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我們心目中，處理器顯然是嵌入式系統的核心。但有人不這樣認為。 Altium 技術(shù)編輯Marcelle Douglas近日撰文，說(shuō)以處理器為中心的時(shí)代過(guò)去了。雖只是一家之言，也不妨看看。全文如下： -------------------------------- 傳統方案中的處理器 將處理器視為嵌入式系統的核心再自然不過(guò)了。由于性能與外設可以決定成品所能實(shí)現的整體功能，因此不難理解為什么這種見(jiàn)解會(huì )主宰大多數項目設計。但是，這種想法并非十全十美，而且可能在當前市場(chǎng)狀況與趨勢面前很快就會(huì )變得過(guò)時(shí)。 將處理器放置在這樣一個(gè)中心位置上，就意味著(zhù)必須在一切開(kāi)始之前做出正確的選擇并且要在整個(gè)設計過(guò)程中從一而終。這種情況會(huì )使所有未來(lái)決定和物理設計部分緊密相連。另外，這還意味著(zhù)預先確定了某一固定的實(shí)施路徑。這樣就產(chǎn)生了一個(gè)缺乏靈活性并在后期不便進(jìn)行必要更改的平臺。當出現新的、無(wú)法預見(jiàn)的市場(chǎng)情況時(shí)，這從設計角度來(lái)看無(wú)疑存在重重風(fēng)險。 新一代 IC 的開(kāi)發(fā)在當前經(jīng)濟困境中已經(jīng)是步履維艱。對于嵌入式設計而言，如果受制于以后無(wú)法更改或無(wú)法升級的架構，那么毫不夸張地說(shuō)可能會(huì )使項目陷入困境。傳統方法是將硬件平臺的開(kāi)發(fā)放在第一位，然后內置并鎖定軟成分；這就導致了將產(chǎn)品上市進(jìn)程視為重要的產(chǎn)品差異化要素的安全錯覺(jué)。然而現實(shí)是，產(chǎn)品與眾不同的價(jià)值（如：設備智能性或‘IP’）會(huì )牢牢受制于僵化的平臺上。這種情況下，它會(huì )成為最難以更改而且更改起來(lái)成本最高的設計元素。因此，單純依賴(lài)這種方法會(huì )排除其它最需要的不同選擇。 依賴(lài)逐步、分階段遞增升級的設計原理很可能會(huì )很快被具有更高設計靈活性、可幫助公司在市場(chǎng)變革中制勝的技術(shù)所取代。它們很可能是能夠提供更多選擇的解決方案，因為這些解決方案側重于易于更改的更高級系統抽象技術(shù)上，與單純依賴(lài)選擇處理器的方法相比風(fēng)險更低。只要看看最近的行業(yè)趨勢，大家就能夠想象關(guān)注更高級抽象會(huì )是什么樣子。 擺脫以處理器為中心的軟化設計 風(fēng)頭正勁的趨勢是向處理器與架構級軟設計的發(fā)展。隨著(zhù)硬件與軟件之間的界限不斷融合，設計不再單純依賴(lài)硬件。硬件技術(shù)本身的發(fā)展也在為這種趨勢推波助瀾。 低成本、高容量 FPGA 具有改變我們設計方式的潛力，它可將以前作為物理硬件構造到器件中的組件轉變成可編程的組件。電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中對‘軟設計’的這種關(guān)注具有豐富的含義，不但可將器件智能性從編入的物理硬件中分離出來(lái)，而且還可避免長(cháng)久以來(lái)一直與依賴(lài)硬件的解決方案密不可分的缺陷，如：很難在開(kāi)發(fā)后期進(jìn)行修改。 作為采用軟處理器的嵌入式平臺，FPGA 正在快速成為多功能、可重構硬件平臺的基礎。由于其功能的不斷提高以及預算的不斷降低，它們變的越來(lái)越受歡迎。擴展架構平臺的軟設計不但包括增加以前由硬件擔任的功能，而且還包括處理器。通過(guò)將盡可能多的硬件引入可編程領(lǐng)域，可以研究在不增加設計時(shí)間情況下允許進(jìn)行反復試驗嘗試假設的種種條件。由于可對概念進(jìn)行立即驗證，這樣可使工程師能夠清楚地了解并且親眼看到他們所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，并以此作為他們設計思路的實(shí)物見(jiàn)證，這樣可以使他們嘗試不同的即能夠降低成本又不必拘泥與任何特定的執行方式。 另一個(gè)優(yōu)勢是軟件設計可以在硬件平臺設計之前進(jìn)行，軟件設計一直可以持續到完成硬件設計之后、甚至可以持續到交付給客戶(hù)之后。軟設計系統中編程的知識產(chǎn)權將很快成為最有價(jià)值的設計組成部分，并將持續改進(jìn)。它將帶來(lái)架構的高度靈活性以及適用性更強的更小型電路板，為大型企業(yè)帶來(lái)在當前具有重大意義的巨大優(yōu)勢。設計人員可以在無(wú)需更改其設計而且不受任何約束的條件下，對比不同 FPGA 的性能優(yōu)勢，以做出取舍。 有趣的是，電子系統以軟件為中心的方法的意義甚至超出了軟件本身。只要將這種想法稍微深入一點(diǎn)，我們就可清楚地了解到，不但軟件可以升級，而且硬件也可以升級，并且可以在交付給客戶(hù)之后進(jìn)行升級。 擺脫硬件桎梏 通過(guò)可編程的方式將IP植入系統，而不是固化到生產(chǎn)板上的方式將給嵌入式的設計帶來(lái)巨大優(yōu)勢。由于內置了一定的可編程性，我們可將系統的許多復雜之處轉移到駐留于處理器的軟件層。這種本質(zhì)上是一種硬件包裝的軟件層能夠充當可配置的硬件——用作存儲器與外設的處理器接口。 在理想的設計環(huán)境中，此軟件層可將匹配軟件編譯程序與預驗證嵌入式 IP 庫進(jìn)行完美結合。這樣可創(chuàng )建一種具有‘廠(chǎng)商中立性’的嵌入式開(kāi)發(fā)系統，直接與原理圖設計 (design capture) 及電路板開(kāi)發(fā)階段關(guān)聯(lián)在一起。 旨在修改硬件包 (hardware wrapper) 的簡(jiǎn)單 FPGA 重新編程使工程師能夠更換處理器，而無(wú)需修改系統硬件的其它部分。這種方法的明顯優(yōu)勢是使系統從一個(gè)處理器起步，然后在性能需求時(shí)可升級到更快的器件�，F在我們可以獨立于硬件平臺開(kāi)發(fā)由可編程硬件與嵌入式軟件組成的關(guān)鍵軟 IP，從而擺脫由于必須首先開(kāi)發(fā)物理硬件而帶來(lái)的傳統技術(shù)難題。 因為現在低層次的設計問(wèn)題可以由設計系統本身來(lái)解決，因此我們可以將設計注意力轉移到利用高級采集接口來(lái)開(kāi)發(fā)設計的核心功能元素。甚至 HDL 輸入也可以讓位于可提高設計抽象水平的更簡(jiǎn)單嵌入式原理圖設計，如：C。軟硬件工程師無(wú)需重新培訓便可一下子掌握以前完全依賴(lài)處理器與硬件專(zhuān)家的設計流程。 采用上述方法可以提高項目修改與效率方面的優(yōu)勢，因為重點(diǎn)不再是選擇處理器和管理與其相關(guān)的所有低級的細節因素。與諸如電路板設計等傳統設計方法與生俱來(lái)的復雜性得到適當的降低，使其變得更易于管理，設計焦點(diǎn)再次轉向產(chǎn)品差異化與創(chuàng )新，而不必關(guān)心單純的‘生存要素’！將精力與資源轉移到存在真正價(jià)值的更高級設計活動(dòng)。 軟件與硬件的完美融合將成為最新統一設計領(lǐng)域的內在組成部分。所需要的一切就是支持能夠充分利用大型可編程器件的單個(gè)、統一設計方案的設計環(huán)境。 能夠創(chuàng )造價(jià)值的工具與技術(shù) 要實(shí)現設計功能與處理器的分離需要一種硬件不再是基本因素的設計平臺。理想情況下所有設計區域都應當以單個(gè)的統一流程出現。然后可以存在真正的跨區域設計合作，因為處理器與軟件之間的障礙已經(jīng)消失。這樣便可大幅簡(jiǎn)化設計要素在軟件與硬件之間轉移的任務(wù)。 勿庸置疑，在眾多選擇中不斷探索就會(huì )創(chuàng )造出為開(kāi)發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵實(shí)施、調試和升級階段內置可重新配置硬件平臺的設計環(huán)境，我們可以在其中自由嘗試供應商的各種器件并在軟件內外更換 I/O 硬件。適用于電子產(chǎn)品設計各個(gè)方面的所有必要工具將包括：與處理器無(wú)關(guān)的嵌入式編碼與調試、混合原理圖與基于 HDL 的 FPGA 設計與合成、以及全面的 PCB 布局。軟件工程師只需具備硬件基礎知識即可使用這種環(huán)境，而硬件工程師則可將精力集中在設計獨特的設計元件上，并將其原型化，因為軟件與硬件都能夠進(jìn)行升級。 通過(guò)將抽象提高到超過(guò)處理器的水平來(lái)簡(jiǎn)化設計工藝的策略，是向靈活性更高的嵌入式設計解決方案發(fā)展的可行道路。在經(jīng)濟困境面前，日益復雜化的行業(yè)正面臨著(zhù)前所未有的思想破舊立新壓力。處理器的選擇在任何時(shí)候都很重要。然而，現在是我們需要做出重大設計決策，并利用大勢所趨的統一設計流程實(shí)現更大的創(chuàng )新的時(shí)候了！ 作者：Marcelle Douglas， 現任 Altium 技術(shù)編輯，她畢業(yè)于加州圣地亞哥國立大學(xué) (National University, San Diego, Calif)，獲計算機碩士學(xué)位。在電子設計與軟件工程領(lǐng)域，Marcelle Douglas 擁有超過(guò) 13 年的豐富經(jīng)驗。 |
