全國嵌入式技術研討會觀感

2004年全國嵌入式技術研討會觀感

2004年全國嵌入式技術研討會觀感

摘要：嵌入式技術正在突飛猛進的發(fā)展，其帶來的巨大的經(jīng)濟效益吸引了越來越多的企業(yè)和個人的關注。在2004年全國嵌入式技術研討會中，各界學者交流了嵌入式領域技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并對未來的技術發(fā)展潮流作了預測，認為在下一個十年中起主導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。此外，會議中還討論了處理器、操作系統(tǒng)等其他嵌入式系統(tǒng)的關鍵技術和產(chǎn)品。

關鍵詞：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)學術交流會主要設計了如下一些嵌入式的產(chǎn)品和技術領域，它們是單片機，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的系統(tǒng)整合開發(fā)方法。從會議主辦方的觀點看，會議討論的重點是系統(tǒng)芯片SOC。因此本文著重介紹在會議上得到的對于SOC的現(xiàn)狀及將來的認識。

二、關于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，市場和技術人員都認為現(xiàn)在乃至將來的5年，將是SOC迅速發(fā)展并且廣泛應用的黃金時間。如手機芯片，數(shù)碼相機芯片是當前SOC產(chǎn)品的代表例子。在這種芯片上實現(xiàn)了具體應用所需要的特殊功能，同時包含處理器、存儲器和一些標準接口，使得電子系統(tǒng)布局更加緊湊，功能更加強大。

　　而我國同時也在強調IC設計能力的提升， 15家國家試點IC設計機構的啟動，表明了國家對于IC設計的投入和觀點。這些IC設計機構的工作重點也將著眼于SOC設計而決不會是一些簡單的常用標準IC。微軟亞洲研究院在聘用“深藍之父”許峰雄之后，也開始了其IC設計的旅程。

　　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行系統(tǒng)設計逐漸成為另一個趨勢�，F(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系列升級到低端Cyclone系列和高端的Statix系列，器件內所包含的邏輯單元已經(jīng)達到數(shù)百萬門，時鐘頻率接近200MHz。同時其應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)展引領著時代的進步，但是這種進步必須得到開發(fā)軟件的支持才能叫更多的人（我們）直接的感受到技術進步帶來好處。

　　為積極開發(fā)基于可編程邏輯期間的SOC產(chǎn)品，Altera設計開發(fā)了基于其可編程邏輯器件的處理器內核——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實現(xiàn)多個NIOSⅡ，以實現(xiàn)并行處理提高運算能力。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準外設接口，同時NIOS支持ANSI C標準，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商，業(yè)界最大的可編程邏輯期間供應商是Xilinx，因為進入中國市場較晚，并且針對學生的市場開發(fā)規(guī)模較小，使得我們對他有一些陌生。目前Xilinx正在依托國防科大實施其大學計劃。

　　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位處理器核應用盡有，處理能力從十幾個MIPS到200個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，但由于投放市場較NIOS早半年左右，目前在性能和價格上均受到NIOSⅡ的強烈沖擊。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)達到500萬門，其雙PowerPC核的處理能力可達400MIPS，已經(jīng)可以同Intel的Xscale媲美。

三、比較幾種流行的SOC技術

　　除了在可編程邏輯上實現(xiàn)的系統(tǒng)芯片外，其他一些廠商也把目標瞄準了SOC的市場，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（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，積極的發(fā)展自己的SOPC產(chǎn)品。SOPC結合了SOC和PLD、FPGA各自的優(yōu)點，一般具備以下基本特征：

　至少包含一個嵌入式處理器內核；

　具有小容量片內高速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技術融合的結果，目前0.13微米的ASIC產(chǎn)品制造價格仍然相當昂貴，相反，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應用的靈活性和價格上有極大的優(yōu)勢。

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的接口通過可編程元素連接起來。PSOC器件集成有一個快速微控制器（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計師隨意配置。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）來處理信號的用戶模塊。
　　 作為通用的器件，PSOC主要是針對嵌入式系統(tǒng)的應用，包括音頻、無線、手持、數(shù)字通信、互聯(lián)網(wǎng)、控制和消費類系統(tǒng)。Cypress 微系統(tǒng)公司將提供PSOC設計工具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C編譯器和匯編程序、一個連接和調試工具、一個在線仿真器和器件編輯器(Device EditorTM)。

3．CSOC（Configurable System On Chip）

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

　　從另一個角度看，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)市場成熟，可以大量供貨后，可以很輕松的將現(xiàn)有的CSOC設計，轉換成完全的ASIC設計，以此來最大的降低器件的成本。

　　目前CSOC的市場還不是很活躍，國內的主要代理商為矽正電子有限公司。

　　一個值得思考的問題是，CSOC的技術特點并不是很符合牧村定律的觀點。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，而從現(xiàn)在到2010年學者認為之可定制的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，也許作為技術研究還是比較合適的。

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