幾款經(jīng)典的嵌入式系統方案推薦

在日益信息化的現代社會(huì )中，計算機和網(wǎng)絡(luò )的應用已經(jīng)全面滲透到日常生活中，各種應用嵌入式系統的電子產(chǎn)品也隨處可見(jiàn)，計算機的應用經(jīng)過(guò)桌面PC系統的空前之后，嵌入式系統的應用正風(fēng)起云涌，廣泛進(jìn)入到工業(yè)、軍事、通信、環(huán)保、電力、鐵路、金融等眾多領(lǐng)域。作為兩大類(lèi)型計算機之一的專(zhuān)用計算機系統、即嵌入式系統在應用數量上已經(jīng)遠遠超過(guò)傳統的通用計算機系統，嵌入式微控制器技術(shù)的出現給現代工業(yè)控制領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命。

嵌入式微控制器組成的系統可嵌入到任何需要控制的設備中，并且在工控領(lǐng)域的應用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。嵌入式系統按形態(tài)可分為設備級(工控機)、板級(單板、模塊)、芯片級(MCU、SoC)。當前使用的單片機與工控機是一種典型的嵌入式系統應用。隨著(zhù)Internet的飛速發(fā)展，對各種工控設備的網(wǎng)絡(luò )功能要求也越來(lái)越高。大量的智能設備將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )相互傳遞信息和數據，實(shí)現智能化現場(chǎng)設備的功能自治性、系統結構的高度分散性以及監管控一體化。

在嵌入式系統的市場(chǎng)競爭愈加激烈的今天，如何快速地將符合需求的產(chǎn)品投入市場(chǎng)并在競爭中保持一席之地?成為眾多嵌入式研發(fā)制造企業(yè)所面臨的共同課題。

所以必須通過(guò)加快設計流程來(lái)提高設計質(zhì)量，而目前大多企業(yè)普遍采取的解決方案是利用現成的商業(yè)化平臺。嵌入式設備在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，除了必須考慮它的處理器架構、操作系統性能、以及其他組件之外，開(kāi)發(fā)人員還必須了解一些例如：系統的哪些部分需要設計、哪些部分需要購買(mǎi)現成設備等等。

一般自行設計的方案，它的優(yōu)勢是可以全面地自定義最終的解決方案并優(yōu)化成本，但是任何設計規格的更改或疏忽都會(huì )使成本高昂，且周期漫長(cháng)。相反，使用商業(yè)現成的平臺將增加產(chǎn)品的銷(xiāo)售成本，或者可能會(huì )浪費一些不必要的成本，但是通常來(lái)說(shuō)，現成的系統提供了更快的驗證周期，因而也就具有更為快捷的設計流程，從而在更短的上市時(shí)間內保證設計的質(zhì)量。

下文我們就將用于開(kāi)發(fā)嵌入式系統的兩種方案----自行設計或使用現成平臺進(jìn)行對比闡述，并且討論與這兩種方案相關(guān)的技術(shù)和經(jīng)濟風(fēng)險。

方案一：自行設計

開(kāi)發(fā)之前，需要為系統的核心控制部分選擇一種處理器技術(shù)，目前研祥采用以下五種技術(shù)：

1. 微控制器-微控制器的成本極為低廉，并且通常在單一的芯片上提供了集成的解決方案，且包括I/O外圍設備。它們通常帶有極小的片上存儲容量，而且難以用于復雜性高和需要擴展的場(chǎng)合。此外，其時(shí)鐘速率通常是10MHz的數量級，因此一般不能實(shí)現高性能的控制循環(huán)。

2. 嵌入式處理器-和微控制器相比，嵌入式處理器的時(shí)鐘速率更高且通常具有外部存儲接口，因而性能和擴展性并不成問(wèn)題。但是應用程序需要進(jìn)行復雜的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)，因為嵌入式處理器通常并不帶有片上模擬外圍設備。此外，隨著(zhù)芯片封裝技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器通常采用高密度的封裝技術(shù)，例如球柵陣列封裝(ball-grid array，即BGA)，這將導致較復雜的制造流程，增添了更為困難的硬件調試工作。

3. 數字信號處理器(DSP)-DSP是一種專(zhuān)用的微處理器，它提供額外的指令以?xún)?yōu)化特定的數學(xué)函數，例如乘法和累加操作。DSP對于計算繁重的應用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)是極為有用的，但是通常需要專(zhuān)業(yè)的知識來(lái)利用它的軟件性能。

4. 專(zhuān)用集成電路(ASIC)-ASIC芯片是專(zhuān)為某個(gè)特定的應用而設計的，不具有通用性。對于解決諸如功耗和產(chǎn)品成本等問(wèn)題，ASIC被廣泛認為是一種極好的方案。但是，極為昂貴的ASIC開(kāi)發(fā)和制造流程通常讓人望而卻步，一般僅限于具有極大產(chǎn)量的產(chǎn)品。

5. 現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)-FPGA在自定義的ASIC設計和現成的技術(shù)之間提供了極好的平衡。它們具有高度的專(zhuān)有化性能，同時(shí)可以通過(guò)編程重新配置邏輯模塊，因而其開(kāi)發(fā)成本與ASIC相比要低得多。雖然FPGA可以被應用于各種場(chǎng)合，但是一般來(lái)說(shuō)復雜的FPGA設計并不常見(jiàn)，因為對于大部分習慣于使用C語(yǔ)言進(jìn)行順序編程的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，VHDL編程格式顯得十分陌生。

在許多情況下，單一的處理器技術(shù)并不足以解決應用的需求，因此，混合式架構逐漸成為發(fā)展的方向。如圖1所示，嵌入式處理器用于進(jìn)行系統管理、用戶(hù)界面和數據分析，而DSP負責與I/O模塊和對數據進(jìn)行初步處理等任務(wù)。這種混合式架構在嵌入式系統設計中變得十分普遍。

圖1：嵌入式處理器用于進(jìn)行系統管理、用戶(hù)界面和數據分析，而DSP或FPGA負責與I/O模塊和對數據進(jìn)行初步處理等任務(wù)

在確定了使用何種處理器技術(shù)之后，設計人員還需要完成I/O電路的開(kāi)發(fā)。如果嵌入式系統中存在任何的模擬信號，那么就需要使用模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)、以及相應的軟件驅動(dòng)。模擬電路的設計同樣會(huì )遇到很多復雜的問(wèn)題，限于篇幅本文不再贅述。

方案二：利用EVOC EEB PowerPC模塊構建

采用這種方案，雖然通常來(lái)說(shuō)需要付出比板卡組件成本更高的價(jià)錢(qián)，但是可以顯著(zhù)縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。除此之外，這些系統具有較好的可擴展性。隨著(zhù)處理器技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式系統出現以下幾種不同的實(shí)現技術(shù)：

1、 非集成式嵌入式系統------對于使用現成產(chǎn)品來(lái)構建系統，這種系統通常是最為經(jīng)濟的解決方案。但是，針對這種系統的軟件開(kāi)發(fā)工具幾乎從未集成，而且這些系統通常需要進(jìn)行各種監管認證。

2、 集成式嵌入式系統------除了具有與非集成式嵌入式系統相同的組件，這種系統還提供諸如沖擊、振動(dòng)、工作溫度，以及環(huán)境認證之類(lèi)的技術(shù)說(shuō)明。通常這些系統更加昂貴，但一般都帶有集成的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，且具有更為豐富的I/O選擇。

3、 工業(yè)級PC------利用現成的PC技術(shù)，工業(yè)級PC為開(kāi)發(fā)工具及I/O性能提供了更為豐富的選擇。它們也具有許多與其他集成式嵌入式系統相同的技術(shù)說(shuō)明和認證，但這種性能是以成本為代價(jià)的，它比前述兩種方案更為昂貴。

基于EVOC EEB PowerPC模塊的集成式嵌入式系統架構與圖1所示的簡(jiǎn)單方框圖相似。它使用Freescale PowerPC嵌入式處理器運行VxWorks或Linux實(shí)時(shí)操作系統。PowerPC通過(guò)內部的60X總線(xiàn)或PCI總線(xiàn)與DSP/FPGA相連接。 DSP/FPGA直接連接至AD采集芯片、開(kāi)關(guān)量輸入輸出等外圍接口。

圖2：基于EVOC EEB PowerPC模塊的集成式嵌入式系統示意圖

圖3：EVOC EEB PowerPC模塊框架

縱觀(guān)以上兩種設計方案，技術(shù)性在其中能不能起到?jīng)Q定性作用，而簡(jiǎn)單的經(jīng)濟性分析卻是非常必要的。如果最終的利潤足大于開(kāi)發(fā)過(guò)程中所花費的工程成本投資，那么所做的決定就是明智的。準確估算自行設計方案所花費的成本，并不是一個(gè)很簡(jiǎn)單的過(guò)程;如果只是把板卡組件的成本和硬件及軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間相加，那么只能是非常粗略地估算了總投資成本。還應該考慮其他的潛在成本才能準確地評估實(shí)際的任務(wù)成本。

評估了工程投資成本后，可使用公式： TPC/(SUP-VCUP)=BEP(其中，TFC為總固定成本，VCUP為單位變動(dòng)成本， BEP為收支平衡點(diǎn)。)簡(jiǎn)單計算出企業(yè)的收支平衡點(diǎn)。但這并沒(méi)有包含其他潛在成本。不過(guò)，如果選擇了集成式嵌入式系統，不但可以縮短上市時(shí)間，而且早期的利潤將會(huì )用于成本優(yōu)化和特性改進(jìn)。通過(guò)這種方案，可以在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內分攤投資成本，而不是在早期的開(kāi)發(fā)過(guò)程中投入所有資金。

那么這樣是否就不用再自行設計板卡了呢?當然不是。對于那些對形狀尺寸有具體要求且具有極高產(chǎn)量的系統，或者技術(shù)要求極為苛刻的系統來(lái)說(shuō)，自行設計的方案將更具優(yōu)勢。而對于產(chǎn)量相對較低、技術(shù)復雜又需要快速上市的產(chǎn)品，使用現成平臺可以讓供應商負擔物流和潛在成本，而使設計人員可以專(zhuān)注于突出技術(shù)優(yōu)勢，從而在市場(chǎng)競爭中處于領(lǐng)先位置。