摘要：综述嵌入式系统设计的最新发展情况；论述当前嵌入式系统设计技术发展的特点；从嵌入式系统设计开发的复杂度，开发形式、手段和工具，开发平台和开发语言等方面嵌入式系统设计发生的各种变化，并提出应对这些变化的各种挑战。 关键字：嵌入式系统；设计技术；SoC 　　1 嵌入式系统设计技术发展的特点 　　随着微电子技术的飞速发展，CPU已经变成低成本器件。在可能的情况下，各种机电设备已经或者正在嵌入CPU构成的嵌入式系统。据Virginia Tech公司报告，嵌入式系统中所使用的CPU数量已经超过通用PC中CPU数量的30倍。 　　现在系统研究的重点已从通用系统转向专用系统，以及从一般性能转向可靠性、可用性、安全性、自主性、可扩展性、功能性、灵活性、成本、体积、功耗及可管理性上。 　　1.1 32位嵌入式处理器比例快速升高 　　InStat/MDR曾预测在2001～2006年期间，32位向控制器（MCU）的复合年增长率可达22.6%。而全球32位MCU市场在2003年的增长幅度实际已走过30%，在2004年预计将达到38%。增长的驱动因素主要有两个方面。 　　一方面因为像数码相机、MP3播放机、PDA、游戏机和移动电话手机等手持设备以及各种信息家电等有更高性能要求的多媒体和通信设备的推出。在这些应用中，庞大的多媒体数据必然需要更大的存储空间，目前许多32位微控制器都可以使用SDRAM，因此可极大地降低使用更大容量数据存储器的成本；而8位微控制器一般只能使用成本较高的SRAM作为数据在座 器。此外除了处理应用控制功能之外，需支持互联网接入的应用在MCU运行TCP/IP或其它通信协议的情况下，要求系统建立在RTOS上就必然成为一种现实需求。另外，有越来越多的像电视机、汽车音响及电子玩具等传统应用也与时俱进地提出数字化和“硬件软化”的要求，它们对计算性能的要求及存储器容量的需求都超出绝大多数8位微控制器能提供的范围。 　　另一方面由于IT技术发展的推动，32位ARM体系结构已经成为一种事实上的标准，随着高端32位CPU价格的不断下降和开发环境的成熟，促使32位嵌入式处理器日益挤压原先由8位微控制器主导的应用空间。随着ARM处理器在全球范围的流行，32位的RISC嵌入式处理器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计的主流。 　　8位机除MCS-51外，其它的8位机和16位机都没有一种能为标准或准标准产品。32位嵌入式处理器一度被认为只适用于高端应用场合的看法正在改变。有更多、更复杂特点和功能需求的便携式电子设备正促使嵌入式系统工程师考虑用32位MCU取代8/16位MCU。另外，越来越多的设计师认识到，转用32位架构不令能提升性能，还能降低相同成本下的系统功耗和节约总成本以及缩短产品上市时间。这个转变为设计师提供了可随着产品的性能和需求不断扩展而升级的方案。 　　1．2 可供选择的可编程计算部件方案增多 　　（1）GPP-EP-MCU-DSP-ASP/ASSP-ASIC/SoC 　　嵌入式系统的核心是可编程计算部件，即处理器。这可以有很多种选择，而且近几年又增加了一些新的选择：除过去常用的通用处理器GPP（Gereral Purpose Processor）、嵌入式处理器EP（Embedded Processor）、微控制器MCU（Micro-Control Unit）、数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）外，目前发展很快、可以给我们提供新的选择的还有各种专用处理器ASP（Application Specific Processor）或专用标准产品ASSP（Application Specific Standard Product）。它们都是针对一些特定应用而设计的，如用于HDTV、ADSL、Cable Modem等的专用处理器。与MCU相比，ASP/ASSP集成的资源可能比一般MCU更多、更专业化，所以ASP的价格要高于MCU；但因为它的应用在相关领域中又是通用、标准和开放的，所以任一个公司都能应用它构成自己的系统或产品，而不存在侵犯知识产权的问题。另一种有知识产权保护的在应用上较封闭的专用集成电路ASIC（Application Specific IC）类的定制片上系统SoC(System on Chip)的投入成本就要比ASP高得多。但这可以根据设计人员的要求来构建定制SoC，这样就可为设计人员提供满足量体载衣式应用需求的灵活性。SoC技术使嵌入式系统应用发生了革命性的变化，这个变化就是嵌入式系统的设计技术，已从选择厂家提供的标准产品时代进入了用户具有个性的自行开发设计器件的时代。 　　（2）PsoC/SoPC/CsoC 　　采用定制SoC有两大缺点：一是高昂的一次性工程费用（NRE）；二是从产品概念到生产阶段需要很长的前置开发时间。目前的一个发展趋势是以FPGA为代表的现场可编程技术在迅速崛起。这是由于市场对通用可配置处理器的呼声越来越高，传统的MCU在市场需求中显得越来越力不从心。可配置、可扩展处理器逐渐浮出水面。利用半定制器件可以构成基本FPGA的硬核处理器或基于FPGA的软核处理器。并由此可编程片上系统（PsoC或SOPC）应运而生。这是一种面向消费电子、工业、办公自动化、电信和汽车应用中的嵌入式控制功能而开发的高性能、现场可编程、混合信号阵列。它集MCU和FPGA/CPLD的优点于一身，实现可配置SoC，既适应了设计人员对系统部件集成的需要，又能实现可配置需求的灵活性。从而为许多现实应用提供一种平衡解决方案。 　　不同的厂家依据自己本来的优势，从两个不同方向异途同归地实现这种“可配置”性。一种是FPGA厂商在现有的FPGA架构中加入微处理器核与其它IP功能模块，使其兼备功能性和灵活性。例如，Altera公司为嵌入式应用先后推出的Nios和Nios II软核嵌入式处理器，就是一种可特许的通用RISC CPU。它可与各种各样的外围接口、用户自定义指令和硬件加速单元相组合，构成一个定制的可编程片上系统（SoPC），并能够根据需要选择配置。Xilinx也同样推出一个类似的32位哈佛结构的MicroBlaze软核嵌入式处理器。而另一种是微处理器厂家从微处理器出发，再加入可编程逻辑模块。例如Triscend公司推出一种波称为是CsoC(Configurable SoC)的技术，是在一个以ARM架构微处理器核为核心的SoC中嵌放工可编程逻辑模块，构成可配置的SoC平台。 　　1.3 微控制器的发展特点 　　尽管由于市场对多功能产品需求的增加和IT技术的推动，使32位MCU产品日益成为市场的热点；但目的8位MCU仍然是技术市场的主流，并且还有相当广阔的应用空间和旺盛的生命力，16位MCU也占有一定的市场份额。各种MCU根据自己在市场上的定位，也都有了很大发展，MCU总的发展具有以下一些特点。 　　（1）微控制器SoC化 　　微控制器（MCU）已可集成越来越多的内置部件。常用的部件有存储器类，包括程序存储器MROM/OTPROM/EPROM/EEPROM/Flash和数据存储器SRAM/SDRAM/SSRAM；有串行接口类，包括UART、SPI、I2C、CAN、IR、Ethernet、HDLC；有并行接口类，包括Centronics、PCI、IDE、GPIO等；有定时和时钟类，包括Timer/Counter、RTC、Watchdog、Clock out；有专用和外围接口类，包括Comparer(比较器)、ADC、DAC、LCD控制器、DMA、PWM、PLL、MAC、温度传感器等 。甚至有的MCU，例如NS公司的MCU，已把语音、图像部件也集成到单片机中，目的就是在单个器件中集成所有所需要用到的部件，构成片上系统（SoC）。由于Cygnal公司推出的C8051F系列的MCU在一个芯片中集成了构成数据采集系统或控制系统所需要的几乎所有的数字和模拟外围接口和功能部件，所以这种混合信号芯片被其称作SoC。 　　　（2）多核结构处理器 　　随着嵌入式应用的深入，特别是在数字通信和网络中的应用，对处理器提出了更高的要求。为适应这种情况，现在已出现多核结构的处理器。 　　Motorola公司研发的MPC8260 PowerQUICC II就是是一种先进的为电信和网络市场而设计的集成通信微处理器。它融合了两个CPU——嵌入式PowerPC内核和通信处理模块（CPM）。由于CPM分担了嵌入式PowerPC核的外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗反而要低于传统体系结构的处理器。 　　Infineon公司推出的TC10GP和增强型TC1130都是三核（TriCore）结构的微处理器。它同时具备RISC、CISC和DSP功能，是一种建立在SoC概念上的结构。这种单处机由三个核组成：微控制器和DSP核、数据和程序存储器核、外围专用集成电路（ASIC）。这种单片机的最大特点是把DSP和微控制器愈合成一个单内核，大大提高了微控制器的功能。具有类似结构的还有Hitachi公司的SH7410、SH7612等。它们用于既需要MCU又需要DSP功能的场合，比使用单独MCU和DSP的组合提供了更优势的性能。 　　（3）更低功耗 　　现在新推出的MCU的功耗越来越小，很多MCU都有多种工作方式，包括等待、暂停、休眠、空闲、节电等工作方式。例如Philips的P87LPC762，空闲状态下的电流为1.5mA，而在节电方式下电流只有0.5mA。很多MCU还允许