重新聚焦设计工具

摘要：在向以软件为中心的设计发展趋势的推动下，电子设计行业正经历着一场根本性变革。新的设计方法允许设计人员首先对设计的软功能进行定义并开发，在完全了解设计需求之后，再在合适的硬件平台上予以实现，以加快上市时间，减少开发成本。

关键词：软要素；物理硬件；嵌入式

引言

一直稳步发展的电子设计行业现在正经历着一场根本性的变革，它将会对电子产品及其开发方式造成深远影响。只要关注一下目前领先的电子产品及其竞争价值，便可以了解这种变革的推动力。

以手机或音乐播放器等便携式产品为例，除了设备的物理特性(外观感受)以外，决定性的竞争特性永远都是产品的功能。在全球低成本产品市场中，随着对知识产权的日益重视，只有产品的功能才可以区分具有相似外观与成本的产品。正是功能要素或设备内置的智能性决定了产品独特的竞争优势。

这些在很大程度上都取决于设计的“软”要素，更准确的说，是取决于能够展现产品功能与用户体验的、由软件定义的要素。在不断发展并得到广泛应用的微处理器的推动下，向以软件为中心(或“软”)的设计发展的趋势一直在快速演进，而产品的物理硬件已转变为幕后的支持角色。现在，物理硬件已不再对产品的特性起决定性作用，而成为用于定义产品软要素的主机与外部接口。

因此，就产品开发而言，所发生的变化在于，虽然产品物理硬件的开发仍然很重要，但在整个设计过程中，它已经不会导致最终结果产生明显的差异化。事实上，随着整个产品都(如DVD播放器)成为日用品，产品的硬件设备和设计中的电路模块本身就也成为通用产品。这些产品易于获得及复制，不能为整个设计带来任何独有特性。比如，各种产品的LCD接口或以太网模块都大同小异，因此，将宝贵的产品开发时间用于重新设计这些模块是毫无意义的。

如今，设计人员应该将精力首先放在可为产品设计带来可持续竞争优势的软“设计智能性”上。虽然物理硬件设计仍必不可少，但其重要性已退居次位，而且其定义会随着设计的进展而发展。

软设计啃掉硬骨头

尽管设计焦点已发生整体转移，但是，在传统的设计流程中，设计周期的最初部分仍然是创建支持软要素的物理硬件平台。事实上，在硬件(如原型设计)到位之前，设计人员无法进行有意义的软件开发，因此，在设计和创建合适的物理平台之前，必须先做出一系列关键的硬件决策。

存在这种情况的原因是，传统设计工具与工作流程基于顺序的产品设计步骤，采用一系列相互独立的应用，在很大程度上已经不适合当今设计所需的新方案。传统设计流程在产品开发过程中采用线性方法推进，在设计过程中，一项设计任务的结果会被移交给下一个任务，因此不得不采用硬件先行的设计方案。然而，产品所需的硬件平台的功能只有在最终进行关键软件开发时才会变得更加明确，而此时已经无法修改在创建初始原型设计时就已固定下来的硬件配置了。

这种两难处境所造成的实际结果就是：在根据产品设计目标制定硬件规格的过程中，设计人员必须创建多个原型硬件平台。这不但延长了开发进度，而且在许多情况下，由于产品上市的压力，设计团队被迫使用不成熟的硬件格式，从而影响了产品的性能或功能。另一种结果则是：由于更改了处理器类型或其它设计内容以实现设计目标，设计团队只好反复进行硬件设计，导致产品无法如期上市。

这个问题从开始采用微处理器和嵌入式软件进行设计时就已存在，在向以软件为中心的设计方法过渡的趋势下，两者更是产生了日益激化的矛盾。不过，目前的FPGA等价格合理的高容量可编程器件所带来的革命已通过引入软件定义的嵌入式硬件加快了软设计的普及。设计中逻辑硬件的大部分已被纳入软领域，这更加剧了硬件先行的产品开发流程所造成的设计障碍，不利于实现成功的产品设计。

简单的说，传统的产品开发方案完全落后于目前的需求。对于采用FPGA厂商所提供的嵌入式设计工具的设计流程来说，由于整体设计过程会基于更加复杂的各种彼此独立与隔离的设计工具，因此这一点表现得尤为明显。每一项完成的任务都必须转移到下一个任务区，然后再重新解释；而且，各厂商工具之间互不兼容的特性也会限制FPGA等物理硬件器件的选择。硬件设计本应在设计周期的后期才进行，现在却束缚了软件智能性的设计，而后者对产品在市场中的独特竞争性优势有决定性影响。

清除设计障碍

开发下一代电子产品需要一种新型的设计工具，它允许设计人员首先对设计的软功能进行定义并开发，在完全了解设计需求之后，再在合适的硬件平台上予以实现。硬件平台本身可以采用自行开发的定制电路板设计，也可以选择现成的(COTS)硬件平台。这种系统能够使软件开发摆脱所在硬件平台的设计束缚，从而使设计人员能够集中精力去开发不受硬件约束的创新的软功能。

上述方案的首要条件是能够将不同设计域融入到一个统一应用、使用同一个设计数据模型的产品开发系统。这样，嵌入式软件、可编程硬件以及物理硬件就可以在所有域上使用共同的设计接口与数据库，从而使产品开发成为相互关联的任务。

利用单一的设计框架，设计人员就能够在整个设计过程中使用可提升设计抽象水平的软件层。通过采用与所有支持设备相匹配的驱动文件与硬件库，这些软件层能够提供必要的隔离功能，以创建独立于器件供应商与目标架构的FPGA开发环境。

这种分层系统可将匹配的软件编译器与预验证嵌入式IP库进行结合，以创建具有“供应商无关(vendor neutral，)”'特性的嵌入式开发系统，并可实现与设计采集及板级开发阶段的紧密链接。这种系统能够了解统一应用中所有设计规程的复杂关系，因此，处理底层硬件复杂性的隔离层能够实现软智能性与物理硬件支持的分离。这一关键的软IP由可编程硬件与嵌入式软件组成，能够脱离硬件平台进行开发，从而消除必须首先创建物理硬件的传统问题。

此外，这样还使硬件与软件的并行设计成为可能，两个设计域可以在一个产品设计环境中共同工作，这样就在两个设计域之间实现了真正的协同设计，从而显著简化了在软件与硬件之间转移设计单元的任务。

这样的系统还支持硬件开发板，从而可支持允许更改可编程器件及外设的插入式电路板。如果这种开发硬件能够与设计软件直接通信，那么整个“供应商无关”的产品开发系统就能够轻易的针对当前选择的可编程器件或外设进行自我调整。

由于目前设计系统自身可以解决低层次的设计问题，因此设计人员可以调整设计方向，采用高层次的采集接口来开发设计的核心功能 要素。这样，较简单的嵌入式设计采集系统就可以取代晦涩的HDL输入，以提高设计抽象层次。

这些系统可以采用图形化的流程图方案，甚至采用可移动IP功能块的原理图输入系统，再通过熟知的轻松方式进行互连。采集过程可得到极大简化，同时，嵌入式硬件开发领域一度是可编程硬件专家的专属领地，现在硬件与软件工程师都有能力进行操作。这种方法可以使电子产品设计成为单一的任务，而不再是若干单个任务的集合，到开发过程结束时才能结合在一起。

从创新到产品

最终，设计功能性与物理硬件的分离将创建一种新的设计环境，硬件平台在这里不再是首要问题，可以等到产品的形式与功能开发成熟后再进行处理。这种设计的独立软IP的价值在于，它可以应用于不同的硬件平台，带来更高的性能、更简单的实现，甚至更低的成本等众多优势。

这种部署方法还会受到商业考虑的影响，如计划的生产运行周期、上市时间期限，以及利润率等。不过，就物理层面而言，实际实现可以采用各种不同的形式，包括完整的OTS硬件设备、OTS硬件模块套装，或传统的定制PCB。

更引人注目的是OTS硬件项目的前景，在开发和测试产品时所使用的设计软件与硬件开发平台均可直接对其进行支持。在这种环境下进行的设计可平稳地直接转换为最终产品。这种方法使得关键的设计决策可以推迟到设计周期的较后期再做出，并能够随时更新设计中软要素的定义，甚至在产品完成现场部署后仍可进行更新。

此外，如果系统独立于器件供应商，就能够采用以软件为中心的灵活设计方案，使设计人员能够自由创新，摆脱传统设计工具带来的硬件约束或复杂性、低效率等不利因素。在重新定义所使用的设计工具的过程中，设计人员还需要改变相应的设计方法及设计流程，同时，传统的设计思维也需要做出相应转变，应当首先专注于软设计智能性，因为它将体现产品的差异性。

要实现可持续的产品差异化，只有依赖设计中的独特‘软’功能，而不是物理硬件所固有的特性。未来的电子产品设计工具与方法必须包含高层次方法，使功能性摆脱预定义硬件平台的限制，从而使所有设计人员都能够集中精力创造未来的智能性互连产品。