幾十年前，當(dāng) Microsoft 面向全球推出 Windows 時(shí)，一位同事將這種全新操作環(huán)境謔稱為“穿著小丑服裝的 DOS”。他這么說也不無道理。雖然當(dāng)時(shí) Microsoft 為 Windows 大造聲勢，但它只不過就是一個(gè)附加在普通老式 DOS 上的圖形用戶界面 (GUI) 和應(yīng)用層而已。

不過，作為一款將 DOS 操作系統(tǒng)提升到更易于訪問界面的先驅(qū)而言，Windows 是成功的。它解決了 DOS 命令行形式的低級(jí)別復(fù)雜操作問題，使用戶能在更適應(yīng)實(shí)際需要的高級(jí)圖形化界面上展開工作。

雖然過程讓人覺得有點(diǎn)艱苦，但 Windows 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)復(fù)雜的程度，和剛推出時(shí)作為“真實(shí)”操作系統(tǒng)的專用界面已不可同日而語了。Windows 是界面抽象發(fā)展演進(jìn)的實(shí)例，充分展現(xiàn)了從“小丑的服裝”（或者說“圖形化服裝”）到連接不同應(yīng)用與系統(tǒng)的易用性工作環(huán)境的轉(zhuǎn)變之路。

這一發(fā)展過程還說明，成功的進(jìn)程抽象不僅僅是給進(jìn)程包裹或添加一個(gè)界面層這么簡單。進(jìn)程通常不會(huì)孤立存在，因此應(yīng)用抽象系統(tǒng)需連接并響應(yīng)于其周圍的系統(tǒng)，只有這樣才能發(fā)揮出其全部潛力。

高級(jí)設(shè)計(jì)

此外，我們對(duì)用于電子和軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的抽象系統(tǒng)并不陌生。實(shí)際上，這種熟悉程度讓我們認(rèn)為其就是按正常的、而非抽象的方式工作的。以前，從分立組件轉(zhuǎn)向集成電路就是提高設(shè)計(jì)抽象度的硬件實(shí)例。IC 使工程師能夠采用更高級(jí)的“黑盒子”方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不用考慮（或在意）芯片內(nèi)部的情況。工程師假定上述黑盒子能夠按照技術(shù)規(guī)范正常工作，然后將它們作為功能塊直接連接，并在某種硬件開發(fā)板上進(jìn)行測試即可。

軟件設(shè)計(jì)經(jīng)歷了編程語言和系統(tǒng)的長期發(fā)展，較終使開發(fā)人員擺脫了匯編語言的困擾。利用熟悉的編程接口、代碼語法和編譯程序等實(shí)施方法，軟件開發(fā)能通過 Pascal、對(duì)象導(dǎo)向型語言和 C++ 等各種語言充分利用高級(jí)抽象。簡潔、出色的嵌入式應(yīng)用軟件與 PC 應(yīng)用軟件一樣，在很大程度上也采用相同的原理和系統(tǒng)。

顯而易見，可編程硬件作為電子開發(fā)領(lǐng)域的新生事物，尚處在設(shè)計(jì)抽象發(fā)展的早期階段。硬件描述語言 (HDL) 用于在寄存器 (RTL) 級(jí)描述設(shè)計(jì)，并較終合成到門級(jí)，用于選定器件（以前通常是 ASIC，不過現(xiàn)在更多采用 FPGA）的實(shí)施。但是，與復(fù)雜的匯編語言相比，本就晦澀難解的 HDL 通常會(huì)讓嵌入式硬件的開發(fā)工作變得非常困難。

因此，為減化上述設(shè)計(jì)工作，我們開發(fā)了許多設(shè)計(jì)抽象系統(tǒng)。這些不同的抽象系統(tǒng)雖然在設(shè)計(jì)方法上大相徑庭，但通常都是圖形化系統(tǒng)、圖形流程圖方法或者是 C 語言的變體或擴(kuò)展。與其他設(shè)計(jì)領(lǐng)域（硬件和應(yīng)用軟件）類似，實(shí)施高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)以降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性的公認(rèn)方法也得到了應(yīng)用。

不過，還存在一個(gè)潛在的問題，就是可編程硬件的開發(fā)有著自身獨(dú)特的一系列特點(diǎn)，會(huì)限制高級(jí)設(shè)計(jì)方案優(yōu)勢的發(fā)揮。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、獨(dú)立進(jìn)程

可編程硬件的一個(gè)重要特性就是其在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)方案中容納的物理硬件（如 FPGA 器件）以及在其上運(yùn)行的所有應(yīng)用軟件。實(shí)際上這種特性是設(shè)計(jì)方案中將可編程硬件和軟硬件關(guān)聯(lián)起來的較關(guān)鍵因素。

換言之，FPGA 開發(fā)不能孤立于目前已經(jīng)是統(tǒng)一且相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)進(jìn)程。但是，無論對(duì)其附加何種抽象層，常規(guī)的設(shè)計(jì)工具通常都是各自獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)域。

不同設(shè)計(jì)進(jìn)程的彼此孤立意味著必須在設(shè)計(jì)進(jìn)程早期階段就確定并鎖定軟硬件分區(qū)等關(guān)鍵決策——不同域之間不能交互而導(dǎo)致不能再進(jìn)行后期變動(dòng)。若想將軟處理器換成硬件處理器或者在可編程硬件中實(shí)施軟件算法，均會(huì)造成各域之間成本高昂的重大重新設(shè)計(jì)。不難看出這是一種呆板的順序設(shè)計(jì)方法，其中必須要先開發(fā)物理硬件，然后再開發(fā)可編程硬件，較后才是應(yīng)用軟件。在此過程中探索不同的設(shè)計(jì)方案來避開問題或者實(shí)現(xiàn)更好結(jié)果的機(jī)會(huì)微乎其微。

使 FPGA 設(shè)計(jì)的抽象程度上升到更高水平并不能突破上述局限，有時(shí)甚至還會(huì)讓上述問題雪上加霜，導(dǎo)致域及其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更加具有排他性。雖然可編程硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)得以簡化，但仍然不能實(shí)現(xiàn)與相互依存的軟硬件域進(jìn)行交互。

一體化設(shè)計(jì)抽象

若將設(shè)計(jì)抽象理念提升到一個(gè)全新的高度，則需要一個(gè)完全融合上述理念的完整設(shè)計(jì)環(huán)境，以便讓所有域都能自由交互，而不用考慮個(gè)體設(shè)計(jì)抽象的水平如何。這就需要平臺(tái)級(jí)上的一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其中整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)程只使用統(tǒng)一的應(yīng)用和統(tǒng)一的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)池。

這樣，嵌入式硬件設(shè)計(jì)就能隨之成為可深入到硬件和應(yīng)用軟件域的設(shè)計(jì)進(jìn)程的有機(jī)組成部分。任何域的更改都將修改統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集并即時(shí)應(yīng)用于其他域，而且設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其他部分也都能自然“了解”任何高級(jí)設(shè)計(jì)進(jìn)程。嵌入式硬件領(lǐng)域的設(shè)計(jì)抽象已經(jīng)從置于普通進(jìn)程之上的簡單、孤立的層轉(zhuǎn)而成為了在整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中互動(dòng)滲透的設(shè)計(jì)方法。

借助這類系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)方案中實(shí)施 USB 級(jí)等一般性任務(wù)就會(huì)獲得大幅簡化。此情況下，USB 級(jí)可能已經(jīng)具備了需要集成到所有域中的元素，如物理空間的連接器和接口硬件、可編程硬件中的總線接口以及應(yīng)用軟件域中的驅(qū)動(dòng)程序和協(xié)議層等。這種包含了庫部件的統(tǒng)一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)池提供了融合所有元素的 USB 模塊的統(tǒng)一模型。這種模型可直接放入設(shè)計(jì)方案中，無論各個(gè)域的設(shè)計(jì)抽象水平如何，它都能夠反映在所有域之中。這種方法同樣適用于 IP 內(nèi)核或已經(jīng)保存的設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)級(jí)的高級(jí)設(shè)計(jì)

這種復(fù)雜程度的設(shè)計(jì)抽象也使我們能在電子產(chǎn)品開發(fā)中采用基于系統(tǒng)的方法。由于能夠更方便地修改設(shè)計(jì)方案并減少對(duì)設(shè)計(jì)工作的干擾，設(shè)計(jì)進(jìn)程自此不再彼此孤立，同時(shí)也大大降低了嚴(yán)格按順序?qū)嵤┕ぷ髁鞒痰谋匾�性�?/p>

目前在全球?qū)嵤┑母呒?jí)開發(fā)進(jìn)程使設(shè)計(jì)人員能夠免受低級(jí)別設(shè)計(jì)復(fù)雜性問題的困擾，從而集中精力改善較終用戶的體驗(yàn)。硬件決策可在已經(jīng)全面了解設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)周期的稍后階段進(jìn)行確定，此外還能簡化軟硬件分區(qū)，并能使用迭代性更強(qiáng)的探索性開發(fā)方法。

使用不能與系統(tǒng)其他部分實(shí)現(xiàn)根本性互連的抽象設(shè)計(jì)進(jìn)程與使用僅用作底層操作系統(tǒng)接口的 Windows 并無二致。如果沒有編程互聯(lián)的底層基礎(chǔ)架構(gòu)、系統(tǒng)調(diào)用或 API，Windows 仍將是當(dāng)初的小丑外衣而已——盡管這件外衣現(xiàn)在看起來已經(jīng)非常光鮮艷麗。

就目前復(fù)雜的電子設(shè)計(jì)任務(wù)而言，高級(jí)設(shè)計(jì)抽象已不再是某個(gè)進(jìn)程可能從中受益的插件了。相反，隨著設(shè)計(jì)任務(wù)不可避免地日益復(fù)雜、不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域之間的界限逐步淡化，“一體化”設(shè)計(jì)抽象正快速變得不可或缺。

這種方案不僅使新一代電子設(shè)計(jì)成為可能，而且還能將設(shè)計(jì)人員解放出來，使其將精力集中在可實(shí)現(xiàn)真正競爭優(yōu)勢的創(chuàng)新與互連設(shè)計(jì)等關(guān)鍵任務(wù)上。