嵌入式系統(tǒng)的應用已經相當?shù)膹V泛，曾有專家預言——嵌入式系統(tǒng)的明天就相當于PC的今天，如今從某種程度上講預言已經實現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應用于工業(yè)設備、汽車航空、醫(yī)療電子、消費電子等領域，與此同時市場競爭也愈加激烈，如何快速地將符合需求的產品投入市場成為在競爭中保持一席之地的關鍵。然而，隨著系統(tǒng)構架的日益復雜化——多核多任務的環(huán)境，MPU、DSP和FPGA混合編程，以及處理器和開發(fā)工具的多樣化——給嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了很大的挑戰(zhàn)。第三方獨立市場預測機構Embedded Market Forecasters (EMF) 在對900多名嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員進行調研后指出，超過50%的嵌入式設計比預期時間晚上市，而平均延遲時間高達近4個月；并且在已發(fā)布的產品中，有近30%的設計未達到預期的功能和指標。

因此必須采取一定的措施來加快設計流程，提高設計質量，一種解決方案是采取現(xiàn)成可用的商業(yè)化平臺。在開發(fā)一個嵌入式設備時，除了考慮處理器架構、操作系統(tǒng)性能、以及其它組件之外，開發(fā)人員必須決定系統(tǒng)的哪些部分需要設計、哪些部分需要購買現(xiàn)成設備。如果采用自行設計的方案，其優(yōu)勢在于可以全面地自定義最終的解決方案并優(yōu)化成本，但是任何設計規(guī)格的更改或疏忽都將導致漫長且成本高昂的延期。與此相對的，使用商業(yè)現(xiàn)成的平臺將增加產品的銷售成本，或者可能為一些不需要的特性而花費成本，但是通常來說，現(xiàn)成的系統(tǒng)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。本文闡述了用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的兩種方式——自行設計或使用現(xiàn)成平臺——并且討論了與這兩種方式相關的技術和經濟風險。

1. 方式一：自行設計

在開發(fā)之前，需要為系統(tǒng)的核心控制部分選擇一種處理器技術。例如下面所列舉的五種技術：

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(shù)量級，因此一般不能實現(xiàn)高性能的控制循環(huán)。

微處理器－和微控制器相比，微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。但是應用程序可能需要進行復雜的驅動開發(fā)，因為微處理器通常并不帶有片上模擬外圍設備。此外，微處理器可能需要高密度的封裝技術，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。

數(shù)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(yōu)化特定的數(shù)學函數(shù)，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(yè)的知識來利用它的軟件性能。

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(fā)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。

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）－FPGA在自定義的ASIC設計和現(xiàn)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(fā)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(fā)者來說，VHDL編程格式顯得十分陌生。

在許多情況下，單一的處理器技術并不足以解決應用的需求，因此，混合式架構逐漸成為發(fā)展的方向。如圖1所示，實時處理器用來管理網(wǎng)絡通信和用戶界面，而FPGA則負責與I/O模塊的接口和高速控制等任務。這種混合式架構在嵌入式系統(tǒng)設計中變得十分普遍。

圖1、混合式架構在嵌入式系統(tǒng)設計中變得十分普遍。在這種混合式架構中，實時處理器用來管理網(wǎng)絡通信和用戶界面，而FPGA則負責與I/O部件的接口和高速控制任務

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(fā)。如果嵌入式系統(tǒng)中存在任何的模擬信號，那么就需要使用模數(shù)轉換器（ADC）、數(shù)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。

2. 方式二：使用現(xiàn)成平臺

另外一種方式就是使用現(xiàn)成的平臺來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。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(tǒng)具有較好的可擴展性，所以在第一次原型設計后進行不可避免的性能改進之時就無需費心費力。隨著處理器技術的進步，嵌入式系統(tǒng)有如下幾種不同的實現(xiàn)技術：

1、非集成式嵌入式系統(tǒng)－具有多種不同的形狀尺寸（form factors），例如Mini-ITX、PC/104等。對于使用現(xiàn)成產品來構建系統(tǒng)，非集成式嵌入式系統(tǒng)通常是最為經濟的解決方案。這些系統(tǒng)具有各種不同的處理器架構以供選擇，且?guī)в胁僮飨到y(tǒng)和一小部分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)通常需要進行各種監(jiān)管認證，例如EMI和CE認證。

2、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、工作溫度、以及環(huán)境認證之類的技術說明。通常來說，這些系統(tǒng)更加昂貴，但是他們通常帶有集成的軟件開發(fā)環(huán)境且具有更為豐富的I/O選擇。

3、工業(yè)級PC－ 利用現(xiàn)成的PC技術，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)相同的技術說明和認證，但這種性能是以成本為代價的。這種系統(tǒng)比前述兩種方式更為昂貴。

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圖2、NI CompactRIO正是集成式嵌入式系統(tǒng)的一個實例

NI CompactRIO集成式嵌入式系統(tǒng)架構，與圖1所示的簡單方框圖極為相似。它使用了Freescale PowerPC微處理器運行VxWorks實時操作系統(tǒng)。PowerPC通過內部的PCI總線與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，從而可以連接各種傳感器、激勵器、以及通信總線，同時也允許開發(fā)人員設計自定義的模塊。圖2給出了NI CompactRIO集成式嵌入式系統(tǒng)示意圖，圖3則是CompactRIO的系統(tǒng)結構圖。

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圖3、NI CompactRIO系統(tǒng)結構圖

3. 選擇哪種方式？—— 嵌入式系統(tǒng)設計中的“隱性”成本

在選擇采用自行設計還是現(xiàn)成平臺時，通常技術性能并不是決定性因素，而需要進行簡單的經濟性分析。如果最終的利潤所得足以填補產品開發(fā)過程中所花費的工程成本投資，那么做出的決定就是明智的。

要做出決定之前，必須準確地估計自行設計方案所花費的成本。但這并是看上去那么簡單；如果只是把板卡組件的成本和硬件及軟件的開發(fā)時間相加，那么只是非常粗略地低估了總投資成本。應當考慮其它的“隱性”成本才能準確地評估真正的任務成本。

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)時間花在操作系統(tǒng)、驅動、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可以不必進行這樣的板卡驅動工作。另外，還需要考慮其它的隱性成本，包括環(huán)保標準、認證、易耗元器件、以及需求變更所導致的設計變更和徹底的重新設計。最后，最難以感覺但可能是最為重要的成本是機會成本，即制定決策的成本——把工程時間花費在設計此種系統(tǒng)，而不是花費在其它將帶來收益的項目上。

一旦評估了工程投資成本，那么就可以簡單計算一下的財務收支平衡分析。假設針對某種產品的開發(fā)，需要兩個工程師花費九個月的時間來自行開發(fā)一塊板卡，從需求分析到供貨，其投資成本大約是300,000。并且在預安裝、原型設計、預發(fā)布單元、加工以及其它偶然的工程成本等每個方面都花費了25,000，從而使得整個投資成本上升到400,000。在完成了這些工作后，自行設計的產品其成本將比使用現(xiàn)成的平臺便宜400。使用公式1，可以看到投資收支平衡點位于第1000個單位產品，直到售出第1001個單位產品才會盈利。而且，這并沒有包含上面所討論的其它“隱性”成本。但是，如果選擇了集成式嵌入式系統(tǒng)，就可以縮短上市時間，并且早期的利潤將會用于成本優(yōu)化和特性改進。通過這種方式，可以在整個產品生命周期內攤銷投資成本，而不是在早期的開發(fā)過程中投入所有的資金。

公式1、可以使用簡單的公式來計算任何自定義系統(tǒng)的收支平衡點

4. 結論

那是否就不用自行設計板卡了？當然不是。反而，對于那些對形狀尺寸有專門要求且具有極高產量的系統(tǒng)、或者具有極為苛刻技術要求（例如極低的功率消耗）的系統(tǒng)來說，自行設計的方式將更具有優(yōu)勢。而對于產量較低、技術復雜又需要快速上市的產品，使用現(xiàn)成平臺可以讓供應商負擔物流和“隱性”成本從而使得我們可以專注于技術上的優(yōu)勢突出，從而在市場競爭中保持領先。