32位嵌入式開發(fā)的動向

2004年9月A版

摘  要：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入32位時代，與傳統(tǒng)的8/16位系統(tǒng)相比，無論處理器的結(jié)構(gòu)還是開發(fā)手段上都發(fā)生了較大變化，并出現(xiàn)了一大批新技術(shù)。本文以ARM技術(shù)為主,探討了國內(nèi)外32位嵌入式開發(fā)的現(xiàn)狀和趨勢，涉及到了諸如SOC、SOPC、軟硬件協(xié)同設(shè)計等多個領(lǐng)域，以期引入更為廣泛和深刻的討論。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；32位；ARM；技術(shù)趨勢

嵌入式微處理器市場狀況

　　2003年我國嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)總量達(dá)1000億元，其中嵌入式處理器芯片約為100億元。2003年我國嵌入式微處理器銷售總量約為10.2億片，4位MCU占2.6億片、8位約占6.6億片，32位MPU占0.75億片。另外，據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測分析，今年中國大陸市場8位MCU的需求量會增長15%~20%左右；32位MPU的需求量繼續(xù)以100%的速度增長。

　　由此可以看出，8位MCU市場已逐步趨向穩(wěn)定，32位MPU代表著嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向，正在加速發(fā)展。在32位嵌入式微處理器市場上，基于ARM內(nèi)核的微處理器在市場上處于絕對的領(lǐng)導(dǎo)地位(圖1)，因此追蹤ARM技術(shù)的發(fā)展趨勢顯得尤為重要。

ARM技術(shù)的發(fā)展趨勢

高度集成化的SOC趨勢

　　ARM公司是一家IP供應(yīng)商，其核心業(yè)務(wù)是IP核以及相關(guān)工具的開發(fā)和設(shè)計。半導(dǎo)體廠商通過購買ARM公司的IP授權(quán)來生產(chǎn)自己的微處理器芯片。由此以來，處理器內(nèi)核來自ARM公司，各芯片廠商結(jié)合自身已有的技術(shù)優(yōu)勢以及芯片的市場定位等因素使芯片設(shè)計最優(yōu)化，從而產(chǎn)生了一大批高度集成、各具特色的SOC芯片。例如Intel公司的XScale系列集成了LCD控制器、音頻編/解碼器，定位于智能PDA市場；Atmel公司的AT91系列片內(nèi)集成了大容量Flash和RAM、高精度A/D轉(zhuǎn)換器以及大量可編程I/O端口，特別適合于工業(yè)控制領(lǐng)域；Philips公司的LPC2000系列片內(nèi)集成了128位寬的零等待Flash存儲器以及I2C、SPI、PWM、UART等傳統(tǒng)接口，極高的性價比使它對傳統(tǒng)的8/16位MCU提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

　　然而如此眾多的高集成度SOC芯片由于其內(nèi)核統(tǒng)一于ARM核心，使得軟、硬件平臺的移植變得相當(dāng)容易；只要掌握了ARM開發(fā)技術(shù)的核心，就可以達(dá)到“一通百通”的目的，為用戶大大降低了培訓(xùn)、學(xué)習(xí)的成本，縮短了產(chǎn)品上市的時間。

　　高集成度SOC芯片的采用可以帶來一系列好處，諸如減少了外圍器件和PCB面積，提高系統(tǒng)抗干擾能力，縮小產(chǎn)品體積，降低功耗等。

　　ARM公司的IP核也由ARM7、ARM9發(fā)展到今天的ARM11版本。ARM11囊括了Thumb-2、CoreSight、TrustZone等眾多業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，同時由單一的處理器內(nèi)核向多核發(fā)展，為高端的嵌入式應(yīng)用提供了強(qiáng)大的處理平臺。

軟核與硬核同步發(fā)展的SOPC技術(shù)

　　隨著亞微米技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片密度不斷增加，并以強(qiáng)大的并行計算能力和方便靈活的動態(tài)可重構(gòu)性，被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是在復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)上，F(xiàn)PGA卻遠(yuǎn)沒有32位RISC處理器靈活方便，所以在設(shè)計具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時，往往需要RISC和FPGA結(jié)合使用，SOPC技術(shù)就是在這樣的環(huán)境下誕生的。同時ASIC相對于SOPC由于缺少彈性，且逐漸喪失價格優(yōu)勢而放慢了發(fā)展的步伐。

　　SOPC技術(shù)中以Nios和MicroBlaze為代表的RISC處理器IP核、各種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)IP核以及用戶以HDL語言開發(fā)的邏輯部件可以最終綜合到一片F(xiàn)PGA芯片中，實(shí)現(xiàn)真正的可編程片上系統(tǒng)，此時的嵌入式處理器稱之為“軟處理器”或“軟核”。Altera公司最新推出的NiosII可以嵌入到Altera公司的StratixII、Stratix、Cyclone和HardCopy等系列可編程器件中，用戶可以獲得超過200DMIPS的性能，而只需花費(fèi)不到35美分的邏輯的資源。用戶可以從三種處理器以及超過60個的IP核中選擇所需要的，設(shè)計師可以以此來創(chuàng)建一個最適合他們需求的嵌入式系統(tǒng)。軟核技術(shù)提供了極高的靈活性和性價比。

　　SOPC技術(shù)的另一個重要分支是嵌入硬核。集高密度邏輯(FPGA)、存儲器(SRAM)及嵌入式處理器(ARM/PPC)于單片可編程邏輯器件上，實(shí)現(xiàn)了高速度與編程能力的完美結(jié)合。Altera公司的EPXA10芯片內(nèi)部集成了工作頻率可達(dá)200MHZ的ARM922T處理器、100萬門可編程邏輯、3MB的內(nèi)部RAM以及512個可編程I/O管腳，可以通過嵌入各種IP核實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口，如PCI、USB等。軟硬核同步發(fā)展，為用戶提供了更多、更靈活的選擇。

與DSP技術(shù)融合

　　傳統(tǒng)的嵌入式微處理器可以分為微控制器MCU、微處理器MPU和數(shù)字信號處理器DSP，然而隨著技術(shù)的發(fā)展，它們之間的區(qū)別也變的越來越模糊，并有逐步融合的趨勢。現(xiàn)在不少的MCU和MPU具備了DSP的特征，例如采用哈佛結(jié)構(gòu)，增加了乘加運(yùn)算指令等；同時不少DSP芯片內(nèi)部也集成了A/D、D/A、定時/計數(shù)器和UART等。

　　這種技術(shù)融合趨勢也有兩條不同的技術(shù)路線：1.在中低端應(yīng)用中，在傳統(tǒng)MPU內(nèi)部集成DSP宏單元以及在指令集中加入DSP功能指令。ARM9E系列處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)的同時增加了16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作指令、雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作指令、cache預(yù)取指令等，可以滿足數(shù)字消費(fèi)品、存貯設(shè)備、馬達(dá)控制和低端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對于控制和高密度運(yùn)算能力的雙重需求。2.高端復(fù)雜應(yīng)用中，向多內(nèi)核、并行處理的方向發(fā)展。TI公司的開放媒體應(yīng)用處理器OMAP集成了TI的TMS320C5XXDSP內(nèi)核和一個增強(qiáng)了的ARM926-EJS內(nèi)核以及內(nèi)部處理器通信機(jī)制和音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)通信等部件，使之成為一個強(qiáng)大的多媒體移動計算平臺。

開發(fā)和調(diào)試手段不斷完善

　　隨著嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的日益復(fù)雜化以及開發(fā)周期越來越短，開發(fā)和調(diào)試手段也發(fā)生了很大改變。硬件方面由于QFP和BGA封裝的逐漸普及，使得以探針方式為主的BDM(背景調(diào)試模式)力不從心；以邊界掃描接口(JTAG)為基礎(chǔ)的在電路仿真調(diào)試手段(ICE)正在普及，更為先進(jìn)的片上實(shí)時跟蹤(Trace)技術(shù)也已浮出水面。軟件方面，因為軟件規(guī)模不斷擴(kuò)大，必須采用嵌入式操作系統(tǒng)來管理軟、硬件資源，同時傳統(tǒng)的C語言和匯編語言混合編程的模式也因為引入面向?qū)ο笏枷胍约癈＋＋和Java語言而發(fā)生了很大改變。面向?qū)ο笳Z言更適合大規(guī)模應(yīng)用和平臺級開發(fā)，代碼復(fù)用和移植變得更簡單。

　　ARM公司最新推出的RealView是一整套完整的解決方案，由集成開發(fā)環(huán)境和在線仿真器Multi-ICE，實(shí)時跟蹤器Multi-Trace等組成。RealView支持多內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)試，多種操作系統(tǒng)的任務(wù)級或線程級調(diào)試，大大降低了高端ARM處理器的開發(fā)門檻，縮短了應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)周期。圖2說明了復(fù)雜片上系統(tǒng)調(diào)試/跟蹤原理。

軟件工程思想融入嵌入式軟件

　　嵌入式軟件規(guī)模不斷擴(kuò)大，以往的面向過程的模塊化分析方法已經(jīng)很難滿足要求?；趯ο蟮慕y(tǒng)一建模語言(UML)可以描述對于實(shí)時系統(tǒng)極為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)和行為方面，并且已成為有效設(shè)計的優(yōu)秀媒介。Hassan Gonaa提出的并發(fā)對象建模和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法(COMET)以及Bruce Powel Douglass等人提出的嵌入式系統(tǒng)的快速面向?qū)ο筮^程(ROPES)都是在吸收了統(tǒng)一建模語言精髓的基礎(chǔ)上，并融合了嵌入式實(shí)時系統(tǒng)固有特點(diǎn)發(fā)展而來的基于UML的嵌入式系統(tǒng)建模和分析方法。

　　嵌入式系統(tǒng)可以歸入電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)交叉學(xué)科的范疇,因此存在著硬件、軟件在設(shè)計時的協(xié)調(diào)和配合問題。傳統(tǒng)的系統(tǒng)級設(shè)計方法如圖3所示，雖然在系統(tǒng)設(shè)計的初始階段考慮了軟硬件接口問題，但由于軟硬件分別開發(fā)，各自部分的修改和缺陷很容易導(dǎo)致系統(tǒng)集成時出錯誤。由于設(shè)計方法的限制，這些錯誤不但很難定位，而且對它們的修改往往會涉及整個軟件結(jié)構(gòu)和硬件配置的改動，會帶來災(zāi)難性后果。

　　為了避免上述問題，軟硬件協(xié)同設(shè)計的方法應(yīng)運(yùn)而生，其典型設(shè)計過程如圖4所示。首先，采用有限狀態(tài)機(jī)(FSM)、統(tǒng)一化規(guī)格語言(CSP)和硬件描述語言(HDL)等方法對系統(tǒng)進(jìn)行抽象描述，對軟/硬件統(tǒng)一表示，便于功能劃分和綜合；然后，在此基礎(chǔ)上對軟/硬件進(jìn)行劃分。這種方法的特點(diǎn)是在協(xié)同設(shè)計、協(xié)同測試和協(xié)同驗證上，充分考慮軟/硬件的關(guān)系，并在設(shè)計的每個層次上給予測試驗證，使得盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題。國外一些大的半導(dǎo)體廠商已經(jīng)將這種分析/設(shè)計方法逐步運(yùn)用到實(shí)際的芯片開發(fā)設(shè)計當(dāng)中。

國內(nèi)的現(xiàn)狀和動向

　　國內(nèi)的32位嵌入式開發(fā)近兩年來異?；鸨?，基于32位SOC芯片的應(yīng)用系統(tǒng)能夠大大提高產(chǎn)品的性能和附加值，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力，因此越來越多的工程師開始將目光從8位/16位轉(zhuǎn)移到32位微處理器上。廣大的應(yīng)用開發(fā)工程師是國內(nèi)32位嵌入式開發(fā)向縱深發(fā)展的基礎(chǔ)。華為、大唐、東南大學(xué)、清華大學(xué)等一批企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)購買了ARM公司的IP授權(quán)用于自有知識產(chǎn)權(quán)SOC芯片的設(shè)計，這必將逐步縮小我們同國外先進(jìn)水平的差距。

　　由于市場和政策導(dǎo)向，國內(nèi)的32位嵌入式處理器也呈現(xiàn)出群體突破的態(tài)勢，方舟一號、方舟二號、龍芯等一大批32位嵌入式處理器陸續(xù)問世，但是開發(fā)工具、生產(chǎn)能力等問題還未解決，阻礙了它們的推廣應(yīng)用。另一方面，在SOPC、軟硬件協(xié)同設(shè)計等較為前沿的領(lǐng)域我們還處于研究和探索階段，與國外先進(jìn)水平尚有較大差距。但我們有理由相信，采用國產(chǎn)芯片和操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)已不再遙遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

1.  Hassan Gonaa，‘Designing Concurrent, Distributed and Real-Time Applications with UML’，American: Addison-Wesley Press, 2004,1

2.  王田苗，‘嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)例開發(fā)’，清華大學(xué)出版社，2003.10