連貫統(tǒng)一的嵌入式設(shè)計方法

沒有哪一類設(shè)計工程師比軟件開發(fā)人員更熟悉高層次的抽象設(shè)計了。無論是開發(fā)PC軟件、用于電子設(shè)備的嵌入式應(yīng)用、Web服務(wù)還是開發(fā)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，都可使用高層次開發(fā)系統(tǒng)與相關(guān)語言來避免與本地代碼打交道的麻煩。

軟件設(shè)計經(jīng)歷了漫長的編程語言和系統(tǒng)發(fā)展道路，歸根結(jié)底都是為了使開發(fā)人員避免與匯編語言的糾纏。使用現(xiàn)在常見的編程接口、代碼語法和編譯器的實現(xiàn)方式，軟件開發(fā)通過廣泛的編程語言(從Pascal直到面向?qū)ο蟮恼Z言和C++)實現(xiàn)了高層次抽象。作為PC應(yīng)用軟件的“小弟”，用于電子設(shè)備的嵌入式軟件的開發(fā)也大體運用同樣的原則和系統(tǒng)。

實際上，用于開發(fā)電子設(shè)計中的硬件和軟件的抽象系統(tǒng)如此常見，以致它們被認(rèn)為是正常而非抽象的工作方式。軟件工程師由此獲得的明顯好處是降低了設(shè)計復(fù)雜性并提高了開發(fā)速度。用于嵌入式固件的C語言的使用，使與寄存器堆棧或大量封裝的順序代碼打交道的工作成為了歷史。

雖然這些概念在電子設(shè)計中是普遍的，但它們只是在臨時(ad-hoc)的基礎(chǔ)上存在，而且通常是在具體設(shè)計領(lǐng)域之內(nèi)。隨著電子產(chǎn)品設(shè)計復(fù)雜性的增加、開發(fā)時間的縮短和嵌入式開發(fā)方式的流行，軟件開發(fā)人員需要能夠進入使用高層次設(shè)計系統(tǒng)的其他領(lǐng)域。

抽象的硬件描述語言(HDL)

電子產(chǎn)品設(shè)計流程帶來的一個新挑戰(zhàn)是隨著電子產(chǎn)品開發(fā)流程中可編程硬件設(shè)備的引入而出現(xiàn)的。在這種情況下，軟件被用來定義硬件或者作為膠合邏輯的一大部分，但更重要的是作為整個SoC的設(shè)計。

在高層次設(shè)計方面，可編程邏輯還處于其設(shè)計抽象演變的早期階段。硬件描述語言用于描述在寄存器層次的設(shè)計，寄存器在最后合成后達(dá)到門電路層次，用于實現(xiàn)選定的設(shè)備傳統(tǒng)上是采用ASIC，現(xiàn)在更常見的是FPGA。但是，HDL晦澀難懂的性質(zhì)使其在復(fù)雜性上常常堪比于匯編語言，因此對于非HDL專家的人而言，開發(fā)嵌入式硬件的任務(wù)令人望而生畏。

因此，各種設(shè)計抽象系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來以幫助緩解這一問題。這些系統(tǒng)在方法 論 上存在很大區(qū)別，但通常都是基于示意圖的系統(tǒng)、圖形式流程圖方案或者C語言的變體和擴展形式。它們允許更多開發(fā)者(如軟件工程師)通過運用及提高其現(xiàn)有能力來創(chuàng)造嵌入式硬件。像其他設(shè)計領(lǐng)域(硬件和應(yīng)用軟件)一樣，實現(xiàn)高層次設(shè)計系統(tǒng)以降低復(fù)雜性已經(jīng)成為公認(rèn)的方式，并應(yīng)用于FPGA開發(fā)領(lǐng)域。

以基于C語言變體的高層次嵌入式設(shè)計系統(tǒng)為例，這種系統(tǒng)使具有硬件設(shè)計知識的軟件工程師有可能使用熟悉的語言和方法來設(shè)計嵌入式硬件。該過程傾向于反映軟件的順序性質(zhì)，但它并非硬件的平行概念，且大多用于設(shè)計的各個部分或者用作轉(zhuǎn)化的軟件算法，采用SoC設(shè)計方案則是另一回事。

無論軟件工程師使用哪一種高層次系統(tǒng)(流程圖、示意圖或C語言轉(zhuǎn)化)來設(shè)計嵌入式硬件，他們都有機會創(chuàng)造相對復(fù)雜的大型“軟”硬件系統(tǒng)來支持其自己的軟件例程和功能，甚至可能在最后創(chuàng)造出完整的產(chǎn)品設(shè)計。

特別要注意的是，用于提高可編程邏輯設(shè)計的抽象層次的常用系統(tǒng)采用了各不相同、互不相關(guān)的方法 論，這與整體SoC設(shè)計過程相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)并不一致。由于可編程硬件的出現(xiàn)，各設(shè)計領(lǐng)域之間的相互依存性被放大，可編程硬件通常是應(yīng)用軟件(可能是處理器、內(nèi)存等)的“宿主”，而它本身的“宿主”則是設(shè)計的物理硬件。FPGA結(jié)構(gòu)是硬件和軟件“三明治”的夾心層。

連貫統(tǒng)一的方案

為將設(shè)計抽象概念提高到新的水平，我們需要一個產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，可以將各個設(shè)計領(lǐng)域整合為使用單一設(shè)計數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一應(yīng)用系統(tǒng)，這樣嵌入式軟件、可編程硬件和物理硬件可共用一個跨越所有設(shè)計領(lǐng)域的設(shè)計界面和設(shè)計數(shù)據(jù)模型，使產(chǎn)品開發(fā)成為統(tǒng)一、連貫的任務(wù)。

然后，嵌入式硬件設(shè)計即可成為設(shè)計流程的一部分，進入硬件與應(yīng)用軟件領(lǐng)域。任何設(shè)計領(lǐng)域的變動都將引起單一數(shù)據(jù)集合的改動，并可立即用于其他領(lǐng)域，且任何高層次設(shè)計流程都可被設(shè)計系統(tǒng)的其余部分自然而然地“理解”。嵌入式硬件開發(fā)領(lǐng)域的設(shè)計抽象已經(jīng)從位于常規(guī)過程頂端的一個簡單、孤立的層面變?yōu)橐粋€交互式地滲透到整個設(shè)計系統(tǒng)的層面。

使用這樣的系統(tǒng)，諸如在某一設(shè)計中實現(xiàn)一個USB 接口的典型任務(wù)即可得到極大簡化。在這種情況下，USB 接口可能擁有需要被整合進所有領(lǐng)域的要素，包括物理空間的連接器和接口硬件、可編程硬件領(lǐng)域的總線接口以及應(yīng)用軟件領(lǐng)域的驅(qū)動和協(xié)議層。

包括數(shù)據(jù)庫構(gòu)成部分在內(nèi)的單一設(shè)計數(shù)據(jù)池?fù)碛幸粋€包含所有要素的單一USB區(qū)塊模型。你可以使用基于圖形的高層次捕獲系統(tǒng)簡單地將該模型整合進設(shè)計，在系統(tǒng)中，該模型出現(xiàn)于所有設(shè)計領(lǐng)域，無論在哪個設(shè)計抽象層次。IP核心或所保存的設(shè)計可以同樣方式得到使用(和重復(fù)使用)。

使用統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境中單一設(shè)計數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點貫穿到設(shè)計的方方面面。高層次設(shè)計可能性滲透到所有設(shè)計領(lǐng)域，并支持以軟件為中心的實用電子系統(tǒng)開發(fā)方法。當(dāng)在單一連貫的設(shè)計環(huán)境中實現(xiàn)高層次設(shè)計后，即可將FPGA用作供軟件工程師使用的硬件開發(fā)平臺，而非用于存放由HDL專家創(chuàng)造的大量邏輯的硬件容器。

在實際硬件上的“軟”設(shè)計

接下來就是將該系統(tǒng)與低成本FPGA硬件開發(fā)平臺(包括支持硬件、通用I/O系統(tǒng)并具有可以隨意更換的插入式外圍板卡)相結(jié)合。

該硬件平臺和高層次設(shè)計軟件之間的智能通信允許開發(fā)板卡的所有部分進行直接互動，而不只是提供用于FGPA編程的基本功能。你可以動態(tài)更換外圍設(shè)備，而軟件則按照要求自動重新配置接口層和配置文件。利用這一設(shè)置，包括物理硬件在內(nèi)的完整開發(fā)系統(tǒng)就表現(xiàn)為一個連貫統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境。

對于所有工程師特別是軟件開發(fā)人員來說，可以使用高層次系統(tǒng)在實際硬件的基礎(chǔ)上實時開發(fā)和研究設(shè)計方案。在一些情況(例如簡單產(chǎn)品生產(chǎn)過程)中，該硬件很可能成為成品，這使軟件工程師能迅速開發(fā)出完整的產(chǎn)品，或者至少開發(fā)出概念證明設(shè)備。此外，你用來開發(fā)和測試產(chǎn)品的設(shè)計軟件和硬件開發(fā)平臺可直接支持使用現(xiàn)成硬件。在該環(huán)境中開展的設(shè)計可以直接而平滑地轉(zhuǎn)變?yōu)榛诩嫒軴TS硬件的成品。

采用這種方法，設(shè)計周期中的關(guān)鍵設(shè)計決定可以大大推遲，并且可在任何時候?qū)υO(shè)計的規(guī)定軟要素進行更新，甚至在產(chǎn)品已開始實際使用之后。設(shè)計過程的早期階段不再需要立即做出硬件決定，這使軟件設(shè)計師能夠?qū)⒕杏谠O(shè)計中定義功能的嵌入式硬件和軟件。硬件選擇可以留到最后以滿足設(shè)計的“軟”要素的需要，而非采用相反的方式。

這種單一硬件和軟件設(shè)計環(huán)境提供了在更短時間內(nèi)和以更低風(fēng)險來開發(fā)、調(diào)試、原型化和部署創(chuàng)新設(shè)計所需的基礎(chǔ)架構(gòu)。當(dāng)通過與所有設(shè)計領(lǐng)域相連接的高層次FPGA設(shè)計界面進行訪問時，軟件開發(fā)人員可利用該系統(tǒng)與物理開發(fā)硬件的內(nèi)在聯(lián)系來創(chuàng)造能夠提供獨特和高價值用戶體驗的創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計