嵌入式開發(fā)的設計模式及發(fā)展趨勢

　　在嵌入式應用中使用RTOS是由于嵌入式應用一般是計算機實時系統(tǒng)，有兩個重要特性：實時性和可靠性。實時性標準常用“系統(tǒng)響應時間”來衡量，即當一外部事件發(fā)生，系統(tǒng)能在多少時間內響應事件。RTOS分強實時和弱實時兩種。強實時RTOS用于對時間要求比較嚴格的場合?？煽啃詷藴食Ｓ孟到y(tǒng)平均無故障運行時間，即平均的故障間隔時間MTBF來衡量。

　　操作系統(tǒng)（OS）是一組計算機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，即合理地對資源進行調度，并為用戶提供方便的應用接口。它為應用支持軟件提供運行環(huán)境，即對程序開發(fā)者提供功能強、使用方便的開發(fā)環(huán)境。OS的前身就是監(jiān)控程序，類似于單片機仿真器的監(jiān)控程序。

　　RTOS是多任務的，每個用戶的應用程序可以設計成多個不同的任務，這些任務可以并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)的吞吐量，更有效地利用系統(tǒng)資源。常用的任務調度算法為：優(yōu)先級加輪詢、非搶占式優(yōu)先級調度、按優(yōu)先級搶占的調度算法。任務間通信與同步機制為：郵箱、隊列、信號量、事件標志。劃分任務時，任務之間的通信要盡可能少，這樣可以簡化設計。

　　基于任務的設計可擴展、可管理、可大大提高系統(tǒng)的可靠性。RTOS提供給用戶的是各種系統(tǒng)調用。中斷、時間基準及定時的管理都由RTOS完成。采用RTOS編程可大幅度縮短程序的開發(fā)時間。RTOS一般都可裁剪、移植，適用于多種硬件環(huán)境，可以和應用程序一起固化到應用系統(tǒng)中。

　　隨著后PC時代的來臨，微軟維納斯計劃推出Windows CE，我國女媧計劃推出自主版權的Hopen實時多任務操作系統(tǒng)。 “3C”結合的信息家電問世，RTOS引起國內業(yè)界的極大關注。國內已引入pSOS、 VRTX、VxWorks、QNX、Nucleus等RTOS以及 CMX和RTXC小型適合單片機的帶源代碼的RTOS。

　　免費公開內核的RTLinux和 μCOS也是使用的熱點。清華大學出版社出版了《工業(yè)控制計算機實時操作系統(tǒng)》。國際上很有名的有關μCOS的專著《Micro C/OS-ii The Real Time Kernel》不久將在國內翻譯出版。 RTOS會更加深入人心，嵌入式應用軟件開發(fā)由匯編、C向 RTOS發(fā)展。

　　硬件設計

　　單片機，即一個芯片就是一個計算機，代表著計算機小型化的理想。隨著超大規(guī)模高速集成電路 VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）的發(fā)展，專用集成電路 ASIC（Application Special Integrated Circuit）設計已使片上系統(tǒng) SOC（System On a Chip）的設計與制造正在或已經(jīng)成為現(xiàn)實。

　　單片機和SOC是硬件設計高度集成化的產(chǎn)物。高度集成可以增加系統(tǒng)的可靠性、縮小體積并降低成本。集成電路產(chǎn)品的集成度，目前仍然保持每18個月增長一倍的發(fā)展速度（摩爾定律），而產(chǎn)品的生命周期卻日趨縮短，因此，迫切要求提高ASIC芯片的設計速度。其中最重要的是盡可能重復運用已有的設計成果，采用具有知識產(chǎn)權的功能單元塊，即IP核（Intelligence Property Core）。

　　因此，必須重視IP核的開發(fā)和重用。在設計方法上運用電子設計自動化（EDA）工具，使用 VHDL和 Verilog硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）進行硬件的設計。VHDL支持行為級描述，并有IEEE 87和IEEE 93標準，設計效率明顯高于Verilog，更加受歡迎。從集成電路的觀點看，單片機是IP核，常用接口芯片 8255、8250、8279等也有類似功能的IP核。8051單片機得到Philips、Atmel等眾多廠商的支持也得益于其IP核的互換和轉讓。內含CPU的可編程邏輯器件已列入集成電路生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)計劃。模數(shù)混合的集成電路還存在設計制造難度。

目前，嵌入式應用硬件設計采用滿足要求的單片機是理想的選擇，采用CPU+PLD+AD/DA模式是明智的選擇。可編程邏輯器件的發(fā)展經(jīng)歷了由GAL/PAL、EPLD向 CPLD/FPGA（復雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場可編程邏輯器件）發(fā)展，集成度越來越高。Lattice、Altera、Xilinx、AMD等公司提供可編程邏輯器件和EDA設計工具，支持HDL文本輸入和原理圖輸入，配備編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能。通過在系統(tǒng)編程ISP（In System Programming）或稱在線下載，利用微機并口配有的下載電纜和可編程器件的JTAG接口相連，即可修改系統(tǒng)中PLD部分的設計，實現(xiàn)硬件設計的軟化。

　　系統(tǒng)定制電路部分的設計已從ASIC集成電路設計的殿堂變成電子工程師的必備知識。集成電路的設計和電子電路的設計在融合。當然，單片機外接的簡單邏輯也