连贯统一的嵌入式设计方法

连贯统一的嵌入式设计方法

没有哪一类设计工程师比软件开发人员更熟悉高层次的抽象设计了。无论是开发PC软件、用于电子设备的嵌入式应用、Web服务还是开发数据库系统，都可使用高层次开发系统与相关语言来避免与本地代码打交道的麻烦。

软件设计经历了漫长的编程语言和系统发展道路，归根结底都是为了使开发人员避免与汇编语言的纠缠。使用现在常见的编程接口、代码语法和编译器的实现方式，软件开发通过广泛的编程语言(从Pascal直到面向对象的语言和C++)实现了高层次抽象。作为PC应用软件的“小弟”，用于电子设备的嵌入式软件的开发也大体运用同样的原则和系统。

实际上，用于开发电子设计中的硬件和软件的抽象系统如此常见，以致它们被认为是正常而非抽象的工作方式。软件工程师由此获得的明显好处是降低了设计复杂性并提高了开发速度。用于嵌入式固件的C语言的使用，使与寄存器堆栈或大量封装的顺序代码打交道的工作成为了历史。

虽然这些概念在电子设计中是普遍的，但它们只是在临时(ad-hoc)的基础上存在，而且通常是在具体设计领域之内。随着电子产品设计复杂性的增加、开发时间的缩短和嵌入式开发方式的流行，软件开发人员需要能够进入使用高层次设计系统的其他领域。

抽象的硬件描述语言(HDL)

电子产品设计流程带来的一个新挑战是随着电子产品开发流程中可编程硬件设备的引入而出现的。在这种情况下，软件被用来定义硬件或者作为胶合逻辑的一大部分，但更重要的是作为整个SoC的设计。

在高层次设计方面，可编程逻辑还处于其设计抽象演变的早期阶段。硬件描述语言用于描述在寄存器层次的设计，寄存器在最后合成后达到门电路层次，用于实现选定的设备传统上是采用ASIC，现在更常见的是FPGA。但是，HDL晦涩难懂的性质使其在复杂性上常常堪比于汇编语言，因此对于非HDL专家的人而言，开发嵌入式硬件的任务令人望而生畏。

因此，各种设计抽象系统相继被开发出来以帮助缓解这一问题。这些系统在方法 论 上存在很大区别，但通常都是基于示意图的系统、图形式流程图方案或者C语言的变体和扩展形式。它们允许更多开发者(如软件工程师)通过运用及提高其现有能力来创造嵌入式硬件。像其他设计领域(硬件和应用软件)一样，实现高层次设计系统以降低复杂性已经成为公认的方式，并应用于FPGA开发领域。

以基于C语言变体的高层次嵌入式设计系统为例，这种系统使具有硬件设计知识的软件工程师有可能使用熟悉的语言和方法来设计嵌入式硬件。该过程倾向于反映软件的顺序性质，但它并非硬件的平行概念，且大多用于设计的各个部分或者用作转化的软件算法，采用SoC设计方案则是另一回事。

无论软件工程师使用哪一种高层次系统(流程图、示意图或C语言转化)来设计嵌入式硬件，他们都有机会创造相对复杂的大型“软”硬件系统来支持其自己的软件例程和功能，甚至可能在最后创造出完整的产品设计。

特别要注意的是，用于提高可编程逻辑设计的抽象层次的常用系统采用了各不相同、互不相关的方法 论，这与整体SoC设计过程相互关联的性质并不一致。由于可编程硬件的出现，各设计领域之间的相互依存性被放大，可编程硬件通常是应用软件(可能是处理器、内存等)的“宿主”，而它本身的“宿主”则是设计的物理硬件。FPGA结构是硬件和软件“三明治”的夹心层。

连贯统一的方案

为将设计抽象概念提高到新的水平，我们需要一个产品开发系统，可以将各个设计领域整合为使用单一设计数据模型的统一应用系统，这样嵌入式软件、可编程硬件和物理硬件可共用一个跨越所有设计领域的设计界面和设计数据模型，使产品开发成为统一、连贯的任务。

然后，嵌入式硬件设计即可成为设计流程的一部分，进入硬件与应用软件领域。任何设计领域的变动都将引起单一数据集合的改动，并可立即用于其他领域，且任何高层次设计流程都可被设计系统的其余部分自然而然地“理解”。嵌入式硬件开发领域的设计抽象已经从位于常规过程顶端的一个简单、孤立的层面变为一个交互式地渗透到整个设计系统的层面。

使用这样的系统，诸如在某一设计中实现一个USB 接口的典型任务即可得到极大简化。在这种情况下，USB 接口可能拥有需要被整合进所有领域的要素，包括物理空间的连接器和接口硬件、可编程硬件领域的总线接口以及应用软件领域的驱动和协议层。

包括数据库构成部分在内的单一设计数据池拥有一个包含所有要素的单一USB区块模型。你可以使用基于图形的高层次捕获系统简单地将该模型整合进设计，在系统中，该模型出现于所有设计领域，无论在哪个设计抽象层次。IP核心或所保存的设计可以同样方式得到使用(和重复使用)。

使用统一开发环境中单一设计数据模型的优点贯穿到设计的方方面面。高层次设计可能性渗透到所有设计领域，并支持以软件为中心的实用电子系统开发方法。当在单一连贯的设计环境中实现高层次设计后，即可将FPGA用作供软件工程师使用的硬件开发平台，而非用于存放由HDL专家创造的大量逻辑的硬件容器。

在实际硬件上的“软”设计

接下来就是将该系统与低成本FPGA硬件开发平台(包括支持硬件、通用I/O系统并具有可以随意更换的插入式外围板卡)相结合。

该硬件平台和高层次设计软件之间的智能通信允许开发板卡的所有部分进行直接互动，而不只是提供用于FGPA编程的基本功能。你可以动态更换外围设备，而软件则按照要求自动重新配置接口层和配置文件。利用这一设置，包括物理硬件在内的完整开发系统就表现为一个连贯统一的设计环境。

对于所有工程师特别是软件开发人员来说，可以使用高层次系统在实际硬件的基础上实时开发和研究设计方案。在一些情况(例如简单产品生产过程)中，该硬件很可能成为成品，这使软件工程师能迅速开发出完整的产品，或者至少开发出概念证明设备。此外，你用来开发和测试产品的设计软件和硬件开发平台可直接支持使用现成硬件。在该环境中开展的设计可以直接而平滑地转变为基于兼容OTS硬件的成品。

采用这种方法，设计周期中的关键设计决定可以大大推迟，并且可在任何时候对设计的规定软要素进行更新，甚至在产品已开始实际使用之后。设计过程的早期阶段不再需要立即做出硬件决定，这使软件设计师能够将精力集中于设计中定义功能的嵌入式硬件和软件。硬件选择可以留到最后以满足设计的“软”要素的需要，而非采用相反的方式。

这种单一硬件和软件设计环境提供了在更短时间内和以更低风险来开发、调试、原型化和部署创新设计所需的基础架构。当通过与所有设计领域相连接的高层次FPGA设计界面进行访问时，软件开发人员可利用该系统与物理开发硬件的内在联系来创造能够提供独特和高价值用户体验的创新产品设计