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嵌入式系统及系统级可编程产品

5 一种开放式多媒体应用平台（OMAP）[2]
　OMAP是美国TI（德州仪器）公司为2.5代及第3代移动通信（主要是无线手持终端）专门研制的一个软硬件开发平台。借助该平台，开发人员可以创建各种多媒体产品，这些产品可以选择在不同档次的OMAP处理器上实现，以达到最佳的性能价格比和便携特点。OMAP平台为开发人员提供了高效、较方便使用的新一代无线手持终端的软硬件的架构。

5.1 OMAP系列产品
　OMAP包括双内核的OMAP1510,OMAP5910 及单内核的OMAP310,OMAP710等。
　OMAP1510将适合于加速多多媒体或通信应用的超低功耗数字信号处理器(DSP)与适于控制的TI-enhanced ARM925及高级操作系统(OS)功能集成于一体。MAP1510的开放式软件架构可保持双内核(dual core)硬件对用户的透明度，以便于编程并集成到多功能产品中。 
　OMAP5910是双内核的通用处理器，可以应用到更加广泛的市场和产品中。OMAP5910构建在一个由ARM925和TMS320C55x构成的双处理器之上，这两个内核之间使用一种专用的处理器内部通信机制相连接。OMAP5910及其设计套件具有多个目标应用市场，提供多媒体功能、改善的人机界面并延长电池寿命，可以有效地缩短产品开发周期。 
　OMAP710与OMAP310处理器是两种单核产品，仅集成了TI-enhanced ARM925。对于不要求DSP性能的低处理密度应用的无线设备，这两种产品可提供一种可选的替代方案。
　OMAP310及OMAP710处理器可与 OMAP1510处理器上的TI-enhanced ARM925实现代码兼容，允许开发人员将软件移植到针对不同目标市场的产品中。凭借这些处理器，OMAP技术可提供开发2.5G与3G多媒体无线设备所需的高性能、低能耗及编程灵活性。

5.2 OMAP的软件基础技术
　美国德州仪器公司无线软件应用部Justin Helmig指出，OMAP的软件基础技术包括内核软件技术，以及为OMAP平台优化的软件模块，该平台可针对不同应用提供易于实现的特色化设计。OMAP平台的内核软件技术也使应用开发人员能够充分利用OMAP处理器的性能，而不需要具体了解基础硬件架构。对于个人设备而言，该平台为希望进一步实现未来无线通信的开发人员提供灵活的解决方案。OMAP处理器支持众多类型的应用，如语言处理、定位服务、安全性、游戏、移动商务、个人管理及多媒体功能等。

5.3 OMAP平台内核软件技术
　为加速信号处理任务，OMAP平台的内核软件允许应用程序利用DSP，从而提高产品性能。用户可以与运行在TI-enhanced ARM925上的操作系统互动，同时使用DSP来加速多媒体、语音、安全性或其它功能。凭借优化的底层软件，DSP 能以低功耗方式执行这些　　　　　　　　　　　信号处理任务，从而能够延长电池使用寿命，并可实现更小的产品体积。

　对应用开发人员OMAP平台的内核软件技术提供了在不了解DSP或信号处理知识的前提下，使用DSP功能的机制。开发人员通过易于使用的高级应用程序接口(API)方便地获得DSP加速算法，相同的API集可运行于各种具有或不具有DSP的OMAP平台上，从而可实现代码的复用，使同样的软件应用到不同目标市场的设备中。 

　为保持编程的简单性，在可能的条件下API的开发都将基于现有的操作系统API。内核技术器件一般以共享库形式来实现，因此在多个应用中都可以利用其所提供的功能。这样，内核技术可以作为库及报头文件的集合进行分配，简化了应用程序的编程，并保护了OMAP开发人员的知识产权。

5.4 DSP/BIOS桥
　OMAP平台的内核软件技术采用DSP/BIOS桥及OMAP平台的特性来开发，OMAP平台可在DSP及TI-enhanced ARM925上实现非对称多处理技术。DSP/BIOS桥可将DSP操作系统与TI-enhanced ARM925操作系统链接起来，从而使应用程序能够以独立于设备的高效方式进行通信。DSP/BIOS桥还使开发人员能够在多个基于OMAP的平台上重复使用其内核技术。 
　总之，OMAP平台将高性能、低功耗处理器与易于使用的开放式软件架构，以及全面支持网络应用进行了成功结合，为开发新一代2.5G及3G无线应用奠定了良好的软硬件基础。内核软件技术是OMAP平台成功的关键因素，可方便地提供媒体流处理、安全性、生物统计学、语音识别、高级音频及其它功能。

6 适用于嵌入式系统的可编程芯片
　嵌入式系统对硬件的体积、重量、功耗、成本、可靠性都有不同程度的要求，对某些指标又会有特殊的要求。例如，手机一类的移动设备对功耗特别敏感，信息家电产品对成本很敏感，军用设备对可靠性等指标要求极高。因此，对不同的应用领域，其需求的侧重点是不同的，需要我们认真考虑选择合适的软硬件平台。
　集成电路已进入了亚微米、甚至纳米的超大规模集成时代，用系统级可编程芯片构成嵌入式系统的硬件，不论在体积、重量、功耗、成本、可靠性等方面均可达到理想效果，将成为一个最佳选择方案。因此，专用芯片设计是嵌入式系统设计的核心技术之一。
　适用于嵌入式系统的芯片可以分为通用芯片和专用芯片两大类分别讨论如下：

6.1 通用芯片
通用芯片主要有标准单元IC、FPGA和门阵列等。现比较如下：
6.1.1 标准单元IC（即半定制ASIC芯片）
·优点：
·能最优化面积利用率。
·能获得最好的性能。
·缺点： 
·建立坚实的设计基础，对开发资源投资大。
·设计难度大，要求设计工具功能强、设计随工艺技术不断更新换代；在设计规则长度小于0.25μm的深亚微米(DSM)设计中，设计人员通常要花费大量精力解决DSM效应如迁移、天线效应等问题。这些问题主要由非常小的物理结构引起的。这正是在后端设计流程中采用专用开发工具处理这些效应的原因。 
·设计人员的专业知识提出了更高的要求，同时也需要一些专业设计公司提供工具使用方面的帮助。开发人员在工具领域掌握的专业知识越多，就越有可能获得最优化的设计(面积最小同时性能最佳)。
·于存在设计和工具应用两方面的挑战，缩短设计时间自然就成为项目计划的一个决定因素。
·准单元IC相关的非重发性设计成本（NRE Non-recurring Engineering）费用。该费用主要用于制作蚀刻掩模，当掩模的设计规则长度在0.18μm以下时，NRE费用通常高达几十万美元，这种情况下要保持收支平衡就要求芯片有足够的销售量。
6.1.2 FPGA(现场可编程门阵列)
·点：
·PGA成本较低。
·标准单元IC和门阵列相比，FPGA具有可编程的优点，因此不存在掩模成本；芯片完成后尚可通过编程进行修改，硬件风险小。
·点：（随着技术进展，有些缺点正在逐步克服）
当进行大批量生产时，FPGA所具有的成本优势也将削弱。
·PGA的可编程性对硅面积的要求较大，因而功耗较高。为了适应数量增加的外部引脚，封装的价格也更昂贵。即使是小批量的生产，掩模可编程ASIC方案的成本有时会更低一些。
6.1.3 门阵列
·优点：
·供门结构完备的芯片，比如“门海”结构，设计工程师唯一要做的就是通过金属层上的门级布线实现ASIC。
·门阵列技术所能达到的系统频率超过目前FPGA技术所能提供的频率。
·门阵列的开发工作也相对比较简单，因为大部分可以自动完成。门阵列的开发成本要远小于标准单元IC，因为电路实现只需要增加金属层，极大地减少了设计步骤。
·缺点： 
与标准单元IC相比，门阵列的主要缺点是面积利用率和性能都较低。
·标准单元IC（即半定制ASIC芯片）
·优点：
- 能最优化面积利用率。
- 能获得最好的性能。
·缺点： 
- 为建立坚实的设计基础，对开发资源投资大。
- 其设计难度大，要求设计工具功能强、设计随工艺技术不断更新换代；在设计规则长度小于0.25μm的深亚微米(DSM)设计中，设计人员通常要花费大量精力解决DSM效应如迁移、天线效应等问题，这些问题主要由非常小的物理结构引起的。这正是在后端设计流程中采用专用开发工具处理这些效应的原因。 
- 对设计人员的专业知识提出了更高的要求，同时也需要一些专业设计公司提供工具使用方面的帮助，开发人员在工具领域掌握的专业知识越多，就越有可能获得最优化的设计(面积最小同时性能最佳)。
- 由于存在设计和工具应用两方面的挑战，缩短设计时间自然就成为项目计划的一个决定因素。
- 标准单元IC相关的NRE费用。该费用主要用于制作蚀刻掩模，当掩模的设计规则长度在0.18μm以下时，NRE费用通常高达几十万美元，这种情况下要保持收支平衡就要求芯片有足够的销售量。
·FPGA(现场可编程门阵列)
·优点：
- FPGA成本较低。
- 与标准单元IC和门阵列相比，FPGA具有可编程的优点，因此不存在掩模成本；芯片完成后尚可通过编程进行修改，硬件风险小。
·缺点：（随着技术进展，有些缺点正在逐步克服）
- 当进行大批量生产时，FPGA所具有的成本优势也将削弱。
- FPGA的可编程性对硅面积的要求较大，因而功耗较高，为了适应数量增加的外部引脚，封装的价格也更昂贵。即使是小批量的生产，掩模可编程ASIC方案的成本有时会更低一些。
·门阵列
·优点：
- 提供门结构完备的芯片，比如“门海”结构，设计工程师唯一要做的就是通过金属层上的门级布线实现ASIC。
- 门阵列技术所能达到的系统频率超过目前FPGA技术所能提供的频率。
- 门阵列的开发工作也相对比较简单，因为大部分可以自动完成。门阵列的开发成本要远小于标准单元IC，因为电路实现只需要增加金属层，极大地减少了设计步骤。
·缺点： 
- 与标准单元IC相比，门阵列的主要缺点是面积利用率和性能都较低。

6.2 新一代系统级可编程产品[3]
　除了上述通用芯片外，针对庞大的EIP市场，还出现了新一代系统级可编程产品，如嵌入式标准产品(ESP)、专用可编程产品(ASPP)、现场可编程系统芯片(FPSC)。后者也称SoPC（System on  Programmable Chip）或PSoC（Programmable System on Chip）。这些芯片都在一个器件上集成了嵌入式功能和可编程逻辑门及存储器，因而设计人员能在短时间内快速开发出节省成本的复杂系统。设计人员在使用这些产品时，面临着一系列新的挑战，包括配置嵌入式功能、把嵌入式功能与他们自己的定制逻辑设计相结合、功能及时序仿真以及硬件测试和调试等。

6.2.1 ESP产品的构成