2004年全國(guó)嵌入式技術(shù)研討會(huì)觀感

2004年全國(guó)嵌入式技術(shù)研討會(huì)觀感

摘要：嵌入式技術(shù)正在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)效益吸引了越來越多的企業(yè)和個(gè)人的關(guān)注。在2004年全國(guó)嵌入式技術(shù)研討會(huì)中，各界學(xué)者交流了嵌入式領(lǐng)域技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)未來的技術(shù)發(fā)展潮流作了預(yù)測(cè)，認(rèn)為在下一個(gè)十年中起主導(dǎo)作用的將是以可編程邏輯和系統(tǒng)芯片為代表的可定制技術(shù)。此外，會(huì)議中還討論了處理器、操作系統(tǒng)等其他嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)芯片 可編程邏輯 嵌入式處理器 嵌入式操作系統(tǒng)

一、綜述

本次嵌入式系統(tǒng)學(xué)術(shù)交流會(huì)主要設(shè)計(jì)了如下一些嵌入式的產(chǎn)品和技術(shù)領(lǐng)域，它們是單片機(jī)，嵌入式處理器，可編程邏輯，系統(tǒng)芯片，嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式軟件以及相關(guān)的系統(tǒng)整合開發(fā)方法。從會(huì)議主辦方的觀點(diǎn)看，會(huì)議討論的重點(diǎn)是系統(tǒng)芯片SOC。因此本文著重介紹在會(huì)議上得到的對(duì)于SOC的現(xiàn)狀及將來的認(rèn)識(shí)。

二、關(guān)于SOC及SOPC

　　系統(tǒng)芯片SOC的提出已經(jīng)經(jīng)歷了一段不短的醞釀期，市場(chǎng)和技術(shù)人員都認(rèn)為現(xiàn)在乃至將來的5年，將是SOC迅速發(fā)展并且廣泛應(yīng)用的黃金時(shí)間。如手機(jī)芯片，數(shù)碼相機(jī)芯片是當(dāng)前SOC產(chǎn)品的代表例子。在這種芯片上實(shí)現(xiàn)了具體應(yīng)用所需要的特殊功能，同時(shí)包含處理器、存儲(chǔ)器和一些標(biāo)準(zhǔn)接口，使得電子系統(tǒng)布局更加緊湊，功能更加強(qiáng)大。

　　而我國(guó)同時(shí)也在強(qiáng)調(diào)IC設(shè)計(jì)能力的提升， 15家國(guó)家試點(diǎn)IC設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)，表明了國(guó)家對(duì)于IC設(shè)計(jì)的投入和觀點(diǎn)。這些IC設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的工作重點(diǎn)也將著眼于SOC設(shè)計(jì)而決不會(huì)是一些簡(jiǎn)單的常用標(biāo)準(zhǔn)IC。微軟亞洲研究院在聘用“深藍(lán)之父”許峰雄之后，也開始了其IC設(shè)計(jì)的旅程。

　　隨著可編程邏輯器件的迅速發(fā)展，使用可編程邏輯器件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)逐漸成為另一個(gè)趨勢(shì)。現(xiàn)在我們常用的可編程器件來自Altera公司，Altera公司的可編程邏輯器件已經(jīng)有Flex系列升級(jí)到低端Cyclone系列和高端的Statix系列，器件內(nèi)所包含的邏輯單元已經(jīng)達(dá)到數(shù)百萬門，時(shí)鐘頻率接近200MHz。同時(shí)其應(yīng)用軟件也完全淘汰了MaxPlusⅡ而代替以QuatusⅡ SOPC Builder。在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展中，硬件的發(fā)展引領(lǐng)著時(shí)代的進(jìn)步，但是這種進(jìn)步必須得到開發(fā)軟件的支持才能叫更多的人（我們）直接的感受到技術(shù)進(jìn)步帶來好處。

　　為積極開發(fā)基于可編程邏輯期間的SOC產(chǎn)品，Altera設(shè)計(jì)開發(fā)了基于其可編程邏輯器件的處理器內(nèi)核——NIOS系列，目前最新產(chǎn)品是NIOSⅡ，其處理能力接近150MPIS，除較高的處理能力外，Altera還希望在其可編程邏輯中同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)NIOSⅡ，以實(shí)現(xiàn)并行處理提高運(yùn)算能力。使用SOPC Builder可以方便的開發(fā)含有NIOS的可編程邏輯產(chǎn)品，并且提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口，同時(shí)NIOS支持ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，還提供了用戶可重定義的指令系統(tǒng)。

　　Altera并不是銷售量最大的可編程邏輯期間供應(yīng)商，業(yè)界最大的可編程邏輯期間供應(yīng)商是Xilinx，因?yàn)檫M(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)較晚，并且針對(duì)學(xué)生的市場(chǎng)開發(fā)規(guī)模較小，使得我們對(duì)他有一些陌生。目前Xilinx正在依托國(guó)防科大實(shí)施其大學(xué)計(jì)劃。

　　Xilinx的可編程邏輯中也開發(fā)并投產(chǎn)了大量多種類的處理器，從高端的PowerPC到低端的8位處理器核應(yīng)用盡有，處理能力從十幾個(gè)MIPS到200個(gè)MIPS都可以找到。其中PowerPC采用硬核方式嵌入到可編程邏輯中，其高端的Vertex4中包含了兩個(gè)硬核的PowerPC。其中檔32位可編程邏輯處理器同NIOSⅡ處于同一檔次，但由于投放市場(chǎng)較NIOS早半年左右，目前在性能和價(jià)格上均受到NIOSⅡ的強(qiáng)烈沖擊。Xilinx的可編程邏輯產(chǎn)品線跨度更大，覆蓋范圍更廣，邏輯資源已經(jīng)達(dá)到500萬門，其雙PowerPC核的處理能力可達(dá)400MIPS，已經(jīng)可以同Intel的Xscale媲美。

三、比較幾種流行的SOC技術(shù)

　　除了在可編程邏輯上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)芯片外，其他一些廠商也把目標(biāo)瞄準(zhǔn)了SOC的市場(chǎng)，也帶來了一些其它類型的可編程SOC產(chǎn)品，主要包括PSOC和CSOC。下面比較一下這三種器件的特點(diǎn)（包括SOPC）。

1．SOPC（System On a Programmable Chip）

　　提出SOPC概念的是Altera公司，目前Xilinx也在利用自己FPGA的優(yōu)勢(shì)，積極的發(fā)展自己的SOPC產(chǎn)品。SOPC結(jié)合了SOC和PLD、FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，一般具備以下基本特征：

　至少包含一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核；

　具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；

　豐富的IP Core資源可供選擇；

　足夠的片上可編程邏輯資源；

　處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；

　可能包含部分可編程模擬電路；

　單芯片、低功耗、微封裝。

　　SOPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果，目前0.13微米的ASIC產(chǎn)品制造價(jià)格仍然相當(dāng)昂貴，相反，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲(chǔ)器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應(yīng)用的靈活性和價(jià)格上有極大的優(yōu)勢(shì)。

2．PSOC（Programmable System On Chip）

　　PSOC是Cypress公司的產(chǎn)品，其特征在于將各種處理模擬信號(hào)的接口通過可編程元素連接起來。PSOC器件集成有一個(gè)快速微控制器（MCU）和SONOSTM（硅／氧化氮／氧化硅）工藝制造的閃速存儲(chǔ)器及SRAM，以及具有模擬和數(shù)字系統(tǒng)功能的可編程陣列器件（即PSOC blocks），并實(shí)現(xiàn)了低成本和小型封裝形式供貨。PSOC包括多種用戶模塊，與CPLD的宏單元非常相似，這些用戶模塊也可由設(shè)計(jì)師隨意配置。不過，需要牢記的是：與CPLD不同，PSOC還包括能夠完全以模擬方式（無需使用數(shù)字電路或CPU等等）來處理信號(hào)的用戶模塊。
　　 作為通用的器件，PSOC主要是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，包括音頻、無線、手持、數(shù)字通信、互聯(lián)網(wǎng)、控制和消費(fèi)類系統(tǒng)。Cypress 微系統(tǒng)公司將提供PSOC設(shè)計(jì)工具PSOCDesignerTM，它是支持PSOC器件的一種完整的開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)，包括有一個(gè)C編譯器和匯編程序、一個(gè)連接和調(diào)試工具、一個(gè)在線仿真器和器件編輯器(Device EditorTM)。

3．CSOC（Configurable System On Chip）

　　CSOC的設(shè)計(jì)初衷是為了回避SOPC在低出貨量、高靈活性方面的優(yōu)勢(shì)，而將工作重點(diǎn)瞄準(zhǔn)了高出貨量的ASIC IC市場(chǎng)，因此CSOC的特點(diǎn)也是相似于ASIC的，在設(shè)計(jì)階段比SOPC復(fù)雜、成本高，而一旦大批量生產(chǎn)，就可以體現(xiàn)出單件產(chǎn)品價(jià)格低，資源利用率高的優(yōu)勢(shì)。

　　從另一個(gè)角度看，目前的CSOC器件主要提供了51系列或者ARM7系列的硬核處理器，以及其它的邏輯模塊，并且可以通過硬件描述語言編程的方式組織管理原有的ASIC資源，也可以實(shí)現(xiàn)自己的軟核IP，其可編程資源并不比SOPC差。

　　并且，一旦生產(chǎn)廠商發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)成熟，可以大量供貨后，可以很輕松的將現(xiàn)有的CSOC設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換成完全的ASIC設(shè)計(jì)，以此來最大的降低器件的成本。

　　目前CSOC的市場(chǎng)還不是很活躍，國(guó)內(nèi)的主要代理商為矽正電子有限公司。

　　一個(gè)值得思考的問題是，CSOC的技術(shù)特點(diǎn)并不是很符合牧村定律的觀點(diǎn)。依照牧村定律，電子器件以10年為周期在可定制和專用化之間擺動(dòng)，而從現(xiàn)在到2010年學(xué)者認(rèn)為之可定制的10年，Altera和Xilinx也正在積極地為降低FPGA的每邏輯單元成本而努力，因此是否需要向CSOC投入較大精力仍是值得商榷的問題，也許作為技術(shù)研究還是比較合適的。

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