隨著嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，設(shè)計(jì)工程師在定義和分析系統(tǒng)初始要求時(shí)必須認(rèn)真考慮軟硬件的協(xié)同關(guān)系。通常設(shè)計(jì)工程師還必須權(quán)衡系統(tǒng)的靈活性、速度、成本、計(jì)劃和可用工具之間的關(guān)系。

    本文將描述嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，并探討在選擇或開發(fā)硬件和軟件組件的基礎(chǔ)上開發(fā)高效嵌入式系統(tǒng)的解決方案，同時(shí)詳細(xì)說(shuō)明嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)所特有的關(guān)鍵工藝技術(shù)。

    嵌入式系統(tǒng)通常是一個(gè)包含微處理器的特殊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是一個(gè)較大系統(tǒng)或設(shè)備的組成部分，它在很大程度上決定了設(shè)備的功能特性。許多具備數(shù)字接口的設(shè)備如微波設(shè)備、錄像機(jī)(VCR)和汽車等都會(huì)用到嵌入式系統(tǒng)。有些嵌入式系統(tǒng)需要使用操作系統(tǒng)，有些則用單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)邏輯，但所有嵌入式系統(tǒng)提供的功能都要比通用計(jì)算系統(tǒng)更專業(yè)些。嵌入式系統(tǒng)功能包括：

    1.監(jiān)視環(huán)境－從輸入傳感器讀取數(shù)據(jù),然后處理數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。

    2.控制環(huán)境－產(chǎn)生并向激勵(lì)器發(fā)送命令。

    3.轉(zhuǎn)換信息－轉(zhuǎn)換并處理收集到的數(shù)據(jù)。

    雖然通過(guò)傳感器和激勵(lì)器完成與外部世界的交互是嵌入式系統(tǒng)的重要特點(diǎn)，但這些嵌入式系統(tǒng)還提供適合它們所在設(shè)備的特殊功能。嵌入式系統(tǒng)一般用來(lái)執(zhí)行控制程序、有限狀態(tài)機(jī)和信號(hào)處理算法。這些系統(tǒng)還必須檢測(cè)內(nèi)部計(jì)算環(huán)境和周圍電磁系統(tǒng)中發(fā)生的故障并對(duì)此做出響應(yīng)。

嵌入式系統(tǒng)特性

    嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是使嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)特性能與設(shè)備的特殊約束條件相一致。以下是一些嵌入式系統(tǒng)的重要特性：

    1.特殊應(yīng)用系統(tǒng)－嵌入式系統(tǒng)不同于通用處理器，它針對(duì)特殊應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

    2.反應(yīng)性系統(tǒng)－反應(yīng)性計(jì)算的意思是系統(tǒng)(主要是軟件部分)根據(jù)傳感器信息對(duì)環(huán)境作出響應(yīng)，并利用激勵(lì)器控制環(huán)境，同時(shí)系統(tǒng)速度能與環(huán)境速度同步。

    3.分布式－嵌入式系統(tǒng)的一般特征是多個(gè)通信進(jìn)程在多個(gè)通過(guò)通信鏈路鏈接的CPU或ASIC上運(yùn)行。

    4.異類性－不同的嵌入式系統(tǒng)一般具有不同的結(jié)構(gòu)，以便在處理嚴(yán)格設(shè)計(jì)約束的嵌入式系統(tǒng)時(shí)能夠提供更好的設(shè)計(jì)便利性。

    5.苛刻環(huán)境－許多嵌入式系統(tǒng)并不工作在受控的環(huán)境中，因此它們必須能夠經(jīng)受過(guò)熱、振動(dòng)、沖擊、電源波動(dòng)和其它惡劣的物理環(huán)境條件的考驗(yàn)。

    6.系統(tǒng)安全性和可靠性－由于嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜度和運(yùn)算量的不斷增長(zhǎng)，需要更多地考慮系統(tǒng)安全因素。

    7.小型化、重量輕－為了達(dá)到便攜目的，許多嵌入式系統(tǒng)的重量必須設(shè)計(jì)得很輕。

    8.成本敏感性－不同的嵌入式系統(tǒng)對(duì)成本的敏感性有很大的不同。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特性

    實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求在外部環(huán)境指定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)來(lái)自環(huán)境的激勵(lì)信號(hào)作出響應(yīng)(包括物理時(shí)間的過(guò)渡)。從輸入時(shí)間到輸出時(shí)間的延遲必須足夠小，以滿足可以接受的時(shí)間值。通常實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要對(duì)環(huán)境作出連續(xù)及時(shí)的響應(yīng)。

    計(jì)算的正確性不僅依賴于結(jié)果，而且取決于輸出發(fā)生的時(shí)間。一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須滿足有限響應(yīng)時(shí)間約束條件，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。如果后果是性能的劣化而不是故障，那么這種系統(tǒng)可以看作是一個(gè)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。如果后果是系統(tǒng)發(fā)生故障，那么這種系統(tǒng)就是一種硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

    實(shí)時(shí)系統(tǒng)有反應(yīng)式和嵌入式兩種類型。反應(yīng)式實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)與環(huán)境發(fā)生連續(xù)的互作用，而嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要用于控制大型系統(tǒng)中安裝的特殊硬件。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)生命周期

    許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師都會(huì)經(jīng)歷硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程(圖1)，此過(guò)程中硬件與軟件將同時(shí)進(jìn)行開發(fā)。理解硬件與軟件功能相互之間的關(guān)系及界限有助于確保設(shè)計(jì)要求得到完整正確的理解和實(shí)現(xiàn)。

    早在設(shè)計(jì)要求的定義與分析階段，系統(tǒng)開發(fā)人員就必須與設(shè)計(jì)工程師協(xié)同分配硬件或/和軟件方面的要求。這種分配的依據(jù)是早期系統(tǒng)仿真、原型設(shè)計(jì)和行為建模結(jié)果、工程師自己的經(jīng)驗(yàn)以及上文提及的各種因素權(quán)衡結(jié)果(圖2)。一旦分配結(jié)束，就可以立即著手具體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)中軟硬件的并行設(shè)計(jì)會(huì)使用到各種分析技術(shù)，包括：

    1.硬件與軟件仿真；

    2.硬件/軟件協(xié)同仿真；

    3.可調(diào)度的建模技術(shù)，如速率恒定分析；

    4.原型設(shè)計(jì)和漸進(jìn)式開發(fā)。

    可以在各種抽象層次使用的仿真技術(shù)主要用于開展早期的性能評(píng)估。低層仿真可以用來(lái)為總線寬度和數(shù)據(jù)流程建模，這對(duì)性能評(píng)估是非常有用的。高層仿真可以滿足功能的交互，并促成硬件/軟件權(quán)衡研究及有效性設(shè)計(jì)。利用仿真可以將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)向下抽象成基礎(chǔ)組件和行為。仿真還助于解決功能性問(wèn)題(數(shù)據(jù)與算法)、行為(進(jìn)程排序)或性能問(wèn)題(資源利用、吞吐量和時(shí)序)。

理解設(shè)計(jì)要求

    在作執(zhí)行任何類型的處理器評(píng)估時(shí)，首先要詳細(xì)理解用戶的功能和非功能性要求。功能性要求通常比較容易獲得，而非功能性要求較難定量測(cè)量。但對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，定義響應(yīng)時(shí)間這樣的要求是非常重要的。實(shí)時(shí)要求可以有以下幾種：

    1.激勵(lì)－激勵(lì)(S-S)：到系統(tǒng)去的兩個(gè)激勵(lì)之間的實(shí)時(shí)關(guān)系；

    2.激勵(lì)-響應(yīng)(S-R)：一個(gè)激勵(lì)與來(lái)自系統(tǒng)的一個(gè)后序響應(yīng)之間的實(shí)時(shí)關(guān)系；

    3.響應(yīng)-激勵(lì)(R-S)：一個(gè)響應(yīng)與到系統(tǒng)去的一個(gè)后序激勵(lì)之間的實(shí)時(shí)關(guān)系；

    4.響應(yīng)-響應(yīng)(R-R)：來(lái)自系統(tǒng)的兩個(gè)響應(yīng)之間的實(shí)時(shí)關(guān)系。

    S-R和R-R關(guān)系定義了對(duì)指定系統(tǒng)的時(shí)序要求。這種情況下所實(shí)現(xiàn)的功能必須足夠快(或足夠慢)才能滿足時(shí)序要求。S-S和R-S約束暗示系統(tǒng)必須能夠從環(huán)境(可能是一個(gè)用戶或另外一個(gè)系統(tǒng))中檢測(cè)出特定時(shí)序約束的破壞。這些約束與功能的快慢沒(méi)有關(guān)系，相反它們能夠檢測(cè)出某些遭到破壞的時(shí)序約束并采取必要的措施。

    因此要從最初系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)時(shí)就很好地理解這一點(diǎn)，因?yàn)镾-R和R-R約束可以引導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行代碼優(yōu)化，而S-S和R-S約束需要用額外的軟件來(lái)檢測(cè)和響應(yīng)時(shí)序沖突。

處理器選擇

    嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)比較適合用于系統(tǒng)優(yōu)化。由于這些系統(tǒng)主要用來(lái)解決范圍相對(duì)較窄的問(wèn)題，因此硬件和軟件能夠得到最佳優(yōu)化，并很好地應(yīng)用于單一設(shè)備。這樣做的目的是要在軟硬件最佳折衷狀態(tài)下開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)。影響這一階段設(shè)計(jì)的主要因素是處理器的選擇、軟硬件的分割和總體系統(tǒng)集成。

    在為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)選擇處理器時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面：

    1.性能：處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務(wù)和支持產(chǎn)品生命周期。

    2.實(shí)現(xiàn)：根據(jù)具體應(yīng)用情況，處理器可能需要被高度集成。在DSP應(yīng)用中可以有好幾種選擇，專用集成電路(ASIC)就是其中的一種。這些器件可以被用作DSP協(xié)處理器，但對(duì)于許多通用信號(hào)處理來(lái)說(shuō)顯得不夠靈活。另外可以選擇精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)處理器。這些處理器的時(shí)鐘速度特別快，但可擴(kuò)展性不是很強(qiáng)，而且會(huì)發(fā)生其它實(shí)時(shí)(可預(yù)測(cè)性)問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)可編程陣列(FPGA)是一種快速器件，能夠快速高效地完成某些DSP功能，但與DSP相比開發(fā)難度比較大，因?yàn)樵贒SP中一個(gè)簡(jiǎn)單的程序就能完成相同的功能。如果是主信號(hào)處理應(yīng)用，則最好采用性能強(qiáng)大功耗也較大的通用處理器。如果需要快速升級(jí)信號(hào)處理應(yīng)用，采用DSP等可編程器件比定制的硬件方案要更好些。

    3.工具支持：支持軟件創(chuàng)建、調(diào)試、系統(tǒng)集成、代碼調(diào)整和優(yōu)化工具對(duì)整體項(xiàng)目成功與否非常關(guān)鍵。

    4.操作系統(tǒng)支持：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需要使用有幫助的抽象來(lái)減少其復(fù)雜性。針對(duì)處理器系列產(chǎn)品作過(guò)優(yōu)化的商用操作系統(tǒng)(OS)能夠縮短設(shè)備開發(fā)周期和上市時(shí)間。

    5.過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)：擁有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可以減少可觀的學(xué)習(xí)新處理器、工具和技術(shù)的時(shí)間。

    6.仿真支持：循環(huán)精確仿真對(duì)某些類型的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要，特別是數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中許多功能正確性驗(yàn)證都是采用仿真技術(shù)完成的。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)模型也促使處理器仿真器成為開發(fā)流程中一個(gè)非常有用的工具。

    7.應(yīng)用支持：應(yīng)用支持有多種方式，從通過(guò)熱線或網(wǎng)站取得的應(yīng)用專家支持，到預(yù)打包的軟件和應(yīng)用框架，甚至完好的測(cè)試平臺(tái)。一些DSP處理器能夠提供外圍器件的驅(qū)動(dòng)器、板級(jí)支持包和其它“啟動(dòng)幫助組件”。有了這些軟件組件后，應(yīng)用開發(fā)師就無(wú)需再編寫器件驅(qū)動(dòng)器等“無(wú)附加值”的軟件，相反，他們可以把精力放在具有附加值的功能開發(fā)上，使他們的產(chǎn)品能獨(dú)樹一幟。

    8.成本：嵌入式應(yīng)用對(duì)成本特別敏感，而產(chǎn)品成本的稍許差別都可能導(dǎo)致市場(chǎng)的失敗。

    9.功耗：市場(chǎng)上有許多依靠電池工作的便攜嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，此時(shí)電池壽命將成為系統(tǒng)的重要參數(shù)。這種情況下應(yīng)該考慮使用針對(duì)便攜式應(yīng)用優(yōu)化的低功耗器件。

    10.傳統(tǒng)代碼：如果選中的處理器需要設(shè)計(jì)人員編寫與現(xiàn)存代碼的接口，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)流程的嚴(yán)重滯后。因此需要選擇一款代碼兼容的器件來(lái)避免或減少這一步驟造成的影響。

    11.算法復(fù)雜性：某些處理器能夠非常高效地處理某類算法，因此最好選擇能夠與應(yīng)用最佳匹配的處理器。例如，具有許多控制代碼的有限狀態(tài)機(jī)應(yīng)用應(yīng)該映射為類似ARM處理器的RISC器件。編碼、解碼和回波抵消等信號(hào)處理應(yīng)用應(yīng)該映射為數(shù)字信號(hào)處理器，或具有信號(hào)處理加速器的某種器件。

    12.上市時(shí)間：項(xiàng)目的完成時(shí)間會(huì)加快處理器的選擇過(guò)程，這一過(guò)程與先前講述的幾個(gè)關(guān)鍵事項(xiàng)密切相關(guān)，如OS的可用性、其它軟件組件以及便攜性問(wèn)題。

設(shè)計(jì)還是購(gòu)買？

    是自己設(shè)計(jì)還是購(gòu)買成品呢?如果有可能不重新設(shè)計(jì)，價(jià)格也比較合理的話，購(gòu)買要比自己開發(fā)更有利。由于嵌入式系統(tǒng)預(yù)算的縮減、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)和TCP/IP堆棧等商用技術(shù)的改進(jìn)、嵌入式系統(tǒng)要求的擴(kuò)展，采用商業(yè)性現(xiàn)成(COTS)技術(shù)正變得越來(lái)越普遍。采用COTS技術(shù)能夠縮短開發(fā)周期中編碼、調(diào)試、單元測(cè)試和代碼檢查階段的時(shí)間。

    然而，作出購(gòu)買而非設(shè)計(jì)的決定會(huì)改變一個(gè)組織的基礎(chǔ)開發(fā)流程。一個(gè)組織希望實(shí)現(xiàn)的新業(yè)務(wù)有：供應(yīng)商調(diào)研和評(píng)估、產(chǎn)品評(píng)估以及實(shí)時(shí)的供應(yīng)商交流與關(guān)系建立。產(chǎn)品開發(fā)的其它活動(dòng)不會(huì)取消，但會(huì)作出一些改變。這些變化包括更關(guān)注如何將系統(tǒng)硬件與軟件更好地組合在一起，而不再把重點(diǎn)放在模塊自己內(nèi)部的運(yùn)作上。另外必須更側(cè)重于兼容性、可配置性和可集成性等結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題。

    必須很好的理解和高效地管理由于決定采用“購(gòu)買”而非“設(shè)計(jì)創(chuàng)建”方式所導(dǎo)致的結(jié)果。首先，自然是對(duì)供應(yīng)商提出產(chǎn)品要求、產(chǎn)品可靠性、計(jì)劃和產(chǎn)品文檔等依賴請(qǐng)求。這種情況下產(chǎn)品要求中的靈活性會(huì)打些折扣。購(gòu)買商用產(chǎn)品意味著接受現(xiàn)有的產(chǎn)品要求，但這種要求也許不能完美地匹配自身產(chǎn)品的要求，這就需要設(shè)計(jì)人員把這種缺點(diǎn)與COTS技術(shù)提供的成本與上市時(shí)間優(yōu)勢(shì)作一個(gè)理智的權(quán)衡。

    因此重要的是最終用戶與技術(shù)人員必須參與COTS供應(yīng)商的選擇，考慮的重點(diǎn)要放在業(yè)務(wù)需求上而非技術(shù)本身。性價(jià)比分析所要考慮的因素應(yīng)包括易學(xué)性、易用性、供應(yīng)商名聲和長(zhǎng)期穩(wěn)定性、許可方式和培訓(xùn)。所有與性能有關(guān)的聲明必須盡可能采用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)或演示來(lái)到得有效性認(rèn)證。為了避免可能出現(xiàn)的偏差，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該在收到供應(yīng)商建議前就制定好。選擇供應(yīng)商的主要工作包括研究和理解技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相當(dāng)?shù)奈募?、采用類似建議請(qǐng)求(RFP)的標(biāo)準(zhǔn)模式征求供應(yīng)商的建議、對(duì)供應(yīng)商建議進(jìn)行評(píng)估和排序、選擇供應(yīng)商并簽署合同。

    除了評(píng)估技術(shù)外，還應(yīng)對(duì)供應(yīng)商本身進(jìn)行評(píng)審。要充分了解供應(yīng)商開業(yè)時(shí)間的長(zhǎng)短、供應(yīng)商的背景和名聲、供應(yīng)商的其它用戶對(duì)它的評(píng)價(jià)和意見(jiàn)、供應(yīng)商人力資源的投入和對(duì)你的計(jì)劃或項(xiàng)目的支持情況，以及供應(yīng)商對(duì)你業(yè)務(wù)和要求的理解程度，甚至對(duì)未來(lái)項(xiàng)目的承諾。以前軟件團(tuán)隊(duì)認(rèn)為軟件開發(fā)方案遵循類似于創(chuàng)建架構(gòu)的特定模式。提供符合一般模式的抽象方法能夠使軟件團(tuán)隊(duì)定制符合他們特殊要求的方案，同時(shí)遵循被前人證明是高效和正確的模式。

    嵌入式系統(tǒng)供應(yīng)商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到需要通過(guò)提供軟件組件和類似于設(shè)計(jì)模式的框架來(lái)加快軟件開發(fā)進(jìn)程。在DSP領(lǐng)域，供應(yīng)商向DSP設(shè)計(jì)工程師提供包括參考框架(RF)在內(nèi)的上百個(gè)以DSP為核心的軟件組件用于產(chǎn)品和系統(tǒng)開發(fā)。設(shè)計(jì)完好的參考框架能夠在設(shè)備開發(fā)的早期階段讓設(shè)計(jì)人員快速入門。RF內(nèi)含方便易用并且適合多種應(yīng)用的源代碼。由此可以取消許多早期的低層設(shè)計(jì)決策，使開發(fā)人員能有更多的時(shí)間用在真正顯示產(chǎn)品特色的代碼開發(fā)上。設(shè)計(jì)人員可以選擇能夠最大程度滿足他們系統(tǒng)需要的專業(yè)RF，然后集成適配的算法(可以是其它供應(yīng)商出售的DSPCOTS算法，或供應(yīng)商自己的算法)生成適合各種終端設(shè)備的特殊應(yīng)用，如寬帶、語(yǔ)音、視頻圖像、生物測(cè)量和無(wú)線設(shè)施。這些RF提供百分之百的C語(yǔ)言源碼，并且沒(méi)有版稅要求。

軟件性能工程

    許多嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須滿足一系列性能目標(biāo)。一般來(lái)講，性能是一個(gè)軟件系統(tǒng)或組件對(duì)時(shí)間要求滿足程度的一種指示。這里的時(shí)間指標(biāo)可以用響應(yīng)時(shí)間和吞吐量來(lái)衡量，該時(shí)間值是指響應(yīng)某種要求所需的時(shí)間，而吞吐量用以指示系統(tǒng)在特定時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的請(qǐng)求數(shù)量?？蓴U(kuò)展性是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的另外一個(gè)重要指標(biāo)，可以用它來(lái)衡量系統(tǒng)要求提高時(shí)系統(tǒng)能夠繼續(xù)滿足響應(yīng)時(shí)間或吞吐量要求的能力。

    如果在整個(gè)開發(fā)生命周期內(nèi)得不到正確的性能管理，那么即使選擇了正確的處理器和軟件也是徒勞的。性能故障的后果是非常嚴(yán)重的，它可能損傷與客戶的關(guān)系，造成收入下降，甚至導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目失敗。因此在整個(gè)生命周期內(nèi)需要隨時(shí)關(guān)注性能問(wèn)題。性能管理可以被動(dòng)或主動(dòng)完成。被動(dòng)方式需要采用一個(gè)較大的處理器解決性能問(wèn)題，它只在系統(tǒng)完成構(gòu)架、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后處理性能問(wèn)題，在解決問(wèn)題前一直處于等待狀態(tài)，直到實(shí)際需要測(cè)量的事件發(fā)生。主動(dòng)方式是指整個(gè)生命周期內(nèi)一直在跟蹤和交流性能問(wèn)題，同時(shí)開發(fā)用以識(shí)別性能劣化的進(jìn)程，并在性能處理中培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)成員。

本文小結(jié)

    顯然開發(fā)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，本文旨在啟發(fā)設(shè)計(jì)人員在分析初始要求時(shí)如何權(quán)衡硬件與軟件之間的關(guān)系，要時(shí)刻在系統(tǒng)靈活性、速度、成本、計(jì)劃和可用工具之間作出權(quán)衡，并充分考慮各個(gè)供應(yīng)商提供長(zhǎng)期可靠支持的可能性。