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    在日益信息化的現代社會中，計算機和網絡的應用已經全面滲透到日常生活中，各種應用嵌入式系統的電子產品也隨處可見，計算機的應用經過桌面PC系統的空前之后，嵌入式系統的應用正風起云涌，廣泛進入到工業、軍事、通信、環保、電力、鐵路、金融等眾多領域。作為兩大類型計算機之一的專用計算機系統、即嵌入式系統在應用數量上已經遠遠超過傳統的通用計算機系統，嵌入式微控制器技術的出現給現代工業控制領域帶來了一次新的技術革命。

    嵌入式微控制器組成的系統可嵌入到任何需要控制的設備中，并且在工控領域的應用已經越來越廣泛。嵌入式系統按形態可分為設備級(工控機)、板級(單板、模塊)、芯片級(MCU、SoC)。當前使用的單片機與工控機是一種典型的嵌入式系統應用。隨著Internet的飛速發展，對各種工控設備的網絡功能要求也越來越高。大量的智能設備將通過網絡相互傳遞信息和數據，實現智能化現場設備的功能自治性、系統結構的高度分散性以及監管控一體化。

    在嵌入式系統的市場競爭愈加激烈的今天，如何快速地將符合需求的產品投入市場并在競爭中保持一席之地？成為眾多嵌入式研發制造企業所面臨的共同課題。

    所以必須通過加快設計流程來提高設計質量，而目前大多企業普遍采取的解決方案是利用現成的商業化平臺。嵌入式設備在開發過程中，除了必須考慮它的處理器架構、操作系統性能、以及其他組件之外，開發人員還必須了解一些例如：系統的哪些部分需要設計、哪些部分需要購買現成設備等等。

    一般自行設計的方案，它的優勢是可以全面地自定義最終的解決方案并優化成本，但是任何設計規格的更改或疏忽都會使成本高昂，且周期漫長。相反，使用商業現成的平臺將增加產品的銷售成本，或者可能會浪費一些不必要的成本，但是通常來說，現成的系統提供了更快的驗證周期，因而也就具有更為快捷的設計流程，從而在更短的上市時間內保證設計的質量。

    下文我們就將用于開發嵌入式系統的兩種方案----自行設計或使用現成平臺進行對比闡述，并且討論與這兩種方案相關的技術和經濟風險。

    方案一：自行設計

    開發之前，需要為系統的核心控制部分選擇一種處理器技術，目前研祥采用以下五種技術：

    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外圍設備。它們通常帶有極小的片上存儲容量，而且難以用于復雜性高和需要擴展的場合。此外，其時鐘速率通常是10MHz的數量級，因此一般不能實現高性能的控制循環。

    2. 嵌入式處理器－和微控制器相比，嵌入式處理器的時鐘速率更高且通常具有外部存儲接口，因而性能和擴展性并不成問題。但是應用程序需要進行復雜的驅動開發，因為嵌入式處理器通常并不帶有片上模擬外圍設備。此外，隨著芯片封裝技術的發展，嵌入式處理器通常采用高密度的封裝技術，例如球柵陣列封裝(ball-grid array，即BGA)，這將導致較復雜的制造流程，增添了更為困難的硬件調試工作。

    3. 數字信號處理器(DSP)－DSP是一種專用的微處理器，它提供額外的指令以優化特定的數學函數，例如乘法和累加操作。DSP對于計算繁重的應用場合來說是極為有用的，但是通常需要專業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用而設計的，不具有通用性。對于解決諸如功耗和產品成本等問題，ASIC被廣泛認為是一種極好的方案。但是，極為昂貴的ASIC開發和制造流程通常讓人望而卻步，一般僅限于具有極大產量的產品。

    5. 現場可編程門陣列(FPGA)－FPGA在自定義的ASIC設計和現成的技術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，因而其開發成本與ASIC相比要低得多。雖然FPGA可以被應用于各種場合，但是一般來說復雜的FPGA設計并不常見，因為對于大部分習慣于使用C語言進行順序編程的嵌入式軟件開發者來說，VHDL編程格式顯得十分陌生。

    在許多情況下，單一的處理器技術并不足以解決應用的需求，因此，混合式架構逐漸成為發展的方向。如圖1所示，嵌入式處理器用于進行系統管理、用戶界面和數據分析，而DSP負責與I/O模塊和對數據進行初步處理等任務。這種混合式架構在嵌入式系統設計中變得十分普遍。

圖1：嵌入式處理器用于進行系統管理、用戶界面和數據分析，而DSP或FPGA負責與I/O模塊和對數據進行初步處理等任務。

    在確定了使用何種處理器技術之后，設計人員還需要完成I/O電路的開發。如果嵌入式系統中存在任何的模擬信號，那么就需要使用模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)、以及相應的軟件驅動。模擬電路的設計同樣會遇到很多復雜的問題，限于篇幅本文不再贅述。

    方案二：利用EVOC EEB PowerPC模塊構建

    采用這種方案，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品進入市場的時間。除此之外，這些系統具有較好的可擴展性。隨著處理器技術的進步，嵌入式系統出現以下幾種不同的實現技術：

    1、 非集成式嵌入式系統------對于使用現成產品來構建系統，這種系統通常是最為經濟的解決方案。但是，針對這種系統的軟件開發工具幾乎從未集成，而且這些系統通常需要進行各種監管認證。

    2、 集成式嵌入式系統------除了具有與非集成式嵌入式系統相同的組件，這種系統還提供諸如沖擊、振動、工作溫度，以及環境認證之類的技術說明。通常這些系統更加昂貴，但一般都帶有集成的軟件開發環境，且具有更為豐富的I/O選擇。

    3、 工業級PC------利用現成的PC技術，工業級PC為開發工具及I/O性能提供了更為豐富的選擇。它們也具有許多與其他集成式嵌入式系統相同的技術說明和認證，但這種性能是以成本為代價的，它比前述兩種方案更為昂貴。

    基于EVOC EEB PowerPC模塊的集成式嵌入式系統架構與圖1所示的簡單方框圖相似。它使用Freescale PowerPC嵌入式處理器運行VxWorks或Linux實時操作系統。PowerPC通過內部的60X總線或PCI總線與DSP/FPGA相連接。 DSP/FPGA直接連接至AD采集芯片、開關量輸入輸出等外圍接口。

圖2：基于EVOC EEB PowerPC模塊的集成式嵌入式系統示意圖



圖3：EVOC EEB PowerPC模塊框架

    縱觀以上兩種設計方案，技術性在其中能不能起到決定性作用，而簡單的經濟性分析卻是非常必要的。如果最終的利潤足大于開發過程中所花費的工程成本投資，那么所做的決定就是明智的。準確估算自行設計方案所花費的成本，并不是一個很簡單的過程；如果只是把板卡組件的成本和硬件及軟件的開發時間相加，那么只能是非常粗略地估算了總投資成本。還應該考慮其他的潛在成本才能準確地評估實際的任務成本。

    評估了工程投資成本后，可使用公式： TPC/(SUP-VCUP)=BEP（其中，TFC為總固定成本，VCUP為單位變動成本， BEP為收支平衡點。）簡單計算出企業的收支平衡點。但這并沒有包含其他潛在成本。不過，如果選擇了集成式嵌入式系統，不但可以縮短上市時間，而且早期的利潤將會用于成本優化和特性改進。通過這種方案，可以在整個產品生命周期內分攤投資成本，而不是在早期的開發過程中投入所有資金。

    那么這樣是否就不用再自行設計板卡了呢？當然不是。對于那些對形狀尺寸有具體要求且具有極高產量的系統，或者技術要求極為苛刻的系統來說，自行設計的方案將更具優勢。而對于產量相對較低、技術復雜又需要快速上市的產品，使用現成平臺可以讓供應商負擔物流和潛在成本，而使設計人員可以專注于突出技術優勢，從而在市場競爭中處于領先位置。