计算机系统论文2004年全国嵌入式技术研讨会观感

　　这篇计算机系统论文发表了2004年全国嵌入式技术研讨会观感，随着可编程逻辑器件的迅速发展，使用可编程逻辑器件进行系统设计逐渐成为另一个趋势。论文探讨了关于SOC及SOPC的联系，并分析了几种流行的SOC技术。
 

　　摘要：嵌入式技术正在突飞猛进的发展，其带来的巨大的经济效益吸引了越来越多的企业和个人的关注。在2004年全国嵌入式技术研讨会中，各界学者交流了嵌入式领域技术的现状和发展趋势，并对未来的技术发展潮流作了预测，认为在下一个十年中起主导作用的将是以可编程逻辑和系统芯片为代表的可定制技术。此外，会议中还讨论了处理器、操作系统等其他嵌入式系统的关键技术和产品。

　　关键词：计算机系统论文,系统芯片,可编程逻辑,嵌入式处理器,嵌入式操作系统

　　一、综述

　　本次嵌入式系统学术交流会主要设计了如下一些嵌入式的产品和技术领域，它们是单片机，嵌入式处理器，可编程逻辑，系统芯片，嵌入式操作系统，嵌入式软件以及相关的系统整合开发方法。从会议主办方的观点看，会议讨论的重点是系统芯片SOC。因此本文着重介绍在会议上得到的对于SOC的现状及将来的认识。

　　二、关于SOC及SOPC

　　系统芯片SOC的提出已经经历了一段不短的酝酿期，市场和技术人员都认为现在乃至将来的5年，将是SOC迅速发展并且广泛应用的黄金时间。如手机芯片，数码相机芯片是当前SOC产品的代表例子。在这种芯片上实现了具体应用所需要的特殊功能，同时包含处理器、存储器和一些标准接口，使得电子系统布局更加紧凑，功能更加强大。

　　而我国同时也在强调IC设计能力的提升， 15家国家试点IC设计机构的启动，表明了国家对于IC设计的投入和观点。这些IC设计机构的工作重点也将着眼于SOC设计而决不会是一些简单的常用标准IC。微软亚洲研究院在聘用“深蓝之父”许峰雄之后，也开始了其IC设计的旅程。

　　现在我们常用的可编程器件来自Altera公司，Altera公司的可编程逻辑器件已经有Flex系列升级到低端Cyclone系列和高端的Statix系列，器件内所包含的逻辑单元已经达到数百万门，时钟频率接近200MHz。同时其应用软件也完全淘汰了MaxPlusⅡ而代替以QuatusⅡ+SOPC Builder。在嵌入式系统的发展中，硬件的发展引领着时代的进步，但是这种进步必须得到开发软件的支持才能叫更多的人(我们)直接的感受到技术进步带来好处。

　　为积极开发基于可编程逻辑期间的SOC产品，Altera设计开发了基于其可编程逻辑器件的处理器内核——NIOS系列，目前最新产品是NIOSⅡ，其处理能力接近150MPIS，除较高的处理能力外，Altera还希望在其可编程逻辑中同时实现多个NIOSⅡ，以实现并行处理提高运算能力。使用SOPC Builder可以方便的开发含有NIOS的可编程逻辑产品，并且提供了大量的标准外设接口，同时NIOS支持ANSI C标准，还提供了用户可重定义的指令系统。

　　Altera并不是销售量最大的可编程逻辑期间供应商，业界最大的可编程逻辑期间供应商是Xilinx，因为进入中国市场较晚，并且针对学生的市场开发规模较小，使得我们对他有一些陌生。目前Xilinx正在依托国防科大实施其大学计划。

　　Xilinx的可编程逻辑中也开发并投产了大量多种类的处理器，从高端的PowerPC到低端的8位处理器核应用尽有，处理能力从十几个MIPS到200个MIPS都可以找到。其中PowerPC采用硬核方式嵌入到可编程逻辑中，其高端的Vertex4中包含了两个硬核的PowerPC。其中档32位可编程逻辑处理器同NIOSⅡ处于同一档次，但由于投放市场较NIOS早半年左右，目前在性能和价格上均受到NIOSⅡ的强烈冲击。Xilinx的可编程逻辑产品线跨度更大，覆盖范围更广，逻辑资源已经达到500万门，其双PowerPC核的处理能力可达400MIPS，已经可以同Intel的Xscale媲美。

　　三、比较几种流行的SOC技术

　　除了在可编程逻辑上实现的系统芯片外，其他一些厂商也把目标瞄准了SOC的市场，也带来了一些其它类型的可编程SOC产品，主要包括PSOC和CSOC。下面比较一下这三种器件的特点(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的优势，积极的发展自己的SOPC产品。SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：

　　至少包含一个嵌入式处理器内核;

　　具有小容量片内高速RAM资源;

　　丰富的IP Core资源可供选择;

　　足够的片上可编程逻辑资源;

　　处理器调试接口和FPGA编程接口;

　　可能包含部分可编程模拟电路;

　　单芯片、低功耗、微封装。

　　SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果，目前0.13微米的ASIC产品制造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑的SOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。

　　2.PSOC(Programmable System On Chip)

　　PSOC是Cypress公司的产品，其特征在于将各种处理模拟信号的接口通过可编程元素连接起来。PSOC器件集成有一个快速微控制器(MCU)和SONOSTM(硅/氧化氮/氧化硅)工艺制造的闪速存储器及SRAM，以及具有模拟和数字系统功能的可编程阵列器件(即PSOC blocks)，并实现了低成本和小型封装形式供货。PSOC包括多种用户模块，与CPLD的宏单元非常相似，这些用户模块也可由设计师随意配置。不过，需要牢记的是：与CPLD不同，PSOC还包括能够完全以模拟方式(无需使用数字电路或CPU等等)来处理信号的用户模块。

　　作为通用的器件，PSOC主要是针对嵌入式系统的应用，包括音频、无线、手持、数字通信、互联网、控制和消费类系统。Cypress 微系统公司将提供PSOC设计工具PSOCDesignerTM，它是支持PSOC器件的一种完整的开发系统开发系统，包括有一个C编译器和汇编程序、一个连接和调试工具、一个在线仿真器和器件编辑器(Device EditorTM)。

　　3.CSOC(Configurable System On Chip)

　　CSOC的设计初衷是为了回避SOPC在低出货量、高灵活性方面的优势，而将工作重点瞄准了高出货量的ASIC IC市场，因此CSOC的特点也是相似于ASIC的，在设计阶段比SOPC复杂、成本高，而一旦大批量生产，就可以体现出单件产品价格低，资源利用率高的优势。

　　从另一个角度看，目前的CSOC器件主要提供了51系列或者ARM7系列的硬核处理器，以及其它的逻辑模块，并且可以通过硬件描述语言编程的方式组织管理原有的ASIC资源，也可以实现自己的软核IP，其可编程资源并不比SOPC差。

　　并且，一旦生产厂商发现市场成熟，可以大量供货后，可以很轻松的将现有的CSOC设计，转换成完全的ASIC设计，以此来最大的降低器件的成本。

　　目前CSOC的市场还不是很活跃，国内的主要办理商为矽正电子有限公司。

　　一个值得思考的问题是，CSOC的技术特点并不是很符合牧村定律的观点。依照牧村定律，电子器件以10年为周期在可定制和专用化之间摆动，而从现在到2010年学者认为之可定制的10年，Altera和Xilinx也正在积极地为降低FPGA的每逻辑单元成本而努力，因此是否需要向CSOC投入较大精力仍是值得商榷的问题，也许作为技术研究还是比较合适的。

　　四、其它

　　会议中还介绍了其他一些嵌入式产品，比如ARM、新型的单片机等。由于ARM的迅速兴起，已经严重挤压了单片机的市场，几乎成为32位通用嵌入式处理器的“标准”，各种规模背景的厂商都在开发基于ARM的产品，各式的ARM开发板也充斥着市场。而生产单片机的厂商则开始谋求新的发展。比如高可靠性，低功耗，采用Flash替代Ram等。以及一些专有领域的相对专用的单片机。利用Flash提供了另一种灵活性更高的在线可编程可配制的解决方案，这种技术已经得到了一些应用。本次展会单片机大厂FreeScale(原Motorola)没有出席，但可以确定的是FreeScale依然在进行高性能单片机的研发和制造。目前其针对中国市场正在大力宣传其单片机、DSP和传感器芯片。

　　在软件方便，包括操作系统和应用软件两大市场。VxWorks发布了6.0版本，而Linux系列也得到众多厂商定推广，但是感觉Linux行列中缺少重量级企业的支持。

　　开发工具方面除了各期间厂商推行的工具软件外，当提到Altium的Protel2004和Nexar。Protel2004延续了Protel的优良传统，其界面更美观，运行速度更快，也提供了更丰富的元件库支持。而Altium号称其Nexar将是划时代的FPGA设计工具。依个人观点，Nexar类似于VB，令用户不必学习复杂的硬件描述语言也可以开发FPGA产品。Nexar将通用IC模块化以IP的方式提供，使用Nexar的用户可以将这些IP以拖拽的方式加入工程，按照设计PCB的方法连接这些通用元件，形成工程，并有Nexar将这些内容编译综合下载到可编程逻辑器件中。在Nexar中也提供了基于可编程逻辑的处理器，不过目前仅限于低端的51等系列。通过Protel和Nexar的配合还可以实现在同一个IDE中进行软硬件的开发。

　　一些提供系统集成解决方案的厂商也参加了这次会议，包括研华，立功单片机，Emdoor等。他们办理的WindowsCE.Net和Xscale也得以在展会中露面。

　　五、总结

　　对软件的开发过程管理，系统可靠性的保证，在本次研讨会中都有涉及

　　纵观这次展会，32位处理器已经成为嵌入式系统的标准，更大的存储器，更快的处理能力，资源极其丰富的可编程逻辑，方便的开发工具都在刺激着这个令人热血沸腾的领域。如何紧跟时代潮流也许将会成为一个有点棘手的问题而呈现在我们面前。对于从可编程逻辑到操作系统再到应用软件到系统设计和开发管理的广阔研究方向，如何把握自己也十分值得思考。现在，时不我待!

　　推荐期刊：计算机学报(月刊)创刊于1978年，由中国计算机学会与中国科学院计算技术研究所主办、科学出版社出版，以中文编辑形式与读者见面，同时以英文摘要形式向国际各大检索系统提供基本内容介绍。