自定義的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)——“創(chuàng)建”的方式

在開發(fā)之前，您必須為系統(tǒng)的核心控制器選擇一種處理器技術(shù)。例如如下所列舉的五種技術(shù)：

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，而且不易于用于復(fù)雜性高和需要擴(kuò)展的場合。此外，其時(shí)鐘速率通常是10M赫茲的數(shù)量級，因此您通常不能實(shí)現(xiàn)高性能的控制循環(huán)。

微處理器-利用微處理器，時(shí)鐘速率將更高而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。但是您的應(yīng)用程序可能需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)開發(fā)，因?yàn)樗鼈兺ǔ２⒉粠в衅夏M外圍設(shè)備。此外，高密度的封裝技術(shù)，例如球門陣列封裝(ball-grid array，即BGA)可能導(dǎo)致需要極為復(fù)雜的制造流程。這就增添了更為困難的硬件調(diào)試工作。

數(shù)字信號處理器(DSP)-DSP是一種專用的微處理器，它具有額外的指令以優(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(jì)算繁重的應(yīng)用場合來說是極為有用的，但是您通常需要專業(yè)的知識來利用它的軟件性能。

專用集成電路(ASIC)-一款A(yù)SIC芯片是專為某個(gè)特

定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，而不是為了通用的可編程性。ASIC廣泛被認(rèn)為是一種極好的技術(shù)用來解決諸如功率消耗和產(chǎn)品成本等技術(shù)性問題。但是，極為昂貴的ASIC開發(fā)和制造流程通常讓人望而卻步，除了那些具有極大產(chǎn)量的產(chǎn)品。

現(xiàn)成可編程門陣列(FPGA)-FPGA在自定義的ASIC設(shè)計(jì)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，但是它們可以重新配置，因而您不會(huì)付出與開發(fā)ASIC相同的高昂制造成本。雖然您可以在廣泛的處理應(yīng)用場合中使用FPGA，但是會(huì)遇到并不常見的復(fù)雜的FPGA設(shè)計(jì)，因?yàn)閷τ诖蟛糠至?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)用的需要。因此，近年來混合式架構(gòu)就變得極為流行。一種使用這種方式的架構(gòu)如圖1所示。實(shí)時(shí)處理器用來管理網(wǎng)絡(luò)通信和用戶界面，而FPGA則管理著與I/O組件和高速控制任務(wù)間的接口。這種混合式架構(gòu)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)中變得十分普遍。在這種混合式架構(gòu)中，實(shí)時(shí)處理器用來管理網(wǎng)絡(luò)通信和用戶界面，而FPGA則管理著與I/O組件和高速控制任務(wù)間的接口。

在確定了使用何種處理器技術(shù)之后，您必須開發(fā)I/O電路。如果嵌入式系統(tǒng)中存在任何的模擬信號，那么您就需要模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字-模擬信號轉(zhuǎn)換器(DAC)、以及相應(yīng)的軟件驅(qū)動(dòng)。市面上許多書籍都講述了設(shè)計(jì)優(yōu)良模擬電路中所遇到的復(fù)雜性問題，因此本指南著力于系統(tǒng)中的嵌入式控制器，盡管其中許多的概念也適用于I/O組件的選擇。

現(xiàn)成的嵌入式系統(tǒng)-“購買”的方式

另外一種方式就是購買現(xiàn)成的平臺來開發(fā)控制器。雖然通常來說您付出了比板卡組件成本更高的價(jià)錢，但是您可以更加迅速地進(jìn)入市場。除此之外，這些系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展方式，所以在第一次原型設(shè)計(jì)后進(jìn)行不可避免的性能改進(jìn)之時(shí)就無需費(fèi)心費(fèi)力。而且隨著處理器技術(shù)的進(jìn)步，您可以為您的嵌入式系統(tǒng)考慮如下幾種不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)：

非集成式嵌入式系統(tǒng)-它具有多種不同的波形系數(shù)(form factors)，例如Mini-ITX、PC/104等。非集成式嵌入式系統(tǒng)通常是最為經(jīng)濟(jì)的使用現(xiàn)成產(chǎn)品來建立嵌入式系統(tǒng)的解決方案。這些系統(tǒng)也具有各種不同的處理器架構(gòu)以供您選擇，而且也會(huì)帶有一小部分操作系統(tǒng)和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)通常需要您進(jìn)行強(qiáng)制性認(rèn)證，例如EMI和CE兼容性。

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(dòng)、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式軟件開發(fā)工具而且具有更為豐富的集成式I/O選擇。

工業(yè)級PC- 利用現(xiàn)成可得的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它集成式嵌入式系統(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(jià)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(gè)實(shí)例

NI CompactRIO集成式嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)與圖1所示的簡單的方框圖極為相似。它使用了Freescale公司的PowerPC微處理器并運(yùn)行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。PowerPC通過內(nèi)部的PCI總線與Xilinx FPGA相連接。此外，F(xiàn)PGA直接連接至各種模擬和數(shù)字I/O模塊的連接頭，從而使得您可以連接傳感器、激勵(lì)器、以及通信總線。如果您需要高度自定義的I/O，那么您可以設(shè)計(jì)您自定義的模塊。圖2示出了NI CompactRIO集成式嵌入式系統(tǒng)示意圖，而圖3示出了嵌入式系統(tǒng)方框圖。

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圖3、CompactRIO系統(tǒng)方框圖

做出決定-嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的“隱性”成本

通常在選擇采用創(chuàng)建還是購買方式時(shí)，技術(shù)性能并不是決定性因素。相反，它通常會(huì)演變成一個(gè)簡單的經(jīng)濟(jì)性分析。如果最終的利潤所得足以填補(bǔ)產(chǎn)品開發(fā)過程中所花費(fèi)的工程成本投資，那么您就做出了一個(gè)明智的決定。

如果要做出一個(gè)明智的決定，您必須準(zhǔn)確地估計(jì)創(chuàng)建您自定義解決方案所花費(fèi)的成本。但這并是看上去那么簡單;如果您只是把板卡組件的成本和硬件及軟件的開發(fā)時(shí)間相加，那么您只是非常粗略地低估了總投資成本。您應(yīng)當(dāng)考慮其它的“隱性”成本才能準(zhǔn)確地評估真正的任務(wù)成本。

例如，制造和庫存成本通常是系統(tǒng)銷售成本的百分之二十到三十。此外，平均來說，百分之三十的軟件開發(fā)時(shí)間花在操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)、以及中間件開發(fā)上-盡管在選擇帶有集成硬件和軟件的集成平臺后您可以不必進(jìn)行這樣的板卡啟動(dòng)工作。另外，您還需要考慮其它的隱性成本，包括環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)證、易耗元器件、以及最后時(shí)刻的技術(shù)變更

所導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更和徹底的重新設(shè)計(jì)。最后，最難以感覺但可能是最為重要的成本是機(jī)會(huì)成本，即把工程時(shí)間花費(fèi)在設(shè)計(jì)此種系統(tǒng)，而不是花費(fèi)在其它將帶來收益的項(xiàng)目上。

一旦您評估了工程投資成本，那么您就可以計(jì)算一個(gè)簡單的財(cái)務(wù)收支平衡分析。假設(shè)您指派兩個(gè)工程師花費(fèi)九個(gè)月的時(shí)間來開發(fā)一個(gè)自定義的板卡，從技術(shù)說明到供貨，其投資成本大約是$300,000。下一步，在預(yù)安裝、原型設(shè)計(jì)、預(yù)發(fā)布單元、加工以及其它偶然的工程成本等每個(gè)方面您都花費(fèi)了$25,000，從而使得整個(gè)投資成本上升到$400,000。在您完成了這些工作后，自定義設(shè)計(jì)產(chǎn)品的成本將比現(xiàn)成的平臺便宜$400。使用公式1，您將看到投資收支平衡點(diǎn)位于第1000個(gè)單位產(chǎn)品，而且直到售出第1001個(gè)單位產(chǎn)品才會(huì)盈利。而且，這并沒有包含上面所討論的其它“隱性”成本。但是，如果您選擇了集成式嵌入式系統(tǒng)，那么您可以縮短上市時(shí)間，但是早期的利潤將會(huì)用于成本優(yōu)化和特性改進(jìn)。通過這種方式，您可以在整個(gè)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、您可以使用簡單的公式來計(jì)算任何自定義系統(tǒng)的收支平衡點(diǎn)

結(jié)論

因此就不要開發(fā)自定義的板卡了?當(dāng)然不是。反而，對于那些需要極高專用化波形系數(shù)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，當(dāng)您評估對您產(chǎn)品成功至關(guān)重要的技術(shù)時(shí)它將節(jié)省您的辛苦付出。而在那些您使用現(xiàn)成技術(shù)的領(lǐng)域，可以讓供應(yīng)商負(fù)擔(dān)物流和“隱性”成本從而使得您可以專注于技術(shù)差異化以獲得更優(yōu)的產(chǎn)品。