以“处理器”为中心的时代过去了_硬件综合

以“处理器”为中心的时代过去了

   传统方案中的 处理器

将处理器视为嵌入式系统的核心再自然不过了。由于性能与外设可以决定成品所能实现的整体功能,因此不难理解为什么这种见解会主宰大多数项目设计。但是,这种想法并非十全十美,而且可能在当前市场状况与趋势面前很快就会变得过时。

将处理器放置在这样一个中心位置上,就意味着必须在一切开始之前做出正确的选择并且要在整个设计过程中从一而终。这种情况会使所有未来决定和物理设计部分紧密相连。另外,这还意味着预先确定了某一固定的实施路径。这样就产生了一个缺乏灵活性并在后期不便进行必要更改的平台。当出现新的、无法预见的市场情况时,这从设计角度来看无疑存在重重风险。

新一代 IC 的开发在当前经济困境中已经是步履维艰。对于嵌入式设计而言,如果受制于以后无法更改或无法升级的架构,那么毫不夸张地说可能会使项目陷入困境。传统方法是将硬件平台的开发放在第一位,然后内置并锁定软成分;这就导致了将产品上市进程视为重要的产品差异化要素的安全错觉。然而现实是,产品与众不同的价值(如:设备智能性或‘IP’)会牢牢受制于僵化的平台上。这种情况下,它会成为最难以更改而且更改起来成本最高的设计元素。因此,单纯依赖这种方法会排除其它最需要的不同选择。

依赖逐步、分阶段递增升级的设计原理很可能会很快被具有更高设计灵活性、可帮助公司在市场变革中制胜的技术所取代。它们很可能是能够提供更多选择的解决方案,因为这些解决方案侧重于易于更改的更高级系统抽象技术上,与单纯依赖选择处理器的方法相比风险更低。只要看看最近的行业趋势,大家就能够想象关注更高级抽象会是什么样子。

摆脱以处理器为中心的软化设计

风头正劲的趋势是向处理器与架构级软设计的发展。随着硬件与软件之间的界限不断融合,设计不再单纯依赖硬件。硬件技术本身的发展也在为这种趋势推波助澜。

低成本、高容量 FPGA 具有改变我们设计方式的潜力,它可将以前作为物理硬件构造到器件中的组件转变成可编程的组件。电子产品开发过程中对‘软设计’的这种关注具有丰富的含义,不但可将器件智能性从编入的物理硬件中分离出来,而且还可避免长久以来一直与依赖硬件的解决方案密不可分的缺陷,如:很难在开发后期进行修改。

作为采用软处理器的嵌入式平台,FPGA 正在快速成为多功能、可重构硬件平台的基础。由于其功能的不断提高以及预算的不断降低,它们变的越来越受欢迎。扩展架构平台的软设计不但包括增加以前由硬件担任的功能,而且还包括处理器。通过将尽可能多的硬件引入可编程领域,可以研究在不增加设计时间情况下允许进行反复试验尝试假设的种种条件。由于可对概念进行立即验证,这样可使工程师能够清楚地了解并且亲眼看到他们所开发的产品,并以此作为他们设计思路的实物见证, 这样可以使他们尝试不同的即能够降低成本又不必拘泥与任何特定的执行方式。

另一个优势是软件设计可以在硬件平台设计之前进行,软件设计一直可以持续到完成硬件设计之后、甚至可以持续到交付给客户之后。软设计系统中编程的知识产权将很快成为最有价值的设计组成部分,并将持续改进。它将带来架构的高度灵活性以及适用性更强的更小型电路板,为大型企业带来在当前具有重大意义的巨大优势。设计人员可以在无需更改其设计而且不受任何约束的条件下,对比不同 FPGA 的性能优势,以做出取舍。

有趣的是,电子系统以软件为中心的方法的意义甚至超出了软件本身。只要将这种想法稍微深入一点,我们就可清楚地了解到,不但软件可以升级,而且硬件也可以升级,并且可以在交付给客户之后进行升级。

摆脱硬件桎梏

通过可编程的方式将IP植入系统,而不是固化到生产板上的方式将给嵌入式的设计带来巨大优势。由于内置了一定的可编程性,我们可将系统的许多复杂之处转移到驻留于处理器的软件层。这种本质上是一种硬件包装的软件层能够充当可配置的硬件——用作存储器与外设的处理器接口。

在理想的设计环境中,此软件层可将匹配软件编译程序与预验证嵌入式 IP 库进行完美结合。这样可创建一种具有‘厂商中立性’的嵌入式开发系统,直接与原理图设计 (design capture) 及电路板开发阶段关联在一起。

旨在修改硬件包 (hardware wrapper) 的简单 FPGA 重新编程使工程师能够更换处理器,而无需修改系统硬件的其它部分。这种方法的明显优势是使系统从一个处理器起步,然后在性能需求时可升级到更快的器件。现在我们可以独立于硬件平台开发由可编程硬件与嵌入式软件组成的关键软 IP,从而摆脱由于必须首先开发物理硬件而带来的传统技术难题。

因为现在低层次的设计问题可以由设计系统本身来解决,因此我们可以将设计注意力转移到利用高级采集接口来开发设计的核心功能元素。甚至 HDL 输入也可以让位于可提高设计抽象水平的更简单嵌入式原理图设计,如:C。软硬件工程师无需重新培训便可一下子掌握以前完全依赖处理器与硬件专家的设计流程。

采用上述方法可以提高项目修改与效率方面的优势,因为重点不再是选择处理器和管理与其相关的所有低级的细节因素。与诸如电路板设计等传统设计方法与生俱来的复杂性得到适当的降低,使其变得更易于管理,设计焦点再次转向产品差异化与创新,而不必关心单纯的‘生存要素’!将精力与资源转移到存在真正价值的更高级设计活动。

软件与硬件的完美融合将成为最新统一设计领域的内在组成部分。所需要的一切就是支持能够充分利用大型可编程器件的单个、统一设计方案的设计环境。

能够创造价值的工具与技术

要实现设计功能与处理器的分离需要一种硬件不再是基本因素的设计平台。理想情况下所有设计区域都应当以单个的统一流程出现。然后可以存在真正的跨区域设计合作,因为处理器与软件之间的障碍已经消失。这样便可大幅简化设计要素在软件与硬件之间转移的任务。

勿庸置疑,在众多选择中不断探索就会创造出为开发过程的关键实施、调试和升级阶段内置可重新配置硬件平台的设计环境,我们可以在其中自由尝试供应商的各种器件并在软件内外更换 I/O 硬件。适用于电子产品设计各个方面的所有必要工具将包括:与处理器无关的嵌入式编码与调试、混合原理图与基于 HDL 的 FPGA 设计与合成、以及全面的 PCB 布局。软件工程师只需具备硬件基础知识即可使用这种环境,而硬件工程师则可将精力集中在设计独特的设计元件上,并将其原型化,因为软件与硬件都能够进行升级。

通过将抽象提高到超过处理器的水平来简化设计工艺的策略,是向灵活性更高的嵌入式设计解决方案发展的可行道路。在经济困境面前,日益复杂化的行业正面临着前所未有的思想破旧立新压力。处理器的选择在任何时候都很重要。然而,现在是我们需要做出重大设计决策,并利用大势所趋的统一设计流程实现更大的创新的时候了!

作者:Marcelle Douglas, 现任 Altium 技术编辑,她毕业于加州圣地亚哥国立大学 (National University, San Diego, Calif),获计算机硕士学位。在电子设计与软件工程领域,Marcelle Douglas 拥有超过 13 年的丰富经验。

(52RD.com)
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