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详细阐述Linux嵌入式系统与硬件平台的关系

  一、嵌入式系统设计方法变化的背景 

  嵌入式系统设计方法的Linux嵌入式系统/硬件平台演化总的来说是因为应用需求的牵引和IT技术的推动。 

  随着微电子技术的不断创新和发展,大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高。硅材料与人类智慧的结合,生产出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微电子结构模块,推动了一个全新的技术领域和产业的发展。在此基础上发展起来的器件可编程思想和微处理(器)技术可以用软件来改变和实现硬件的功能。微处理器Linux嵌入式系统/硬件平台和各种可编程大规模集成专用电路、半定制器件的大量应用,开创了一个崭新的应用世界,以至广泛影响着并在逐步改变着人类的生产、生活和学习等社会活动。 

  计算机硬件平台Linux嵌入式系统/硬件平台性能的大幅度提高,使很多复杂算法和方便使用的界面得以实现,大大提高了工作效率,给复杂嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。 

  高性能的EDA综合开发工具(平台)得到长足发展,而且其自动化和智能化程度不断提高,为复杂的嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级别集编辑、布局、布线、编译、综合、模拟、测试、验证和器件编程Linux嵌入式系统/硬件平台等一体化的易于学习和方便使用的开发集成环境。

  硬件描述语言HDL(Hardware DescrIPtion Language)的发展为复杂电子系统设计提供了建立各种硬件模型的工作媒介。它的描述能力和抽象能力强,给硬件电路,特别是半定制大规模集成电路设计带来了重大的变革。目前,用得较多的有已成为IEEE为 STD1076标准的VHDL、IEEE STD 1364标准的Verilog HDL和Altera公司企业标准的AHDL等。 

  由于HDL的发展Linux嵌入式系统/硬件平台和标准化,世界上出现了一批利用HDL进行各种集成电路功能模块专业设计的公司。其任务是按常用或专用功能,用HDL来描述集成电路的功能和结构,并经过不同级别的验证形成不同级别的IP内核模块,供芯片设计人员装配或集成选用。 

  IP(Intellectual Property)内核模块是一种预先设计好的Linux嵌入式系统/硬件平台甚至已经过验证的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有几种不同形式。IP内核模块有行为(behavior)、结构(structure)和物理(physical)3级不同程度的设计,对应有主要描述功能行为的“软IP内核(soft IP core)”、完成结构描述的“固IP内核(firm IP core)”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬IP内核(hard IP core)”3个层次。这相当于Linux嵌入式系统/硬件平台集成电路(器件或部件)的毛坯、半成品和成品的设计技术。 

  软IP内核通常是用某种HDL文本提交用户,它已经过行为级设计优化和功能验证,但其中不含有任何具体的物理信息。据此,用户可以综合出正确的Linux嵌入式系统/硬件平台门电路级网表,并可以进行后续结构设计,具有最大的灵活性,可以很容易地借助于EDA综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体,根据各种不同的半导体工艺,设计成具有不同性能的器件。可以商品化的软IP内核一般电路结构总门数都在5000门以上。但是,如果后续设计不当,有可能导致整个结果失败。软IP内核又称作虚拟Linux嵌入式系统/硬件平台器件。 

  硬IP内核是基于某种半导体工艺的物理设计,已有固定的拓扑布局和具体工艺,并已经过工艺验证,具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件,是可以拿来就用的全套技术。 

  固IP内核的设计Linux嵌入式系统/硬件平台深度则是介于软IP内核和硬IP内核之间,除了完成硬IP内核所有的设计外,还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节。一般以门电路级网表形式提交用户使用。 

  TI,Philips和Atmel等厂商就是通过Intel授权,用其MCS51的IP内核模块结合自己的特长开发出有个性的与Intel MCS51兼容的单片机。 

  常用的IP内核模块有各种Linux嵌入式系统/硬件平台不同的CPU(32/64位CISC/RISC结构的CPU或8/16位微控制器/单片机,如8051等)、32/64位DSP(如320C30)、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCI、标准接口、网络单元、编译器、编码/解码器和模拟器件模块等。丰富的IP内核模块库为快速地设计专用集成电路Linux嵌入式系统/硬件平台和单片系统以及尽快占领市场提供了基本保证。 

  软件技术的进步,特别是嵌入式实时操作系统EOS(Embedded Operation System)的推出,为开发复杂嵌入式系统应用软件提供了底层支持和高效率开发平台。EOS是一种功能强大、应用广泛的实时多任务系统软件。它一般都具有操作系统所具有的各种系统资源管理功能,用户可以通过应用程序接口API调用函数形式来实现各种资源管理。用户程序可以在EOS的基础上开发并运行。它与通用系统机中的OS相比,主要有系统内核短小精悍、开销小、实时性强和可靠性高等特点。完善的EOS还提供各种设备的驱动程序。为了适应网络应用和Internet应用。还可以提供TCP/IP协议支持。目前流行的EOS有3Com公司的Palm OS、Microsoft公司的Windows CE和Windows NT Embedded4.0、日本东京大学的Tron和各种开放源代码的嵌入式Linux以及国内开发成功的凯思集团的Hopen OS和浙江大学的HBOS。 

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