利用商業(yè)化平臺快速開發(fā)嵌入式系統(tǒng)
因此必須采取一定的措施來加快設(shè)計流程，提高設(shè)計質(zhì)量，一種解決方案是采取現(xiàn)成可用的商業(yè)化平臺。在開發(fā)一個嵌入式設(shè)備時，除了考慮處理器架構(gòu)、操作系統(tǒng)性能、以及其他組件之外，開發(fā)人員必須決定系統(tǒng)的哪些部分需要設(shè)計、哪些部分需要購買現(xiàn)成設(shè)備。如果采用自行設(shè)計的方案，其優(yōu)勢在于可以全面地自定義最終的解決方案并優(yōu)化成本，但是任何設(shè)計規(guī)格的更改或疏忽都將導(dǎo)致漫長且成本高昂的延期。與此相對的，使用商業(yè)現(xiàn)成的平臺將增加產(chǎn)品的銷售成本，或者可能為一些不需要的特性而花費成本，但是通常來說，現(xiàn)成的系統(tǒng)提供了更快的驗證周期，因而也就具有更為快捷的設(shè)計流程，從而在更短的上市時間內(nèi)保證設(shè)計的質(zhì)量。下文將闡述用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的兩種方案：自行設(shè)計或使用現(xiàn)成平臺，并且討論與這兩種方案相關(guān)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。
方案一：自行設(shè)計
在開發(fā)之前，需要為系統(tǒng)的核心控制部分選擇一種處理器技術(shù)。例如以下五種技術(shù)：
1. 微控制器－微控制器的成本極為低廉，并且通常在單一的芯片上提供了集成的解決方案，且包括I/O外圍設(shè)備。它們通常帶有極小的片上存儲容量，而且難以用于復(fù)雜性高和需要擴(kuò)展的場合。此外，其時鐘速率通常是10MHz的數(shù)量級，因此一般不能實現(xiàn)高性能的控制循環(huán)。
2. 微處理器－和微控制器相比，微處理器的時鐘速率更高且通常具有外部存儲接口，因而性能和擴(kuò)展性并不成問題。但是應(yīng)用程序可能需要進(jìn)行復(fù)雜的驅(qū)動開發(fā)，因為微處理器通常并不帶有片上模擬外圍設(shè)備。此外，微處理器可能需要高密度的封裝技術(shù)，例如球柵陣列封裝(ball-grid array，即BGA)，這將導(dǎo)致較復(fù)雜的制造流程，增添了更為困難的硬件調(diào)試工作。
3. 數(shù)字信號處理器(DSP)－DSP是一種專用的微處理器，它提供額外的指令以優(yōu)化特定的數(shù)學(xué)函數(shù)，例如乘法和累加操作。DSP對于計算繁重的應(yīng)用場合來說是極為有用的，但是通常需要專業(yè)的知識來利用它的軟件性能。
4. 專用集成電路(ASIC)－ASIC芯片是專為某個特定的應(yīng)用而設(shè)計的，不具有通用性。對于解決諸如功耗和產(chǎn)品成本等問題，ASIC被廣泛認(rèn)為是一種極好的方案。但是，極為昂貴的ASIC開發(fā)和制造流程通常讓人望而卻步，一般僅限于具有極大產(chǎn)量的產(chǎn)品。
5. 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)－FPGA在自定義的ASIC設(shè)計和現(xiàn)成的技術(shù)之間提供了極好的平衡。它們具有高度的專有化性能，同時可以通過編程重新配置邏輯模塊，因而其開發(fā)成本與ASIC相比要低得多。雖然FPGA可以被應(yīng)用于各種場合，但是一般來說復(fù)雜的FPGA設(shè)計并不常見，因為對于大部分習(xí)慣于使用C語言進(jìn)行順序編程的嵌入式軟件開發(fā)者來說，VHDL編程格式顯得十分陌生。
在許多情況下，單一的處理器技術(shù)并不足以解決應(yīng)用的需求，因此，混合式架構(gòu)逐漸成為發(fā)展的方向。如圖1所示，實時處理器用來管理網(wǎng)絡(luò)通信和用戶界面，而FPGA則負(fù)責(zé)與I/O模塊的接口和高速控制等任務(wù)。這種混合式架構(gòu)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中變得十分普遍。
圖1、混合式架構(gòu)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中變得十分普遍。在這種混合式架構(gòu)中，實時處理器用來管理網(wǎng)絡(luò)通信和用戶界面，而FPGA則負(fù)責(zé)與I/O部件的接口和高速控制任務(wù)。
在確定了使用何種處理器技術(shù)之后，設(shè)計人員還需要完成I/O電路的開發(fā)。如果嵌入式系統(tǒng)中存在任何的模擬信號，那么就需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、以及相應(yīng)的軟件驅(qū)動。模擬電路的設(shè)計同樣會遇到很多復(fù)雜的問題，限于篇幅本文不再贅述。
方案二：利用現(xiàn)有平臺
另外一種方案就是使用現(xiàn)成的平臺來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。雖然通常來說需要付出比板卡組件成本更高的價錢，但是可以顯著縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場的時間。除此之外，這些系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性。隨著處理器技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)以下幾種不同的實現(xiàn)技術(shù)：
[!--empirenews.page--]1. 非集成式嵌入式系統(tǒng)－具有多種不同的形狀尺寸，例如Mini-ITX、PC/104等。對于使用現(xiàn)成產(chǎn)品來構(gòu)建系統(tǒng)，非集成式嵌入式系統(tǒng)通常是最為經(jīng)濟(jì)的解決方案。這些系統(tǒng)具有各種不同的處理器架構(gòu)以供選擇，且?guī)в胁僮飨到y(tǒng)和一小部分I/O支持套件。但是，針對這種系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具幾乎從未集成，而且這些系統(tǒng)通常需要進(jìn)行各種監(jiān)管認(rèn)證，例如EMI和CE認(rèn)證。
2. 集成式嵌入式系統(tǒng)－除了具有與非集成式嵌入式系統(tǒng)相同的組件之外，集成式嵌入式系統(tǒng)提供了諸如沖擊、振動、工作溫度、以及環(huán)境認(rèn)證之類的技術(shù)說明。通常來說，這些系統(tǒng)更加昂貴，但是他們通常帶有集成的軟件開發(fā)環(huán)境且具有更為豐富的I/O選擇。
3. 工業(yè)級PC－利用現(xiàn)成的PC技術(shù)，工業(yè)級PC為開發(fā)工具及I/O性能提供了最為豐富的選擇。它們也具有許多與其他集成式嵌入式系統(tǒng)相同的技術(shù)說明和認(rèn)證，但這種性能是以成本為代價的。這種系統(tǒng)比前述兩種方式更為昂貴。
圖2、NI CompactRIO正是集成式嵌入式系統(tǒng)的一個實例。
NI CompactRIO集成式嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，與圖1所示的簡單方框圖極為相似。它使用了Freescale PowerPC微處理器運行VxWorks實時操作系統(tǒng)。PowerPC通過內(nèi)部的PCI總線與FPGA相連接。此外，F(xiàn)PGA直接連接至各種模擬和數(shù)字I/O模塊，從而可以連接各種傳感器、激勵器以及通信總線，同時也允許開發(fā)人員設(shè)計自定義的模塊。圖2給出了NI CompactRIO集成式嵌入式系統(tǒng)示意圖，圖3是CompactRIO的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3、NI CompactRIO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
選擇哪種方案？-嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的“隱性”成本
在選擇自行設(shè)計還是利用現(xiàn)成平臺時，通常技術(shù)性能并不是決定性因素，而需要進(jìn)行簡單的經(jīng)濟(jì)性分析。如果最終的利潤足以填補(bǔ)產(chǎn)品開發(fā)過程中所花費的工程成本投資，那么做出的決定就是明智的。做出決定之前，必須準(zhǔn)確估計自行設(shè)計方案所花費的成本。但這并是看上去那么簡單；如果只是把板卡組件的成本和硬件及軟件的開發(fā)時間相加，那么只是非常粗略地低估了總投資成本。還應(yīng)當(dāng)考慮其他的“隱性”成本才能準(zhǔn)確地評估真正的任務(wù)成本。
一旦評估了工程投資成本，那么就可以簡單計算一下的財務(wù)收支平衡分析。假設(shè)針對某種產(chǎn)品的開發(fā)，需要兩個工程師花費九個月的時間來自行開發(fā)一塊板卡，從需求分析到供貨，其投資成本大約是300,000。并且在預(yù)安裝、原型設(shè)計、預(yù)發(fā)布單元、加工以及其他偶然的工程成本等每個方面都花費了25,000，從而使得整個投資成本上升到400,000。在完成了這些工作后，自行設(shè)計的產(chǎn)品其成本將比使用現(xiàn)成的平臺便宜400。使用公式1，可以看到投資收支平衡點位于第1,000個單位產(chǎn)品，直到售出第1,001個單位產(chǎn)品才會盈利。而且，這并沒有包含上面所討論的其他“隱性”成本。但是，如果選擇了集成式嵌入式系統(tǒng)，就可以縮短上市時間，并且早期的利潤將會用于成本優(yōu)化和特性改進(jìn)。通過這種方式，可以在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)攤銷投資成本，而不是在早期的開發(fā)過程中投入所有的資金。
公式1、可以使用簡單的公式來計算任何自定義系統(tǒng)的收支平衡點
本文小結(jié)
那是否就不用自行設(shè)計板卡了？當(dāng)然不是。對于那些對形狀尺寸有專門要求且具有極高產(chǎn)量的系統(tǒng)、或者具有極為苛刻技術(shù)要求(例如極低的功率消耗)的系統(tǒng)來說，自行設(shè)計的方式將更具有優(yōu)勢。而對于產(chǎn)量較低、技術(shù)復(fù)雜又需要快速上市的產(chǎn)品，使用現(xiàn)成平臺可以讓供應(yīng)商負(fù)擔(dān)物流和“隱性”成本從而使得我們可以專注于技術(shù)上的優(yōu)勢突出，從而在市場競爭中保持領(lǐng)先。
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