嵌入式系統(tǒng)設(shè)計即將進入軟核時代

嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)是以應(yīng)用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可剪裁(可編程，可重構(gòu))的專用計算機系統(tǒng)。它是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)自其誕生以來已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的風(fēng)風(fēng)雨雨。在展望未來之前，我們先來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)場可編程器件的大好時光，制造標準化但應(yīng)用定制化是這個階段的明顯特征，而2007年后，用戶可重構(gòu)和可自動配置的SoC和SIP將成為下一個嵌入式系統(tǒng)核心技術(shù)發(fā)展階段的主流。 



上圖通過我國科學(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)測了嵌入式系統(tǒng)核心技術(shù)的發(fā)展規(guī)律。通過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)的演進過程。歷史上的嵌入式系統(tǒng)硬件規(guī)模龐大，特別是多CPU 容錯系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件調(diào)試都是很復(fù)雜的技術(shù)工作，隨著無止境的應(yīng)用需求的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的小型化，對功能、可靠性、成本以及功耗的更嚴格要求以及對嵌入式系統(tǒng)智能化趨勢的追求，“現(xiàn)場”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)微處理器時代，嵌入式系統(tǒng)通過對微處理器和微控制器軟件編程來實現(xiàn)板極的功能，隨著時代的發(fā)展與科學(xué)的進步，軟編程已經(jīng)漸漸不能適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)對于板極功能實現(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語言程序?qū)懭氲叫酒瑑?nèi)部，實現(xiàn)板極的功能，也就是我們通常所說的可編程邏輯器件FPGA。通過“許氏循環(huán)”，我們不難發(fā)現(xiàn)一個時間規(guī)律，那就是每隔10年
就會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。當今，嵌入式系統(tǒng)對軟硬雙可編程提出了需求，軟核進入FPGA成為了時代的需要，因此嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也隨之進入了軟核（Soft Core）時代。就目前而言，F(xiàn)PGA的利用率已經(jīng)超過了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。而如何實現(xiàn)FPGA的高利用率也就成為了目前嵌入式系統(tǒng)的一個焦點問題。就目前而言，可以從三個方面實現(xiàn)FPGA的高利用率。(1)工藝上的創(chuàng)新，通過采用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和存儲器等功能提高性能。(3)EDA設(shè)計平臺的創(chuàng)新，使得FPGA設(shè)計學(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)當前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的需要呢？
(1)快速的FPGA片上系統(tǒng)開發(fā)(2)集成的軟/硬件開發(fā)(3)獨立各FPGA廠商并且支持多種體系結(jié)構(gòu)(4)融合了元件級和系統(tǒng)級設(shè)計(5)易學(xué)且低價，功能齊全，元件庫完備的設(shè)計系統(tǒng)，包括了IP內(nèi)核和CPU仿真測試和debug開發(fā)平臺。而這也正是我們所謂的基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)EDA平臺?；谶@種需求，Altium公司(投資上億美元歷時三年時間并為此收購了業(yè)界著名的嵌入式軟件公司TASKING)于2004年開發(fā)并推出了稱之為Nexar 2004的EDA平臺。該軟件包含多種設(shè)計導(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IP庫，集成了嵌入式軟件設(shè)計工具。該軟件的推出對IC設(shè)計普遍化有著特別的意義。它提供了軟硬件協(xié)同設(shè)計的EDA平臺，集設(shè)計，驗證，測試綜合于一體，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)計提供了實現(xiàn)手段，消除了PCB設(shè)計中信號完整性、EMC、來自不同廠商的SMD器件的封裝、測試、訂貨、缺貨等困擾，提升了效率，此外,它基于FPGA實現(xiàn)用戶可重構(gòu)的SoC(上市速度快，生命周期長)。因此，Nexar 2004的推出很好的解決了目前我們對于FPGA支持工具的需求。它在很大程度上推動了FPGA乃至整個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。在FPGA中嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師可以方便地使用基于SoC設(shè)計中IP重用的思想和方法，進行產(chǎn)品設(shè)計。通過使用高水平的嵌入式系統(tǒng)EDA平臺，原來很多基于PCB設(shè)計的硬件工程師告訴我，從某種意義上來講，F(xiàn)PGA就像PCB一樣，可自由布線并實現(xiàn)一個嵌入式系統(tǒng)，過去常用的單片機和標準數(shù)字邏輯電路（ASSP）可用存儲在PC硬盤中的IP庫來替代（節(jié)省了SMD封裝的物理芯片），顯然，沒有EDA工具很難實現(xiàn)這樣的嵌入式系統(tǒng)。 

因此我們可以預(yù)見：傳統(tǒng)的MCU和ASSP供應(yīng)商市場份額將會下降，F(xiàn)PGA會更大規(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。而不斷改進的FPGA支持工具，使FPGA開發(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，從普及意義上來講，它的出現(xiàn)使基于FPGA設(shè)計嵌入式系統(tǒng)成為可能。就目前的趨勢而言，嵌入式系統(tǒng)EDA平臺非常重要(如Nexar)，目前的設(shè)計要求各種獨立的軟件工具可以在一個無縫隙的平臺上協(xié)同工作。而由于目前嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)速度跟不上硬件設(shè)計的速度（公司硬軟件人員比為1：7），硬件電路設(shè)計跟不上半導(dǎo)體工藝的發(fā)展速度，因此可以這樣說，半導(dǎo)體工業(yè)通過提供優(yōu)質(zhì)的FPGA把更多的應(yīng)用設(shè)計空間和系統(tǒng)開發(fā)時間留給了我們嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者。嵌入式系統(tǒng)EDA平臺將變的必不可少！由此也可以看出，我們即將面臨的是一個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計軟核時代。

展望未來，SoC已經(jīng)成為嵌入式設(shè)計者的理想，而可自動配置的SoC/SIP(SIP：Silicon In Package)也將成為下一個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)計的主要方式。而SoC時代的到來也就意味著成千上萬的嵌入式系統(tǒng)工程師可以實現(xiàn)他們夢想，將自己設(shè)計的板子變成芯片。而這也正是SoC的含義：System on Chip?？梢哉f，未來5年內(nèi)大量產(chǎn)生的經(jīng)過實際驗證的IP是為嵌入式系統(tǒng)進入軟硬雙編程的SoC時代打下堅實的基礎(chǔ)的必由之路。

SoC設(shè)計技術(shù)始于20世紀90年代中期，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計者能夠?qū)⒂鷣碛鷱?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是一個微小型系統(tǒng)，如果說中央處理器（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核和存儲器（或片外存儲控制接口）集成在單一芯片上。它擁有獨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準產(chǎn)品。SoC技術(shù)的一大發(fā)展趨勢是基于平臺的開發(fā)，分享IP核開發(fā)與系統(tǒng)集成成果，不斷重整價值鏈,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)級集成能力快速發(fā)展。SoC設(shè)計準入的最大門檻是專門技術(shù)、IP庫、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)計藝術(shù)，以滿足客戶產(chǎn)品開發(fā)的需求。同時許多第三方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一無二的且極具價值的IP核，要么是具有良好聲譽的IP庫。SoC設(shè)計者通過重用經(jīng)過證明了的IP，不僅利用了最新工藝技術(shù)優(yōu)勢，而且減少了開發(fā)周期和風(fēng)險。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，能成功實現(xiàn)多學(xué)科的協(xié)作與融合。SoC設(shè)計技術(shù)為計算機專業(yè)人才介入IC設(shè)計領(lǐng)域提供了一個機會。不僅在SoC芯片設(shè)計上需要較強的計算機體系結(jié)構(gòu)背景知識，而且SoC突出了軟件開發(fā)的比重，需要計算機專業(yè)人士的介入，需要提供良好的開發(fā)平臺和嵌入式操作系統(tǒng)。由此可見，無論是現(xiàn)在的FPGA還是未來的客戶訂制型SoC， IP庫都對嵌入式設(shè)計有著極其重要的作用。 在90年代，SoC基本上由1個片上CPU＋邏輯＋I/O端口組成，而進入2000年后的第二代SoC的重要特征則是包含了多個可配置處理器的I/O端口。下一代SoC就是一個處理器數(shù)量可縮放的集合體，這種趨勢主要體現(xiàn)在兩個方面：一個是每片芯片的處理器數(shù)量會以每年30％的速度遞增，在下一個十年內(nèi)，每片芯片的處理器數(shù)量會超過1000個，而在另一方面，芯片每面的可編程運算能力也會以每年65％的速度遞增。利用嵌入式系統(tǒng)EDA平臺在FPGA上學(xué)習(xí)和實踐多CPU核設(shè)計技術(shù)和積累經(jīng)驗對培訓(xùn)千萬名未來的ES工程師是一種很現(xiàn)實的選擇。

有材料表明：世界芯片復(fù)雜度的年增長58%，而IC設(shè)計能力的年增長僅為20%，由此看出，世界集成電路設(shè)計能力的增長遠遠跟不上芯片復(fù)雜度增長的速度，這為集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)提供了難得的發(fā)展機會。面對集成電路向SoC的轉(zhuǎn)型，我國實現(xiàn)集成電路設(shè)計業(yè)跨越的一個歷史機遇正在來臨。因此許多專家建議，我國應(yīng)優(yōu)先發(fā)展芯片設(shè)計業(yè)，特別重視SoC提供的發(fā)展機會。

嵌入式系統(tǒng)自其問世以來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的科技水平。從過去一路走來，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)歷了由模擬向數(shù)字的演進過程，在未來的20年內(nèi)可能又將逐步演進為數(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）到以往的硬編程主宰的ASIC時代直到今天的FPGA時代，可以說嵌入式系統(tǒng)設(shè)計在走過了一段相當長歲月的同時，其核心技術(shù)沿著“許氏循環(huán)“的浪潮不斷前行，設(shè)計平臺也通過科技的進步不斷完善自身。隨著即將到來的客戶訂制型SoC/SIP以及U－SoC，我們即將進入的是一個軟硬雙可編程的嵌入式系統(tǒng)時代。就目前而言，我們正處于一個硬編程向軟硬雙可編程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的過渡時期，因此可以這么說，我們現(xiàn)在即將進入的是一個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的軟核時代。

總結(jié)
輕、薄、短、小、低功耗、高可靠性是嵌入式系統(tǒng)永遠追求的方向，顯然用半導(dǎo)體工程技術(shù)和EDA 平臺在一個芯片上實現(xiàn)一個嵌入式系統(tǒng)是千萬人為之努力的目標。SoC是基于IP重用和軟硬件協(xié)同設(shè)計的產(chǎn)物。對于今天的ES（Embedded System）工程師來說在嵌入式系統(tǒng)EDA平臺上基于FPGA設(shè)計SoC可能是必然的選擇。