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嵌入式系统的设计方法与设计层次

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供稿:中国工控网 2016/5/19 16:05:31

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嵌入式系统设计方法

  过去擅长于软件设计的编程人员一般对硬件电路设计“敬而远之”,硬件设计和软件设计被认为是性质完全不同的技术。

  随着电子信息技术的发展,电子工程出身的设计人员,往往还逐步涉足软件编程。其主要形式是通过微控制器(国内习惯称作单片机)的应用,学会相应的汇编语言编程。在设计规模更大的集散控制系统时,必然要用到已普及的PC机,以其为上端机,从而进一步学习使用Quick BASIC,C,C++,VC和VB等高级语言编程作系统程序,设计系统界面,通过与单片机控制的前端机进行多机通信构成集中分布控制系统。

  软件编程出身的设计人员则很少有兴趣去学习应用电路设计。但是,随着计算机技术的飞速发展,特别是硬件描述语言HDL的发明,系统硬件设计方法发生了变化,数字系统的硬件组成及其行为完全可以用HDL来描述和仿真。在这种情况下,设计硬件电路不再是硬件设计工程师的专利,擅长软件编程的设计人员可以借助于HDL工具来描述硬件电路的行为、功能、结构、数据流、信号连接关系和定时关系,设计出满足各种要求的硬件系统。

  EDA工具允许有两种设计输入工具,分别适应硬件电路设计人员和软件编程人员两种不同背景的需要。让具有硬件背景的设计人员用已习惯的原理图输入方式,而让具有软件背景的设计人员用硬件描述语言输入方式。由于用HDL描述进行输入,因而与系统行为描述更接近,且更便于综合、时域传递和修改,还能建立独立于工艺的设计文件,所以,擅长软件编程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知识,往往可以比习惯于传统设计的工程师设计出更好的硬件电路和系统。所以,习惯于传统设计的工程师应该学会用HDL来描述和编程。

嵌入式系统设计层次

  嵌入式系统设计有3个不同层次:

  1. 第1层次:以PCB CAD软件和ICE为主要工具的设计方法。

  这是过去直至现在我国单片机应用系统设计人员一直沿用的方法,其步骤是先抽象后具体。

  抽象设计主要是根据嵌入式应用系统要实现的功能要求,对系统功能细化,分成若干功能模块,画出系统功能框图,再对功能模块进行硬件和软件功能实现的分配。

  具体设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用的元器件进行选择和组合,其选择的基本原则就是市场上可以购买到的性价比最高的通用元器件。必要时,须分别对各个没有把握的部分进行搭试、功能检验和性能测试,从模块到系统找到相对优化的方案,画出电路原理图。硬件设计的关键一步就是利用印制板(PCB)计算机辅助设计(CAD)软件对系统的元器件进行布局和布线,接着是印制板加工、装配和硬件调试。

  工作量最大的部分是软件设计。软件设计贯穿整个系统的设计过程,主要包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设计的工作量主要集中在程序调试,所以软件调试工具就是关键。最常用和最有效的工具是在线仿真器(ICE)。

  2. 第2层次:以EDA工具软件和EOS为开发平台的设计方法。

  随着微电子工艺技术的发展,各种通用的可编程半定制逻辑器件应运而生。在硬件设计时,设计师可以利用这些半定制器件,逐步把原先要通过印制板线路互连的若干标准逻辑器件自制成专用集成电路(ASIC)使用,这样,就把印制板布局和布线的复杂性转换成半定制器件内配置的复杂性。然而,半定制器件的设计并不需要设计人员有半导体工艺和片内集成电路布局和布线的知识和经验。随着半定制器件的规模越来越大,可集成的器件越来越多,使印制板上互连器件的线路、装配和调试费用越来越少,不仅大大减少了印制板的面积和接插件的数量,降低了系统综合成本,增加了可编程应用的灵活性,更重要的是降低了系统功耗,提高了系统工作速度,大大提高了系统的可靠性和安全性。

  这样,硬件设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器件,逐步转向自己设计和制作部分专用的集成电路器件,而这些技术是由各种EDA工具软件提供支持的。

  半定制逻辑器件经历了可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑GAL、复杂可编程逻辑器件CPLD和现场可编程门阵列FPGA的发展过程。其趋势是集成度和速度不断提高,功能不断增强,结构趋于更合理,使用变得更灵活和方便。

  设计人员可以利用各种EDA工具和标准的CPLD和FPGA等,设计和自制用户专用的大规模集成电路。然后再通过自下而上的设计方法,把用半定制器件设计自制的集成电路、可编程外围器件、所选择的ASIC与嵌入式微处理器或微控制器在印制板上布局、布线构成系统。

  3. 第3层次:以IP内核库为设计基础,用软硬件协同设计技术的设计方法。

  20世纪90年代后,进一步开始了从“集成电路”级设计不断转向“集成系统”级设计。目前已进入单片系统SOC(System o-n a chip)设计阶段,并开始进入实用阶段。这种设计方法不是把系统所需要用到的所有集成电路简单地二次集成到1个芯片上,如果这样实现单片系统,是不可能达到单片系统所要求的高密度、高速度、高性能、小体积、低电压、低功耗等指标的,特别是低功耗要求。单片系统设计要从整个系统性能要求出发,把微处理器、模型算法、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来,并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计,在单个芯片上完成整个系统的功能。有时也可能把系统做在几个芯片上。因为,实际上并不是所有的系统都能在一个芯片上实现的;还可能因为实现某种单片系统的工艺成本太高,以至于失去商业价值。目前,进入实用的单片系统还属简单的单片系统,如智能IC卡等。但几个著名的半导体厂商正在紧锣密鼓地研制和开发像单片PC这样的复杂单片系统。

  单片系统的设计如果从零开始,这既不现实也无必要。因为除了设计不成熟、未经过时间考验,其系统性能和质量得不到保证外,还会因为设计周期太长而失去商业价值。

  为了加快单片系统设计周期和提高系统的可靠性,目前最有效的一个途径就是通过授权,使用成熟优化的IP内核模块来进行设计集成和二次开发,利用胶粘逻辑技术GLT(Glue Logic Technology),把这些IP内核模块嵌入到SOC中。IP内核模块是单片系统设计的基础,究竟购买哪一级IP内核模块,要根据现有基础、时间、资金和其他条件权衡确定。购买硬IP内核模块风险最小,但付出最大,这是必然的。但总的来说,通过购买IP内核模块不仅可以降低开发风险,还能节省开发费用,因为一般购买IP内核模块的费用要低于自己单独设计和验证的费用。当然,并不是所需要的IP内核模块都可以从市场上买得到。为了垄断市场,有一些公司开发出来的关键IP内核模块(至少暂时)是不愿意授权转让使用的。像这样的IP内核模块就不得不自己组织力量来开发。

  这3个层次各有各的应用范围。从应用开发角度看,在相当长的一段时间内,都是采用前2种方法。第3层次设计方法对一般具体应用人员来说,只能用来设计简单的单片系统。而复杂的单片系统则是某些大的半导体厂商才能设计和实现的,并且用这种方法实现的单片系统,只可能是那些广泛使用、具有一定规模的应用系统才值得投入研制。还有些应用系统,因为技术问题或商业价值问题并不适宜用单片实现。当它们以商品形式推出相应单片系统后,应用人员只要会选用即可。所以,3个层次的设计方法会并存,并不会简单地用后者取代前者。 初级应用设计人员会以第1种方法为主;富有经验的设计人员会以第2种方法为主;很专业的设计人员会用第3种方法进行简单单片系统的设计和应用。但所有的设计人员都可以应用半导体大厂商推出的用第3种方法设计的专用单片系统。

审核编辑(王雪)
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