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嵌入式技術  

如何在開發嵌入式系統時做出明智的選擇

上網時間: 2003年08月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:嵌入式  即時系統  硬體  軟體  開發 

本文將描述嵌入式即時系統的關鍵特徵,然後討論如何在所選擇或所開發硬體軟體構件的基礎上開發一個高效的嵌入式系統方案,並介紹開發這些系統所需的獨特關鍵處理技術。

許多系統設計師將執行軟╱硬體協同設計周期(圖1),即同時開發硬體和軟體。理解硬體與軟體功能之間的關係以及對兩者進行劃分有助於確保完全和正確地實現系統需求。

在定義和分析需求的初期階段,系統開發者需要與設計工程師緊密合作,將要求實現的功能分配給硬體或軟體。這是根據早期系統模擬、設立原型和行為建模的結果,再加上對前面提及的多種因素的折衷以及過去的設計經驗來進行分配的(圖2)。一旦完成這種分配,就將開始詳細的設計和實現。當同時進行硬體和軟體設計時,各種不同的分析技術將被應用到即時系統的開發過程中,它們包括:硬體和軟體模擬、硬體╱軟體協同模擬、可規劃性建模(如速率單調性分析)、設立原型和增量開發。

能夠用於各種不同抽象級的模擬技術可以對性能做出早期評估。低抽象級的模擬能夠用於對匯流排頻寬和數據流建模,而且它們對評估性能也非常有用。高抽象級的模擬能解決功能交互問題,並研究硬體╱軟體的折衷方案和驗證設計有效性。運用模擬方法,複雜的系統能夠被抽象為基礎的元件和行為。模擬能幫助解決功能方面的問題(數據和算法)、行為方面的問題(處理的先後順序)或性能方面的問題(資源利用率、吞吐量和時序)。

嵌入式即時系統的最佳化十分重要。因為這些系統設計用於解決相對較窄範圍的問題,所以硬體和軟體經最佳化後只要能執行好單個應用就行。目標是在硬體與軟體達到最佳平衡的條件下來設計系統。這個階段的主要影響因素包括處理器的選擇、如何在硬體與軟體之間分割應用以及整個系統的整合。圖1:嵌入式系統設計周期。

在為嵌入式即時系統選擇處理器時,應考慮以下因素:

1.性能:處理器必須具備足夠的性能來處理任務,並能支援產品的生命周期。

2.實現:根據具體的應用,需要的處理器可能是高度整合的產品,甚至於符合軍用規格。對於一個DSP應用,它可以在幾種方案中進行選擇。一種選擇是ASIC。這種元件能被作為DSP協同處理器,但對許多通用訊號處理應用而言,它不是非常靈活。另一種選擇是RISC處理器。這種元件具有極快的時脈速度,但可能不具備可伸縮性,而且可能還存在其它即時問題。FPGA是一種快速元件,能非常迅速和高效地執行某些DSP功能,但與DSP相較,它們仍很難開發。

在DSP中,一個簡單的程式就能完成這些相同的功能。如果應用是主機訊號處理應用,那麼選擇一款功能更強大、功耗更高的通用處理器可能沒有問題。如果訊號處理應用要求能快速升級,那麼像DSP這樣的可程式元件將比定製的硬體解決方案更有吸引力。

3.工具支援:支援軟體製作、除錯、系統整合、程式碼調整和最佳化的工具對於整個計畫的成功非常重要。

4.作業系統支援:嵌入式系統應用的複雜性要求採用有益的抽象來降低複雜度。針對所選處理器最佳化的商作為業系統能夠縮短應用開發周期和產品上市時間。

5.過去的經驗:以前使用所選處理器或處理器系列的經驗可以減少學習新處理器、工具和技巧所需的時間。

6.模擬支援:周期精確的模擬技術在某些種類的應用中十分重要,尤其對於數位訊號處理,它的大部份功能是依靠模擬技術來驗證正確性的。嵌入式系統的軟╱硬體協同設計模型也使得處理器模擬器成為開發流程中的一個有用工具。

7.應用支援:支援方式分為許多種──從經由熱線或網站提供的應用指南到預打包的軟體;從應用框架到可用的測試基準。某些DSP處理器還一並提供用於周邊設備的驅動程式、電路板支援包以及其它‘啟動套件’。這些軟體使應用開發者不必再編寫沒有加值意義的軟體,如設備驅動程式,轉而專注於為應用開發增值功能,它們將使產品在市場上表現出個性化特色。圖2:概念形成和系統定義。

8.成本:嵌入式應用對成本非常感應。幾美分的成本差異就能決定產品在市場上的成敗。

9.功耗:許多可攜型的嵌入式即時系統是依靠電池供電的。因此,電池壽命成為系統的一個重要參數。在這種情況下,應考慮採用針對可攜式應用最佳化的低功耗元件。

10.既有程式碼:選用需要移植現有程式碼的處理器可能會顯著延長開發周期。選擇一款程式碼相容的元件則可以縮短或省去移植程式碼的步驟。

11.算法複雜性:特定處理器能很高效地執行特定算法。選擇的處理器應該盡可能與應用相匹配。例如,包含大量控制程式碼的有限狀態機應用應該選用RISC元件,如ARM處理器。而諸如編碼、解碼和回波消除等訊號處理應用則應當選用DSP或具有訊號處理加速器的某些元件。

12.上市時間:計畫的最終期限可能會影響處理器的選擇。這與前述的幾項選擇標準有密切關係,如作業系統和其它軟體的可供應性以及程式碼的可移植性問題等。

因為嵌入式系統的預算不斷縮減,即時作業系統(RTOS)和TCP/IP堆疊等商業技術已經得到增強,加上對嵌入式系統的需求不斷擴展,所以採用現成商業技術的做法正變得越來越流行。使用現成商業技術可以縮短開發周期的某些階段,包括編碼、除錯、單元測試和程式碼檢查等。

不過,如果決定購買而不是自主開發,那麼這將改變一家公司的基本開發流程。選擇購買現成商業技術的公司預計要進行的一些新工作包括:研究和評估供應商、產品評估以及後續與供應商的互動和關係維護等。

很重要的一點是應該讓終端用戶和技術人員參與選擇現成商業技術供應商的過程。在選擇的過程中,不僅要考慮技術問題,還要重點關注商業需求。影響成本的因素包括:易學性、易用性、供應商的信譽和穩定度、授權協議以及培訓事宜。在選擇供應商時的主要任務包括:研究和理解技術標準;向供應商徵詢建議;評估供應商的建議並對他們作出排名;選擇一家供應商並與之簽署合約。

嵌入式系統供應商已經認識到,他們需要透過提供軟體模組和框架,來加速軟體開發進程。在DSP領域,供應商提供了數百個DSP軟體給DSP設計師,供他們在產品和系統開發中使用,其中包括參考框架。

在應用開發的早期階段,已經設計好的參考框架對於設計師而言是能夠用以啟動計畫的解決方案。參考框架包含在許多應用中可以通用的原始程式碼。設計師可以選擇最能滿足其系統需要的特定參考框架,然後將參考框架與算法(由其他供應商銷售的DSP商業現成技術或者它們自己開發的算法)整合在一起,因而為一系列終端設備創造特定應用,包括寬頻、語音、視訊成像、生物測定和無線基礎設備等。

作者:Robert Oshana


工程經理


德州儀器公司




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