I. Hintergrund der Entwicklung von Entwurfsmethoden für eingebettete Systeme Die Entwicklung von Entwurfsmethoden für eingebettete Systeme wird im Allgemeinen durch Anwendungsanforderungen und den Fortschritt der Informationstechnologie vorangetrieben. 1. Dank kontinuierlicher Innovationen und Entwicklungen in der Mikroelektronik haben sich der Integrationsgrad und die Prozesstechnologie von hochintegrierten Schaltungen stetig verbessert. Die Kombination von Siliziummaterialien und menschlichem Erfindungsgeist hat zur Produktion großer Mengen kostengünstiger, hochzuverlässiger und hochpräziser mikroelektronischer Strukturmodule geführt und damit die Entwicklung eines völlig neuen Technologiefelds und einer neuen Industrie vorangetrieben. Darauf aufbauend wurden das Konzept programmierbarer Bauelemente und die Mikroprozessortechnologie entwickelt, die es Software ermöglichen, Hardwarefunktionen zu modifizieren und zu implementieren. Die weitverbreitete Anwendung von Mikroprozessoren und verschiedenen programmierbaren hochintegrierten Schaltungen sowie von kundenspezifischen Bauelementen hat eine neue Welt von Anwendungen eröffnet und beeinflusst und verändert die menschliche Produktion, das Leben und die Lernaktivitäten zunehmend. 2. Die signifikante Leistungssteigerung von Computerhardwareplattformen hat die Implementierung vieler komplexer Algorithmen und benutzerfreundlicher Schnittstellen ermöglicht, die Arbeitseffizienz erheblich verbessert und eine physikalische Grundlage für den computergestützten Entwurf komplexer eingebetteter Systeme geschaffen. 3. Hochleistungsfähige EDA-Synthese-Entwicklungswerkzeuge (Plattformen) haben bedeutende Fortschritte erzielt, mit kontinuierlich verbesserter Automatisierung und Intelligenz. Sie bieten leicht erlernbare und komfortable integrierte Entwicklungsumgebungen für den Entwurf komplexer eingebetteter Systeme und bieten verschiedene Funktionen wie Bearbeitung, Platzierung, Routing, Kompilierung, Synthese, Simulation, Test, Verifikation und Geräteprogrammierung. 4. Die Entwicklung von Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) hat ein Arbeitsmedium für die Erstellung verschiedener Hardwaremodelle im Entwurf komplexer elektronischer Systeme bereitgestellt. Ihre starken beschreibenden und abstrahierenden Fähigkeiten haben zu bedeutenden Veränderungen in Hardwareschaltungen geführt, insbesondere im Entwurf von halbkundenspezifischen LSCs (Large-Scale Integrated Circuits). Zu den aktuell gängigen HDLs gehören VHDL (IEEE STD 1076-Standard), Verilog HDL (IEEE STD 1364-Standard) und Alteras AHDL (Unternehmensstandard). Durch die Entwicklung und Standardisierung von Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) sind weltweit zahlreiche Unternehmen entstanden, die sich auf die Entwicklung verschiedener Funktionsmodule für integrierte Schaltungen (ICs) mithilfe von HDLs spezialisiert haben. Ihre Aufgabe besteht darin, die Funktionen und Strukturen von ICs anhand allgemeiner oder spezieller Funktionen in HDLs zu beschreiben und durch unterschiedliche Verifizierungsstufen IP-Core-Module verschiedener Ebenen zu erstellen, die Chipdesigner anschließend zusammenbauen oder integrieren können. Ein IP-Core-Modul (Intellectual Property) ist ein vordefinierter oder sogar verifizierter integrierter Schaltkreis, ein Bauelement oder eine Komponente mit einer spezifischen Funktion. Es existiert in verschiedenen Formen. IP-Core-Module lassen sich in drei Designebenen unterteilen: Verhaltens-, Struktur- und physikalische Ebene. Diese entsprechen drei Schichten: „Soft-IP-Core“, der primär das funktionale Verhalten beschreibt; „Firm-IP-Core“, der die Strukturbeschreibung vervollständigt; und „Hard-IP-Core“, der auf der physikalischen Beschreibung basiert und einer Prozessverifizierung unterzogen wurde. Dies entspricht der Designtechnologie von IC-Rohlingen, Halbfertigprodukten und Fertigprodukten. Soft-IP-Cores werden Nutzern üblicherweise in Form eines HDL-Textes bereitgestellt. Sie wurden hinsichtlich ihres Verhaltens optimiert und funktional verifiziert, enthalten aber keine spezifischen physikalischen Informationen. Darauf aufbauend können Anwender die korrekte Gatterebenen-Netzliste synthetisieren und das nachfolgende Strukturdesign durchführen, was maximale Flexibilität bietet. Sie lassen sich mithilfe von EDA-Synthesewerkzeugen problemlos in andere externe Logikschaltungen integrieren und je nach Halbleiterprozess in Bauelemente mit unterschiedlichen Leistungseigenschaften integrieren. Kommerziell erhältliche Soft-IP-Cores weisen in der Regel eine Gesamtgatteranzahl von über 5000 auf. Ein fehlerhaftes nachfolgendes Design kann jedoch zum Ausfall des gesamten Ergebnisses führen. Soft-IP-Cores werden auch als virtuelle Bauelemente bezeichnet. Hard-IP-Cores sind physikalische Designs, die auf einem spezifischen Halbleiterprozess basieren, mit einer festen Topologie und einem spezifischen Prozess. Sie wurden durch den Prozess verifiziert und garantieren somit die Leistung. Sie werden Anwendern in Form eines Layouts der physikalischen Schaltungsstrukturmaske und eines vollständigen Satzes von Prozessdokumenten bereitgestellt und bieten somit eine sofort einsatzbereite Komplettlösung. Solid-IP-Cores weisen eine Designtiefe zwischen Soft- und Hard-IP-Cores auf. Zusätzlich zur Erfüllung aller Designaspekte eines Hard-IP-Cores umfassen sie auch die Gatterebenen-Synthese und die Timing-Simulation. Sie werden den Nutzern üblicherweise als Gatterebenen-Netzliste zur Verfügung gestellt. Hersteller wie TI, Philips und Atmel nutzen über Intel-Lizenzen Intels MCS/|51 IP-Kernmodule in Kombination mit ihren eigenen Stärken, um einzigartige, mit Intel MCS/|51 kompatible Mikrocontroller zu entwickeln. Gängige IP-Kernmodule umfassen verschiedene CPUs (32/64-Bit-CISC/RISC-Architektur-CPUs oder 8/16-Bit-Mikrocontroller wie den 8051), 32/64-Bit-DSPs (wie den 320C30), DRAM, SRAM, EEPROM, Flash-Speicher, A/D- und D/A-Wandler, MPEG/JPEG, USB, PCI, Standardschnittstellen, Netzwerkeinheiten, Compiler, Encoder/Decoder und analoge Gerätemodule. Diese umfangreiche IP-Kernmodulbibliothek bietet die Grundlage für die schnelle Entwicklung anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen und Ein-Chip-Systeme und ermöglicht die rasche Erschließung von Marktanteilen. 5. Fortschritte in der Softwaretechnologie, insbesondere die Einführung von Embedded Operating Systems (EOS), haben eine solide Grundlage und eine hocheffiziente Entwicklungsplattform für die Entwicklung komplexer Embedded-System-Anwendungssoftware geschaffen. EOS ist eine leistungsstarke und weit verbreitete Echtzeit-Multitasking-Systemsoftware. Sie verfügt in der Regel über verschiedene Systemressourcenverwaltungsfunktionen, die auch in Betriebssystemen zu finden sind, und Benutzer können diese Funktionen über Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) implementieren. Benutzerprogramme können auf EOS entwickelt und ausgeführt werden. Im Vergleich zu Allzweckbetriebssystemen (OS) zeichnen sich Embedded-Systeme (EOS) durch einen kleineren, effizienteren Kernel, geringeren Overhead, höhere Echtzeitfähigkeit und höhere Zuverlässigkeit aus. Ein umfassendes EOS stellt zudem Treiber für verschiedene Geräte bereit. Zur Unterstützung von Netzwerk- und Internetanwendungen bietet es außerdem TCP/IP-Protokollunterstützung. Zu den aktuell populären EOS-Systemen gehören Palm OS von 3Com, Windows CE und Windows NT Embedded 4.0 von Microsoft, Tron von der Universität Tokio, verschiedene Open-Source-Embedded-Linux-Distributionen sowie in China entwickelte Systeme wie Hopen OS der Kaisi Group und HBOS der Zhejiang-Universität. II. Veränderungen in den Entwurfsmethoden eingebetteter Systeme: Früher mieden Programmierer mit Erfahrung in der Softwareentwicklung den Hardware-Schaltungsentwurf, da sie ihn als völlig anderes Gebiet betrachteten. Mit der Entwicklung der elektronischen Informationstechnologie haben sich Entwickler mit elektrotechnischem Hintergrund jedoch zunehmend der Softwareprogrammierung zugewandt. Dies geschieht vor allem durch das Erlernen der Assemblerprogrammierung mithilfe von Mikrocontrollern (in China auch als Ein-Chip-Mikrocomputer bekannt). Beim Entwurf größerer verteilter Steuerungssysteme kommt der weit verbreitete PC als übergeordnetes System zum Einsatz. Dies ermöglicht das Erlernen höherer Programmiersprachen wie QuickBASIC, C, C++, VC und VB, um das System zu programmieren, die Systemschnittstelle zu entwerfen und über die Kommunikation mehrerer Rechner mit einem mikrocontrollergesteuerten Frontend ein zentralisiertes verteiltes Steuerungssystem zu realisieren. Entwickler mit Erfahrung in der Softwareentwicklung zeigten selten Interesse am Entwurf von Anwendungsschaltungen. Mit der rasanten Entwicklung der Computertechnologie, insbesondere der Erfindung von Hardwarebeschreibungssprachen (HDL), haben sich die Methoden des Systemhardware-Entwurfs jedoch verändert. Die Hardwarekomponenten und das Verhalten digitaler Systeme lassen sich mithilfe von HDL vollständig beschreiben und simulieren. In diesem Kontext ist die Entwicklung von Hardware-Schaltungen nicht mehr ausschließlich Hardware-Entwicklungsingenieuren vorbehalten. Entwickler mit Programmierkenntnissen können HDL-Tools nutzen, um Verhalten, Funktion, Struktur, Datenfluss, Signalverbindungen und Timing-Beziehungen von Hardware-Schaltungen zu beschreiben und so Hardware-Systeme zu entwickeln, die unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden. EDA-Tools bieten zwei Eingabemethoden, die jeweils den Bedürfnissen von Hardware-Entwicklern und Software-Programmierern entsprechen. Entwickler mit Hardware-Hintergrund können ihre gewohnte Schaltplan-Eingabemethode verwenden, während Entwickler mit Software-Hintergrund die Eingabemethode der Hardwarebeschreibungssprache (HDL) nutzen können. Da HDL (Highly Descriptive Language) für die Eingabe verwendet wird, bildet es die Beschreibung des Systemverhaltens genauer ab und ist einfacher zu synthetisieren, im Zeitbereich zu übertragen und zu modifizieren. Es ermöglicht außerdem die Erstellung prozessunabhängiger Designdokumente. Daher können Software-Entwickler, sobald sie HDL und einige notwendige Hardware-Kenntnisse beherrschen, oft bessere Hardware-Schaltungen und -Systeme entwickeln als Entwickler, die traditionelle Designmethoden gewohnt sind. Aus diesem Grund sollten Entwickler, die traditionelle Designmethoden gewohnt sind, lernen, HDL für Beschreibung und Programmierung zu verwenden. III. Drei Ebenen des Designs eingebetteter Systeme . Das Design eingebetteter Systeme lässt sich in drei Ebenen unterteilen: 1. Designmethode mit PCB-CAD-Software und ICE als Hauptwerkzeuge. Diese Methode wird in China seit jeher von Entwicklern von Mikrocontroller-Anwendungssystemen eingesetzt. Die Schritte reichen von der Abstraktion zur Konkretisierung. Die abstrakte Designphase umfasst die Verfeinerung der Systemfunktionen gemäß den funktionalen Anforderungen des eingebetteten Anwendungssystems, die Aufteilung in mehrere Funktionsmodule, die Erstellung des funktionalen Blockdiagramms und die Zuordnung der Hardware- und Softwarefunktionen zu den Funktionsmodulen. Die konkrete Designphase beinhaltet die Hardware- und Softwareentwicklung. Die Hardwareentwicklung umfasst die Auswahl und Kombination der für jedes Funktionsmodul benötigten Komponenten anhand der Leistungsparameter. Grundprinzip der Auswahl ist die Verwendung kostengünstiger Standardkomponenten. Bei Bedarf muss jedes Bauteil einzeln getestet, seine Funktionalität verifiziert und seine Leistung geprüft werden, um eine optimale Lösung vom Modul zum System zu finden und den Schaltplan zu erstellen. Ein wichtiger Schritt im Hardware-Design ist die Verwendung von PCB-CAD-Software (Computer-Aided Design) zum Layout und Routing der Systemkomponenten, gefolgt von der Leiterplattenfertigung, der Bestückung und dem Hardware-Debugging. Der arbeitsintensivste Teil ist das Software-Design. Es durchläuft den gesamten System-Designprozess und umfasst im Wesentlichen Aufgabenanalyse, Ressourcenzuweisung, Modulaufteilung, Prozessdesign und -optimierung, Codierung und Debugging. Der Arbeitsaufwand im Software-Design konzentriert sich hauptsächlich auf das Programm-Debugging, weshalb Software-Debugging-Tools unerlässlich sind. Das am häufigsten verwendete und effektivste Tool ist ein In-Circuit-Simulator (ICE). 2. Designmethode mit EDA-Tools und EOS als Entwicklungsplattformen. Mit der Entwicklung der Mikroelektronik sind verschiedene universelle programmierbare Semi-Custom-Logikbausteine ​​entstanden. Im Hardware-Design können Entwickler diese Semi-Custom-Bausteine ​​verwenden, um schrittweise anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) aus mehreren Standardlogikbausteinen zu erstellen, die ursprünglich über Leiterplatten miteinander verbunden waren. Auf diese Weise wird die Komplexität des Leiterplattenlayouts und -routings in die Komplexität der Konfiguration innerhalb der Semi-Custom-Bausteine ​​umgewandelt. Die Entwicklung von Semi-Custom-Bausteinen erfordert jedoch keine Kenntnisse und Erfahrung in Halbleiterprozessen sowie der Platzierung und dem Routing von integrierten Schaltungen auf Chips. Mit zunehmender Größe und Integration von Semi-Custom-Bausteinen sinken die Kosten für die Verbindung der Bausteine ​​auf der Leiterplatte (PCB), wodurch sich die Kosten für Verdrahtung, Montage und Fehlersuche reduzieren. Dies verringert die Leiterplattenfläche und die Anzahl der Steckverbinder erheblich, senkt die Gesamtsystemkosten, erhöht die Flexibilität programmierbarer Anwendungen und – was noch wichtiger ist – reduziert den Stromverbrauch, erhöht die Systemgeschwindigkeit und verbessert die Systemzuverlässigkeit und -sicherheit deutlich. Infolgedessen haben Hardware-Entwickler zunehmend von der Auswahl und Verwendung standardmäßiger, universell einsetzbarer integrierter Schaltungen zur Entwicklung und Fertigung dedizierter integrierter Schaltungen übergegangen, unterstützt durch verschiedene EDA-Tools. Semi-Custom-Logikbausteine ​​haben sich von programmierbaren Logikarrays (PLAs) über programmierbare Array-Logik (PALs) und universell einsetzbare Array-Logik (GALs) bis hin zu komplexen programmierbaren Logikbausteinen (CPLDs) und feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) weiterentwickelt. Der Trend geht hin zu zunehmender Integration und Geschwindigkeit, erweiterter Funktionalität, rationalerer Struktur sowie größerer Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit. Entwickler können verschiedene EDA-Tools und Standard-CPLDs und FPGAs nutzen, um kundenspezifische, großflächige integrierte Schaltungen (LSIs) zu entwerfen und herzustellen. Anschließend werden die selbstentworfenen integrierten Schaltungen, programmierbaren Peripheriegeräten, ausgewählten ASICs und eingebetteten Mikroprozessoren oder Mikrocontroller, die mit Semi-Custom-Bausteinen entwickelt wurden, mithilfe eines Bottom-up-Designansatzes auf einer Leiterplatte angeordnet und verdrahtet, um ein System zu bilden. 3. Eine Entwurfsmethode basierend auf IP-Kernel-Bibliotheken unter Verwendung von Hardware-Software-Co-Design-Techniken. Nach den 1990er Jahren erfolgte ein weiterer Wandel vom Entwurf auf Ebene der „integrierten Schaltung“ hin zum Entwurf auf Ebene der „integrierten Systeme“. Aktuell befindet sich diese Methode im Stadium des Single-Chip-System-(SoC)-Designs und tritt in die Phase der praktischen Anwendung ein. Diese Entwurfsmethode integriert nicht einfach alle für das System benötigten integrierten Schaltungen auf einem einzigen Chip. Wird ein Ein-Chip-System auf diese Weise implementiert, lassen sich die Anforderungen an hohe Dichte, hohe Geschwindigkeit, hohe Leistung, geringe Größe, niedrige Spannung und geringen Stromverbrauch – insbesondere der geringe Stromverbrauch – nicht erfüllen. Der Entwurf von Ein-Chip-Systemen beginnt mit den Gesamtleistungsanforderungen des Systems und integriert eng den Entwurf von Mikroprozessoren, Modellalgorithmen, Chipstrukturen, Peripheriegeräten und sogar den Geräten selbst. Die gesamten Systemfunktionen werden durch gemeinsames Design von Systemsoftware und -hardware auf Basis eines völlig neuen Konzepts auf einem einzigen Chip realisiert. Manchmal wird das System auf mehreren Chips implementiert. Denn in der Realität lassen sich nicht alle Systeme auf einem einzigen Chip realisieren; die Herstellungskosten für ein bestimmtes monolithisches System können zu hoch sein und es wirtschaftlich unrentabel machen. Aktuell sind die in der Praxis eingesetzten monolithischen Systeme noch relativ einfach, wie beispielsweise Smart-IC-Karten. Mehrere namhafte Halbleiterhersteller arbeiten jedoch intensiv an der Forschung und Entwicklung komplexer monolithischer Systeme wie Ein-Chip-PCs. Die Entwicklung eines monolithischen Systems von Grund auf ist weder realistisch noch notwendig. Neben dem unausgereiften Design und dem Mangel an ausreichenden Testzeiten, die zu unzuverlässiger Systemleistung und -qualität führen, würde auch der übermäßig lange Entwicklungszyklus den kommerziellen Wert mindern. Um den Entwicklungszyklus monolithischer Systeme zu beschleunigen und die Systemzuverlässigkeit zu verbessern, ist derzeit die Lizenzierung, die Verwendung ausgereifter und optimierter IP-Core-Module für die Designintegration und die Weiterentwicklung sowie die Einbettung dieser IP-Core-Module in das SoC mittels Glue Logic Technology (GLT) der effektivste Ansatz. IP-Core-Module bilden die Grundlage des monolithischen Systemdesigns. Die Wahl des passenden IP-Core-Modul-Levels hängt von einer Abwägung der vorhandenen Ressourcen, des Zeitaufwands, der Finanzierung und weiterer Bedingungen ab. Der Kauf von festverdrahteten IP-Core-Modulen birgt das geringste Risiko, ist aber unweigerlich mit den höchsten Kosten verbunden. Generell können durch den Kauf von IP-Kernel-Modulen Entwicklungsrisiken reduziert und Entwicklungskosten gespart werden, da die Kosten für den Kauf von IP-Kernel-Modulen in der Regel niedriger sind als die Kosten für deren eigenständige Entwicklung und Verifizierung. Selbstverständlich sind nicht alle benötigten IP-Kernel-Module auf dem Markt verfügbar. Um den Markt zu monopolisieren, sind einige Unternehmen nicht bereit, ihre wichtigsten IP-Kernel-Module (zumindest vorübergehend) zu lizenzieren. Solche IP-Kernel-Module müssen intern entwickelt werden. Jede dieser drei Ebenen hat ihren eigenen Anwendungsbereich. Aus Sicht der Anwendungsentwicklung werden die ersten beiden Methoden noch längere Zeit Anwendung finden. Die dritte Entwurfsebene eignet sich lediglich für die Entwicklung einfacher Ein-Chip-Systeme für allgemeine Anwender. Komplexe Ein-Chip-Systeme können nur von bestimmten großen Halbleiterherstellern entwickelt und implementiert werden, und die Entwicklung von mit dieser Methode implementierten Ein-Chip-Systemen lohnt sich nur für weit verbreitete, großflächige Anwendungssysteme. Einige Anwendungssysteme eignen sich aus technischen oder kommerziellen Gründen nicht für die Ein-Chip-Implementierung. Sind diese als Ein-Chip-Systeme kommerziell verfügbar, müssen Anwender lediglich wissen, wie sie diese auswählen. Daher werden die drei Entwurfsebenen parallel existieren, und die spätere wird die frühere nicht einfach ersetzen. Nachwuchsentwickler nutzen primär die erste Methode, erfahrene Entwickler primär die zweite und hochqualifizierte Entwickler die dritte Methode für die Entwicklung und Anwendung einfacher Ein-Chip-Systeme. Alle Entwickler können jedoch auf dedizierte Ein-Chip-Systeme großer Halbleiterhersteller zurückgreifen, die mit der dritten Methode entwickelt wurden. Zusammenfassend lässt sich sagen , dass die drei Entwurfsebenen in China derzeit durch „Fläche“, „Linie“ und „Punkt“ repräsentiert werden. Entwickler elektronischer Informationssysteme, die mit der Entwurfsmethode der ersten Ebene vertraut sind, müssen schrittweise zur zweiten Ebene übergehen und sich weiterentwickeln; die Entwurfsmethode der zweiten Ebene muss sich schrittweise von der Linien- zur Flächendarstellung entwickeln; und die Entwurfsmethode der dritten Ebene erfordert, dass die zuständigen nationalen Stellen verschiedene Ressourcen für eine kollaborative Entwicklung auf der Grundlage von IT-Entwicklungsstrategien und -plänen bereitstellen. Die Entwurfsmethode der dritten Ebene muss sich schrittweise von der Punkt- zur Liniendarstellung entwickeln.