采用嵌入式处理器及软件可开发高质量任务关键型产品

中心议题：
        *嵌入式处理器及软件应用

涵盖任务关键型产品的军用电子行业，一直将质量视为终极目标。军用计算机、通信系统及电子产品必须比其它系统领先一到两步，这是一个被广为接受的观点，因为它关系到国家安全。因此，质量过去是、现在依然是设计要考虑的首要因素。

质量对与军事/国防相关的产品非常重要，因此，针对高质量产品开发，行业内推出了大量的规范与标准，如MIL-SPEC、MIL-STD以及美国《国家宇航标准》(National Aerospace Standards)等。当前的嵌入式处理器及软件，可为创建高质量、高性能军事/国防电子产品提供有力的帮助。

经过多年的发展，军用电子产品与商用任务关键型电子产品行业，已经从设计基于模拟或 ASIC 的固定功能设备，过渡到集成基于软件的可编程系统时代，以此来实现更好的最终结果。尽管雷达系统的设计可追溯到第二次世界大战，但今天使用的现代系统，主要采用软件及可编程硬件进行重要处理。众多无线通信设备建立在各种软件定义的无线电实施基础之上。其它软件型产品的范例，还包括信号智能设备以及智能兵器上的控制与影像功能。图1主要展示在一个或多个处理器上执行的不同功能。

图1：导弹导引头应用方框图。

功能

嵌入式处理器需要为军事/国防电子产品提供足够的性能与特性。实现所需系统功能，是获得高质量的最重要环节。这通常意味着，需要更快的通用处理器(GPP)、数字信号处理器和/或FPGA来实现原处理功能。此外，它还可决定片上及片外存储器的使用、高带宽I/O与连接选项的使用，以及特定功能的硬件加速等其它方面。事实上，更高的性能需要使用多内核DSP，这是实施未来产品的理想途径。许多算法需要高速度和高精度的计算。因此，这些系统使用既能进行定点运算，又可支持浮点运算的32位与64位处理器，并采用并行处理管线式架构与高级直接存储器访问(DMA) 架构，而且可能还包含基于硬件的处理间/处理器间通信机制。图2 是德州仪器 (TI)最新C64x+定点VLIW(超长指令字)DSP架构的方框图。

图2：TI定点C64x+DSP内核的架构。

由于采用电池供电，便于携带，JTRS无线电与雷达测速器等手持式与便携式系统，是军事攻击运用中的理想选择。设计这种系统需要使用具有高级电源孤岛效应与电源管理功能的超低功耗处理器。便携式设备的片上系统(SoC)解决方案往往会在同一芯片上实施所有必要的外设与加速器，可能还有一个GPP与DSP。

软件可实现在其它条件下使用模拟系统不可能开发的特性。它可通过各种功能级(可扩展性与可升级性)实现高速低成本开发(高灵敏性)、便捷的修改(高灵活性)以及产品的重复使用。然而，软件一般不如硬件稳定，在设计、开发与测试阶段要占用更多的资源。对基于软件的设计而言，维护与测试也是必不可少的工作。可实现软件现场升级、远程监控与调试功能的特性能够简化软件的维护工作，支持描述性错误消息的软件有助于在运行中对内部数据结构进行访问，而其它调试功能则可实现系统测试。处理器具有多种硬件特性，如JTAG接口、硬件仿真逻辑以及内部跟踪缓存器等，可为编写可测试软件提供帮助。有多种标准可以用来定义软件开发流程，包括CMM、TQM以及ISO。此外，对于特定领域的软件开发，也有一系列对应的质量标准。例如，“MISRA C”是汽车行业的C语言编码标准。

可靠性

可靠的任务关键型应用中使用的处理器，需要在极端的物理条件下工作，比如从-55oC到120oC的温度条件，以及需承受电磁辐射的环境等。不仅如此，软件还应具备可靠性与可维护性。各种软件容错与冗余方案也可在这些产品中使用，包括从简单的故障自动重启系统，到多板卡系统中软件加硬件的精心设计型冗余方案。这些系统必须采用一块或多块冗余卡作为其它板卡及相关软件的热备份，在检查到故障时可以切换至该备份卡。此外，系统还可监控和响应系统条件下的变化，比如机箱温度、冷却风扇的运行以及软件故障等。基于软件的系统中的一个常见故障点，就是SRAM与FLASH等片上及片外存储器的故障。现代处理器与存储器芯片具有可同时检测和纠正这类错误的特性，而操作系统(OS)软件则具有克服故障的特性，比如可将数据拷贝到存储器的其它部分。

安全性

安全性指某个系统保护其自身免受意外篡改、盗用或被禁用的能力。现代处理器不但具有诸如用于存储引导加载程序的安全ROM等特性，可防止不需要的软件被加载到系统中，而且还具备确定存储器篡改的逻辑特性。此外，部分芯片还具有实施密码算法的硬件加速器，支持安全通信。操作系统可整合各种安全特性，防止病毒及其它恶意软件干扰核心软件的执行。软件工程师使用防范性编程技巧与操作系统特性来设计和实施安全软件。

便携性

软件便携性是一种高需求特性。事实上，便携性是指在底层硬件被修改时使用相同软件的能力，或在操作系统发生变化时，使用相同应用软件的能力。软件便携性的实现方法是采用分层方式构建软件，即使用硬件抽象层(HAL) 将主要功能从硬件中抽象出来，或者采用操作系统抽象层(OSAL)将主要功能从操作系统中抽象出来，并编写设备驱动器及算法等与操作系统无关的代码。半导体公司努力开发承前启后的数代处理器架构，以维持代码的向前和向后兼容性。这样可确保在处理器上实施的高质量软件，可以重复用于更新的平台之上。

硬件的可重复使用性，是另一项高需求特性。由于大多数功能可在软件中实施，因此通常情况下人们希望只要通过改变软件负载来实现将相同的平台用于不同的最终产品，就像在软件定义的无线电(SDR)中，利用相同平台支持不同的波形那样。具备RapidIO 等集成接口的处理器，可将多个芯片连接在一起，而PCIe 则可实现板卡间的通信。这样可支持可扩展硬件的设计。图3是采用多个DSP的SDR基带处理卡的高级方框图。

图3：使用TI DSP实施SDR。

可用性

“易用性”是另一项重要特性。用户界面应简单并具有自我说明的功能。基于菜单的简洁图形用户界面(GUI)被频繁优先地得以选用。今天的SoC一般都具有片上外设，支持触摸屏控制器、音频与视频等接口。操作系统则提供高级GUI，支持综合而全面的用户界面开发。

实现高质量软件定义产品，要求在软件和硬件中实施多种明确及隐含的特性。多内核DSP和GPP的普及，不但增加了软件编程的复杂性，而且还增加了实现高质量的难度。为此，TI等半导体公司不断投资开发更高性能的新型多内核处理器，以帮助软件开发人员编写更高质量的代码。同时，软件行业也在推出多种标准与框架，从而最大程度地利用多内核处理器。这些技术上的不断发展，为那些面向军事与商业市场的众多基于软件并具有更高质量的任务关键型产品，带来新的机遇。

作者：Mukesh Kumar