嵌入式開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)模式及發(fā)展趨勢(shì)

　　經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，單片機(jī)品種不斷增多，功能不斷增強(qiáng)，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，開(kāi)發(fā)時(shí)間（Time to Market）要求越來(lái)越短。為了節(jié)省時(shí)間，嵌入式微處理器在16位和32位應(yīng)用場(chǎng)合得到使用，大量的微機(jī)程序可直接引用。

　　在軟件開(kāi)發(fā)上，由匯編語(yǔ)言編程、高級(jí)語(yǔ)言C語(yǔ)言編程，轉(zhuǎn)向在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，簡(jiǎn)稱(chēng)RTOS）之上編程。

　　在硬件設(shè)計(jì)上，由使用分立元件和微機(jī)接口芯片轉(zhuǎn)向更加集成化的設(shè)計(jì)模式——CPU+PLD+AD/DA。

　　CPU即 MCU或MPU， PLD即可編程邏輯器件。模數(shù)混合的集成電路很難設(shè)計(jì)生產(chǎn)，現(xiàn)階段AD/DA即模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等模擬電路還采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。PLD芯片可以在系統(tǒng)編程ISP（In System Programming），硬件已經(jīng)軟化，隨時(shí)可以進(jìn)行修改。

　　1999年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和許多產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)已采用這種設(shè)計(jì)模式。為進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、加強(qiáng)管理，平臺(tái)觀(guān)念已逐步引入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中。從隨意性開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向平臺(tái)開(kāi)發(fā)模式是嵌入式應(yīng)用軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　軟件開(kāi)發(fā)

　　單片機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家不斷增多，單片機(jī)品種層出不窮。單片機(jī)廣泛選擇是當(dāng)今產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。每個(gè)單片機(jī)系列的指令系統(tǒng)不同，與指令系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的匯編助記符就不同。匯編語(yǔ)言的不兼容性使得在一種單片機(jī)上編制的程序，在另一種單片機(jī)上不能運(yùn)行，單片機(jī)重新選型后程序必須重新編制。匯編語(yǔ)言的難記、難讀及易搞混，每個(gè)匯編程序員深有同感。自己編制的程序過(guò)一段時(shí)間修改時(shí)，往往要重讀很大部分，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間回憶才能找到問(wèn)題所在。修改別人留下的匯編源程序，若程序的注釋說(shuō)明不詳細(xì)、程序的思路不清晰、子程序使用不夠多的話(huà)，還不如自己重新編制。

　　用C語(yǔ)言編程是單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)。C語(yǔ)言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。 C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、可移植性好，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　采用C語(yǔ)言也不必對(duì)單片機(jī)和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，編譯器可以自動(dòng)完成變量存儲(chǔ)單元的分配，編程者專(zhuān)注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)即可，這樣大大加快了軟件的開(kāi)發(fā)速度。采用C語(yǔ)言可以很容易地進(jìn)行單片機(jī)的程序移植工作，有利于產(chǎn)品中單片機(jī)的重新選型。

　　采用C語(yǔ)言，可針對(duì)單片機(jī)常用的接口芯片編制通用的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，針對(duì)常用的功能模塊、算法等編制相應(yīng)的函數(shù)。這些函數(shù)經(jīng)過(guò)歸納整理可形成專(zhuān)家?guī)旌瘮?shù)，供廣大的單片機(jī)愛(ài)好者使用、完善，這樣可大大提高國(guó)內(nèi)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)水平。C語(yǔ)言可讀性的特點(diǎn)，更容易使大家借鑒前人的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提高自己的軟件設(shè)計(jì)水平。

　　對(duì)于C語(yǔ)言生成代碼的時(shí)空效率，一般來(lái)講，程序代碼長(zhǎng)度增加20%，程序執(zhí)行速度約減慢20%。這在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器不斷擴(kuò)大、晶振頻率不斷提高的今天，已不是主要考慮的問(wèn)題。

　　況且，這是和優(yōu)秀的匯編程序員編制代碼的比較。當(dāng)然，非常注重代碼效率的場(chǎng)合可以是以C語(yǔ)言為主，匯編語(yǔ)言為輔。匯編語(yǔ)言掌握到只要可以讀懂程序，在時(shí)間要求比較嚴(yán)格的模塊中進(jìn)行程序的優(yōu)化即可。在可移植性方面，單片機(jī)C語(yǔ)言都符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，差別主要是有關(guān)片內(nèi)資源的不同配置及使用，這可以通過(guò)采用不同的頭文件，經(jīng)過(guò)少量的加工就可以實(shí)現(xiàn)。

　　隨著國(guó)內(nèi)單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具研制水平的提高，現(xiàn)在的單片機(jī)仿真器普遍支持C語(yǔ)言程序調(diào)試，為單片機(jī)編程使用C語(yǔ)言提供了便利的條件。單片機(jī)的C語(yǔ)言相對(duì)微機(jī)的C語(yǔ)言要好學(xué)得多，它沒(méi)有微機(jī) C語(yǔ)言有關(guān)文件的使用，也不必掌握標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備有關(guān)的格式要求。

　　北京航空航天大學(xué)出版社出版的《單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》（修訂版）教材是專(zhuān)為沒(méi)有C基礎(chǔ)的人編寫(xiě)的，大量的實(shí)例可引導(dǎo)大家進(jìn)入單片機(jī)C時(shí)代。嵌入式微處理器是以C、C++甚至JAVA語(yǔ)言進(jìn)行編程的，并普遍采用RTOS。

　　在嵌入式應(yīng)用中使用RTOS是由于嵌入式應(yīng)用一般是計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，有兩個(gè)重要特性：實(shí)時(shí)性和可靠性。實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)常用“系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間”來(lái)衡量，即當(dāng)一外部事件發(fā)生，系統(tǒng)能在多少時(shí)間內(nèi)響應(yīng)事件。RTOS分強(qiáng)實(shí)時(shí)和弱實(shí)時(shí)兩種。強(qiáng)實(shí)時(shí)RTOS用于對(duì)時(shí)間要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合?？煽啃詷?biāo)準(zhǔn)常用系統(tǒng)平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，即平均的故障間隔時(shí)間MTBF來(lái)衡量。

　　操作系統(tǒng)（OS）是一組計(jì)算機(jī)程序的集合，用來(lái)有效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，即合理地對(duì)資源進(jìn)行調(diào)度，并為用戶(hù)提供方便的應(yīng)用接口。它為應(yīng)用支持軟件提供運(yùn)行環(huán)境，即對(duì)程序開(kāi)發(fā)者提供功能強(qiáng)、使用方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境。OS的前身就是監(jiān)控程序，類(lèi)似于單片機(jī)仿真器的監(jiān)控程序。

　　RTOS是多任務(wù)的，每個(gè)用戶(hù)的應(yīng)用程序可以設(shè)計(jì)成多個(gè)不同的任務(wù)，這些任務(wù)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(wù)調(diào)度算法為：優(yōu)先級(jí)加輪詢(xún)、非搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度、按優(yōu)先級(jí)搶占的調(diào)度算法。任務(wù)間通信與同步機(jī)制為：郵箱、隊(duì)列、信號(hào)量、事件標(biāo)志。劃分任務(wù)時(shí)，任務(wù)之間的通信要盡可能少，這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

　　基于任務(wù)的設(shè)計(jì)可擴(kuò)展、可管理、可大大提高系統(tǒng)的可靠性。RTOS提供給用戶(hù)的是各種系統(tǒng)調(diào)用。中斷、時(shí)間基準(zhǔn)及定時(shí)的管理都由RTOS完成。采用RTOS編程可大幅度縮短程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間。RTOS一般都可裁剪、移植，適用于多種硬件環(huán)境，可以和應(yīng)用程序一起固化到應(yīng)用系統(tǒng)中。

　　隨著后PC時(shí)代的來(lái)臨，微軟維納斯計(jì)劃推出Windows CE，我國(guó)女?huà)z計(jì)劃推出自主版權(quán)的Hopen實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。 “3C”結(jié)合的信息家電問(wèn)世，RTOS引起國(guó)內(nèi)業(yè)界的極大關(guān)注。國(guó)內(nèi)已引入pSOS、 VRTX、VxWorks、QNX、Nucleus等RTOS以及 CMX和RTXC小型適合單片機(jī)的帶源代碼的RTOS。

　　免費(fèi)公開(kāi)內(nèi)核的RTLinux和 μCOS也是使用的熱點(diǎn)。清華大學(xué)出版社出版了《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)》。國(guó)際上很有名的有關(guān)μCOS的專(zhuān)著《Micro C/OS-ii The Real Time Kernel》不久將在國(guó)內(nèi)翻譯出版。 RTOS會(huì)更加深入人心，嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)由匯編、C向 RTOS發(fā)展。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)，即一個(gè)芯片就是一個(gè)計(jì)算機(jī)，代表著計(jì)算機(jī)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(zhuān)用集成電路 ASIC（Application Special Integrated Circuit）設(shè)計(jì)已使片上系統(tǒng) SOC（System On a Chip）的設(shè)計(jì)與制造正在或已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

　　單片機(jī)和SOC是硬件設(shè)計(jì)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(gè)月增長(zhǎng)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(shè)計(jì)速度。其中最重要的是盡可能重復(fù)運(yùn)用已有的設(shè)計(jì)成果，采用具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功能單元塊，即IP核（Intelligence Property Core）。

　　因此，必須重視IP核的開(kāi)發(fā)和重用。在設(shè)計(jì)方法上運(yùn)用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具，使用 VHDL和 Verilog硬件描述語(yǔ)言HDL（Hardware Description Language）進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)。VHDL支持行為級(jí)描述，并有IEEE 87和IEEE 93標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)效率明顯高于Verilog，更加受歡迎。從集成電路的觀(guān)點(diǎn)看，單片機(jī)是IP核，常用接口芯片 8255、8250、8279等也有類(lèi)似功能的IP核。8051單片機(jī)得到Philips、Atmel等眾多廠(chǎng)商的支持也得益于其IP核的互換和轉(zhuǎn)讓。內(nèi)含CPU的可編程邏輯器件已列入集成電路生產(chǎn)廠(chǎng)家的生產(chǎn)計(jì)劃。模數(shù)混合的集成電路還存在設(shè)計(jì)制造難度。