 使得電子行業(yè)出現(xiàn)了軟件和硬件大分工， 硬件廠商大規(guī)模生產(chǎn)具有ISA的芯片（如微處理器），以取得芯片生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)， 軟件廠商進(jìn)行軟件開發(fā)，以適應(yīng)不同應(yīng)用之間個(gè)性化的需要。 

標(biāo)準(zhǔn)的ISA, 比如X86指令集，加上標(biāo)準(zhǔn)的硬件構(gòu)架， 比如PC,   使得軟件開發(fā)人員可以在同一平臺(tái)上互相交流軟件設(shè)計(jì)， 這導(dǎo)致了90年代開放源碼軟件的蓬勃發(fā)展。  

芯片設(shè)計(jì)，在80年代90年代， 隨著EDA技術(shù)的日臻完善，硬件設(shè)計(jì)越來越自動(dòng)化，以HDL語言為核心的芯片設(shè)計(jì)越來越像軟件設(shè)計(jì)。 

90年代末， 隨著互聯(lián)網(wǎng)以及開放源碼軟件的盛行， 很自然地， 人們就想到，可以利用開放源碼軟件的理念進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)， 尤其是芯片設(shè)計(jì)。 

由于芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性， 一次設(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)難度是相當(dāng)大的， 因此， 開放源碼硬件社區(qū)通常采用的自底而上的方法進(jìn)行，也就是，先設(shè)計(jì)小的功能模塊，（稱為芯核，core, 或者IP）,  每個(gè)功能模塊都工作正常了，再搭建大的系統(tǒng)， 比如片上系統(tǒng)（SOC）.   

1.2 開放源碼硬件的產(chǎn)生
 
1998年，Delft University of Technology 的一些學(xué)生和老師在互連網(wǎng)上發(fā)起Open Design Circuits Group, 目的是開放電路設(shè)計(jì)并把它發(fā)布在網(wǎng)上，盡管這個(gè)小組的活動(dòng)逐漸稀少， 但它啟發(fā)了后來最著名的兩個(gè)開放源碼硬件網(wǎng)站的產(chǎn)生：Opencores 和 OpenIPcore.  越來越多的學(xué)校學(xué)生選擇把他們的設(shè)計(jì)公布到網(wǎng)上，并把許多功能集成到一起，以期完成很復(fù)雜的功能。 在2000年的時(shí)候，OpenIPcore 合并入Opencores. 

Jamil Khatib是Opencores的中的教父級(jí)的人物，1975年出生的他，寫了非常多的奠基性的文檔，探討開放源碼硬件的定義以及商業(yè)模式，參與了最早的F-CPU,gEDA等項(xiàng)目的開發(fā),　 2006年他在Brandenburg University大學(xué)念研究生。作為阿拉伯人，他的還專門撰文探討了開放源碼硬件如何對(duì)阿拉伯世界的技術(shù)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生影響?！∷踔吝€建議在互聯(lián)網(wǎng)上除了http之外，還需要添加Hardware Computing Resource Protocol ，比如說 ``hcrp://''，專門用來進(jìn)行硬件資源下載.

隨著芯片設(shè)計(jì)越來越大，芯片設(shè)計(jì)越來越向SOC方向邁進(jìn)，也就是在一個(gè)芯片中集成很多現(xiàn)有的IP核，以達(dá)到快速設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的目的。這時(shí)，IP核的可重用性和可更改性就成了最關(guān)鍵的問題。而開放源碼的IP核的無疑在這方面具有先天優(yōu)勢(shì)。因此，很多商業(yè)公司也逐漸加入了開放源碼硬件的行列，例如，SUN公司，IBM公司。商業(yè)公司進(jìn)行開放源碼往往是有附加條件的，比如，對(duì)于學(xué)術(shù)界免費(fèi)，但是如果商業(yè)應(yīng)用，仍需要收費(fèi)?！?

1.3 開放源碼硬件現(xiàn)狀

目前，開放源碼的硬件中比較著名的項(xiàng)目有：F-CPU是第一個(gè)在互連網(wǎng)上設(shè)計(jì)的處理器，　OpenCores中的OpenRISC項(xiàng)目，試圖開發(fā)一個(gè)完全免費(fèi)的RISC構(gòu)架的處理器以及之上的SOC,    歐洲航天局（ESA）開發(fā)的Sparc兼容的Leon2處理器?！?

與開放源碼軟件的完全免費(fèi)不同， 開放源碼硬件最終要物理實(shí)現(xiàn)才能驗(yàn)證其設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目的。 可編程邏輯器件(PLD)， 特別是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）， 以其快速靈活，初期投入成本低廉， 成為開放源碼硬件最適合的開發(fā)平臺(tái)。因此，Opencores的設(shè)計(jì)主要都是在FPGA上進(jìn)行。

為了讓開放源碼社區(qū)的項(xiàng)目易于共同開發(fā)和溝通，通常會(huì)提供統(tǒng)一的開發(fā)板使用，例如，Opencores 社區(qū)廣泛使用的Micro FPGABoard和OCRP-1 board這兩款開發(fā)板，就是統(tǒng)一采用Xilinx公司的Vertix系列FPGA設(shè)計(jì)的。大名鼎鼎的OpenRisc1000 就是在這塊板上開發(fā)設(shè)計(jì)的。　

近年來，很多開放源碼的處理器及總線基本開發(fā)完成，下一步就是在上面運(yùn)行操作系統(tǒng)，編寫各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序， 并配上豐富的應(yīng)用軟件。目前，Leon2 和Openrisc 1200 均可以成功運(yùn)行Linux系統(tǒng)，為開放源碼硬件和開放源碼軟件的社區(qū)融合打下了基礎(chǔ)。　

1.4 中國開放源碼硬件發(fā)展?fàn)顩r

中國有案可查的開放源碼硬件項(xiàng)目是2001年3月啟動(dòng)的OpenARM項(xiàng)目， OpenARM并不像他的名字所隱含的那樣ARM處理器的設(shè)計(jì)相關(guān)。實(shí)際上，這個(gè)項(xiàng)目只是利用了現(xiàn)成的ARM 芯片，外面加上一塊MEMEC 公司2002年3月（現(xiàn)已被Avenet收購）捐贈(zèng)的Xilinx FPGA作為外圍擴(kuò)展的模塊。  FPGA的引入? 使得該設(shè)計(jì)可以很容易地用HDL 代碼的形式進(jìn)行管理和跟蹤。該項(xiàng)目后期還充分引入了OpenCores社區(qū)已有的成果，如Wishbone總線。　

有趣的是，開放源碼軟件庫sourceforge中也有一個(gè)OpenARM, 這個(gè)項(xiàng)目的ARM指的是”Application Response Measurement” ，　而不是我們所說的ARM 處理器。

在“中國芯“盛行的幾年里，不少學(xué)校和研究單位參考開放源碼的處理器設(shè)計(jì)了自己的微處理器，這個(gè)時(shí)期，中國利用開放源碼硬件的資源進(jìn)行IC設(shè)計(jì)的方法開始悄然流行。

1.5 開放源碼硬件展望

擺在開放源碼硬件支持者面前的一個(gè)頗有趣的問題是，”如果你要自己做一頓免費(fèi)的晚餐，那么是否你做飯用米必須是自己種的，做飯用的 鍋碗瓢盆也必須是免費(fèi)獲得的 ?”.   

一部分開放源碼的信仰者堅(jiān)持認(rèn)為上述問題的答案是肯定的。因此，有一些人堅(jiān)持開發(fā)了例如gEDA 的開放源碼EDA工具。　另一部分人則認(rèn)為，　開放源碼硬件也可以利用商業(yè)工具和商業(yè)原材料， 只要在此基礎(chǔ)上做的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開放出來就可以了。 

在利用商業(yè)工具進(jìn)行開放源碼的設(shè)計(jì)方面， Xilinx 公司走在了業(yè)界前列， 例如，Xilinx公司開發(fā)的８位軟處理器Picoblaze 是一種開放源碼的８微處理器，而Xilinx公司的３２位軟處理器Micoblaze是在Xilinx公司EDK軟件下支持的處理器，Xilinx公司給出了非常多的可供下載的參考設(shè)計(jì)，頗具參考價(jià)值。 再加上對(duì)uclinux的官方支持，可以在Xilinx提供的EDK工具的基礎(chǔ)上，利用Xilinx的參考設(shè)計(jì)并加以改進(jìn)， 迅速搭建嵌入式系統(tǒng)， 并在uclinux的基礎(chǔ)上完成應(yīng)用軟件設(shè)計(jì).  

在Xilinx 率先宣布65nm 的FPGA量產(chǎn)時(shí)， 廣大開放源碼硬件愛好者面臨的是可以容納數(shù)千萬門的可編程邏輯。 傳統(tǒng)的自底而上的設(shè)計(jì)很難快速地構(gòu)建如此大的系統(tǒng)。 電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)（ESL） 可以用高層次語言來描述系統(tǒng)需求，并自動(dòng)生成硬件設(shè)計(jì)。例如，Xilinx的XtremeDSP方案, 可以在Matlab中，用Simulink這種圖形化的方式搭建復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)（例如3G/B3G數(shù)字前端）， 

在開放源碼硬件世界， 也出現(xiàn)了諸如利用SystemC等高層次語言描述的系統(tǒng)（例如SystemCDES）.  可以預(yù)計(jì)，隨著開放源碼硬件進(jìn)一步普及和成熟，軟件，硬件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，算法設(shè)計(jì)等會(huì)在開放源碼的旗幟下日趨融合，  數(shù)年之后，可下載的硬件設(shè)計(jì) （Downloadable Hardware）可以出現(xiàn)在每個(gè)人的掌上。 

1.6 開放源碼硬件遇到的挑戰(zhàn)

開放源碼硬件從誕生到現(xiàn)在將近１０年了，很多人為它的發(fā)展付出了大量的努力，　但至今采用開放源碼硬件運(yùn)用在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的案例幾乎沒有。究其原因，開放源碼硬件面臨的問題和挑戰(zhàn)主要有：

1)免費(fèi)EDA工具的獲取?！?

盡管有Alliance 和 gEDA 等EDA工具可供使用，但它的功能和易用性和商業(yè)EDA軟件相比還是不能相提并論?！?duì)于“非完美主義”的開放源碼硬件設(shè)計(jì)者來說，適當(dāng)采用商業(yè)軟件是一個(gè)可以考慮的方案?！≡谏虡I(yè)軟件中，由于FPGA廠商的軟件工具（比如XILINX的ISE, EDK,CHIPSCOPE,SYSTEM GENERATOR等）可以通過大學(xué)計(jì)劃獲得捐贈(zèng)，使得利用強(qiáng)大商業(yè)軟件的支持進(jìn)行開放源碼硬件設(shè)計(jì)變得可能。　

2)板卡制造成本

自己制作一塊FPGA原型系統(tǒng)板的成本是相當(dāng)可觀的，　

3)上市時(shí)間

在電子產(chǎn)品數(shù)月就換代的時(shí)代，上市時(shí)間是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，即使是采用商業(yè)IP,  都有可能遇到意想不到的整合問題；而 目前開放源碼硬件在文檔完備性，穩(wěn)定性上，技術(shù)支持方面存在的諸多問題，更是使務(wù)實(shí)的設(shè)計(jì)者望而確步。

4)軟件豐富性和工具鏈問題

如果采用開放源碼的處理器，這就意味著從指令集到編譯器到調(diào)試器都是重新開發(fā)的，幾乎所有的軟件都需要移植和重新編譯，這使得開放源碼的處理器的開發(fā)尤其困難。如果設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)，人們更關(guān)心的是如何能解決問題。　商業(yè)處理器更能滿足這種需要。

5)廠商支持

 Linux得以蓬勃發(fā)展，除了廣大愛好者的奉獻(xiàn)之外，IBM 等大公司的積極推動(dòng)也起了非常大的作用。 而開放源碼硬件的發(fā)展，也離不開相關(guān)硬件廠商的支持?！?

正是由于這些挑戰(zhàn)的存在，開放源碼硬件的活動(dòng)目前更多的集中在大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)中，尤其在不發(fā)達(dá)國家中，更多得起著硬件設(shè)計(jì)知識(shí)傳播的作用。