为嵌入式系统开发电子乐高积木

嵌入式系统开发有点像重新发明轮子。许多嵌入式系统仅因接口要求而异。鉴于客户不愿意为他们不想要的功能付费或妥协产品，设计师们已经学会了重用软件。虽然 PC/104 提供了现成的硬件，但当客户要求电池供电的系统必须适合火柴盒而不是鞋盒时，设计人员有时必须寻找其他外形尺寸。

紧凑型计算机是客户要求的产物，尽管当时客户并不知道。这台计算机类似于 Busicom 委托英特尔设计的计算器芯片。英特尔称它为 4004，后来成为第一个微处理器。

客户的要求很简单：采用风洞模型的实时数据采集系统，并通过单线或无线方式将数据发送出去进行分析。主要问题是该公司只需要两个设备，因此排除了定制设计。设计团队本可以投资将其开发为产品，但现在不是正确的时机。

选择外形尺寸

因此，设计师们开始寻找合适的商用解决方案。许多 SBC 可用，但缺乏适合应用程序的输入或输出组合。这次搜索最终导致了 PC/104。该团队构建了一个合适的 PC/104 堆栈，但很快确定它太大而无法放入模型中。

然后，当设计人员意识到几个比 PC/104 更小的商用板卡、CardBus 和 CompactFlash 等比 PC/104 更小的时候，灵光乍现的时刻到来了，仅举几例，出货量达数百万。但是，这些板通常用于笔记本电脑，一次不超过两个。将笔记本电脑添加到方程式中会使最终设计作为嵌入式系统太大且太昂贵。

那时，设计人员考虑了开发可以与其中几张卡通信的处理器是多么困难。这听起来很简单，只要所有卡都是同一类型，而不是将 PC-Card 与 CompactFlash 或 CardBus 混合使用。（PC-Card 和 CardBus 具有相同的外形尺寸，因此很难确定哪个是哪个。）如果设计人员构建了一个只能使用 PC-Card 或 CardBus 的系统，许多用户会使用错误类型的卡填充系统，造成支持的噩梦。

CompactFlash 最终脱颖而出，成为该系统的最佳外形尺寸。快速搜索可用的 CompactFlash 卡类型会生成支持以太网、蓝牙、ZigBee、802.11、大容量存储、GPS、GPRS/GSM 和模数转换器 （ADC）/数模转换器的卡列表转换器 （DAC）。因此，微型嵌入式系统似乎可以使用标准的 CompactFlash 卡开发，就像 PC/104 卡一样，但大小只有三十分之一。该团队的目标是使用常见的低成本卡以最少的硬件开发和非经常性工程成本构建这些微型嵌入式系统（4 cm x 4 cm x 2 cm）。

知道他们可以在几小时或几天内轻松构建这些系统的快速产品原型，设计师想知道为什么没有其他人制造它们。一位经理解释说，某些产品不存在有两个原因：这是一个愚蠢的想法，或者还没有人想到它。设计师在进行产品开发时选择了后一个原因。

软件、应用注意事项

为了实现广泛采用，CompactFlash 计算机的软件必须基于标准操作系统 （OS），例如 Windows CE 或 Linux，以最大限度地缩短学习曲线。目标是能够插入任何 CompactFlash 卡并让系统运行。将以太网卡换成无线卡并且不进行任何软件修改的能力很有吸引力。由于可能需要修改 CompactFlash 卡的驱动程序以支持该架构，因此设计人员选择了开源 Linux。

当时市场上有一些小型的 Linux 系统，但没有一个像 42 毫米 x 37 毫米那么小。在做出一些妥协后，该团队创建了第一台 CompactFlash 计算机。。基于飞思卡尔 MCF5272 微处理器，运行频率为 40 MHz，具有 8 MB 闪存和 32 MB SDRAM，系统充当 CompactFlash 主机（它控制其他 CompactFlash 卡）和最初配备 10 插槽主板，尺寸为 52 毫米 x 42 毫米。后来增加了一个低成本的 4 槽载板。

一些公司使用 CompactFlash 系统进行快速原型设计和概念验证工程，而另一些公司则使用它来开发小型系统。项目范围从基于无线的健康监测系统到 GPS 记录再到数据存储。

其他设计人员希望能够将系统插入现有设备（如相机和 PDA）的 CompactFlash 卡插槽中。应用包括：

PDA 的安全应用程序

现有设备的加速器，可在原始处理预算内实现新功能

模拟现有设备中的存储卡并通过无线或串行通信、相机、数据记录器等访问文件

通过顶部连接器为带有 CompactFlash 插槽的系统提供额外的数字 I/O；微型附加卡可以包含带有定制连接器的 ADC 或 DAC 夹

虽然这些都是合理的应用，但第一台紧凑型计算机被设计为紧凑型闪存主机，不能插入紧凑型闪存插座。设计中做出的妥协之一是使用小型可编程逻辑器件来生成 CompactFlash 总线信号，确保可以在合理的层数和线宽内实现电路板布局。

添加 FPGA

简单的解决方案是用 FPGA 替换可编程阵列逻辑，这允许 CompactFlash 处理器模块将总线作为主机或从设备进行管理，并使总线可重新配置。使用 FPGA 还可以为模块快速添加其他功能。多处理器系统可以使用自定义通信系统、共享内存或消息传递来开发。本质上，这是一个电子乐高积木。

FPGA 选择成为关键的设计决策，因为电路板空间已缩小到 37 mm x 25 mm，其中包含用于 I/O 的顶部连接器。具有软核处理器的 FPGA 将允许一个部分完成两个部分的工作。但软核处理器 FPGA 供应商声称的 100 MHz 性能在 FPGA 加载其他功能后迅速降至 50 MHz。从 40 MHz 到 50 MHz 并不是令人惊叹的因素，尤其是当类似系统已经在 400 MHz 时。新系统必须有一个处理器和一个 FPGA。

Analog Devices Blackfin 处理器采用 12 mm x 12 mm 封装和 500、600 和 750 MHz 时钟选项，为新系统提供了易于升级的未来。它的焊球间距为 0.8 mm，简化了布局和制造。

然后，设计人员转向布局问题，迭代不同的 FPGA、SDRAM 和闪存设备，直到找到可以以合理成本制造的电路板布局。公司的所有计算机都在很长一段时间内每周 7 天、每天 24 小时运行 PCB 布线程序。

革命性的原型开发

紧凑型计算机采用商业硬件构建，尺寸仅为现有工业系统的一小部分，它可以正常工作，满足客户的要求，并为未来的设计师提供了一个起点。为了从这个系统中获益，设计师不能受制于“没有人这样做”的态度。相反，设计人员应该通过利用真正的即插即用嵌入式系统来改变原型的开发方式。毕竟，跟随领先者并不能赢得比赛。

审核编辑：郭婷