嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有點(diǎn)像重新發(fā)明輪子。許多嵌入式系統(tǒng)僅因接口要求而異。鑒于客戶不愿意為他們不想要的功能付費(fèi)或妥協(xié)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師們已經(jīng)學(xué)會(huì)了重用軟件。雖然 PC/104 提供了現(xiàn)成的硬件，但當(dāng)客戶要求電池供電的系統(tǒng)必須適合火柴盒而不是鞋盒時(shí)，設(shè)計(jì)人員有時(shí)必須尋找其他外形尺寸。

緊湊型計(jì)算機(jī)是客戶要求的產(chǎn)物，盡管當(dāng)時(shí)客戶并不知道。這臺(tái)計(jì)算機(jī)類似于 Busicom 委托英特爾設(shè)計(jì)的計(jì)算器芯片。英特爾稱它為 4004，后來成為第一個(gè)微處理器。

客戶的要求很簡單：采用風(fēng)洞模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過單線或無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去進(jìn)行分析。主要問題是該公司只需要兩個(gè)設(shè)備，因此排除了定制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)本可以投資將其開發(fā)為產(chǎn)品，但現(xiàn)在不是正確的時(shí)機(jī)。

選擇外形尺寸

因此，設(shè)計(jì)師們開始尋找合適的商用解決方案。許多 SBC 可用，但缺乏適合應(yīng)用程序的輸入或輸出組合。這次搜索最終導(dǎo)致了 PC/104。該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)合適的 PC/104 堆棧，但很快確定它太大而無法放入模型中。

然后，當(dāng)設(shè)計(jì)人員意識(shí)到幾個(gè)比 PC/104 更小的商用板卡、CardBus 和 CompactFlash 等比 PC/104 更小的時(shí)候，靈光乍現(xiàn)的時(shí)刻到來了，僅舉幾例，出貨量達(dá)數(shù)百萬。但是，這些板通常用于筆記本電腦，一次不超過兩個(gè)。將筆記本電腦添加到方程式中會(huì)使最終設(shè)計(jì)作為嵌入式系統(tǒng)太大且太昂貴。

那時(shí)，設(shè)計(jì)人員考慮了開發(fā)可以與其中幾張卡通信的處理器是多么困難。這聽起來很簡單，只要所有卡都是同一類型，而不是將 PC-Card 與 CompactFlash 或 CardBus 混合使用。（PC-Card 和 CardBus 具有相同的外形尺寸，因此很難確定哪個(gè)是哪個(gè)。）如果設(shè)計(jì)人員構(gòu)建了一個(gè)只能使用 PC-Card 或 CardBus 的系統(tǒng)，許多用戶會(huì)使用錯(cuò)誤類型的卡填充系統(tǒng)，造成支持的噩夢。

CompactFlash 最終脫穎而出，成為該系統(tǒng)的最佳外形尺寸?？焖偎阉骺捎玫?CompactFlash 卡類型會(huì)生成支持以太網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee、802.11、大容量存儲(chǔ)、GPS、GPRS/GSM 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）/數(shù)模轉(zhuǎn)換器的卡列表轉(zhuǎn)換器 （DAC）。因此，微型嵌入式系統(tǒng)似乎可以使用標(biāo)準(zhǔn)的 CompactFlash 卡開發(fā)，就像 PC/104 卡一樣，但大小只有三十分之一。該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是使用常見的低成本卡以最少的硬件開發(fā)和非經(jīng)常性工程成本構(gòu)建這些微型嵌入式系統(tǒng)（4 cm x 4 cm x 2 cm）。

知道他們可以在幾小時(shí)或幾天內(nèi)輕松構(gòu)建這些系統(tǒng)的快速產(chǎn)品原型，設(shè)計(jì)師想知道為什么沒有其他人制造它們。一位經(jīng)理解釋說，某些產(chǎn)品不存在有兩個(gè)原因：這是一個(gè)愚蠢的想法，或者還沒有人想到它。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí)選擇了后一個(gè)原因。

軟件、應(yīng)用注意事項(xiàng)

為了實(shí)現(xiàn)廣泛采用，CompactFlash 計(jì)算機(jī)的軟件必須基于標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng) （OS），例如 Windows CE 或 Linux，以最大限度地縮短學(xué)習(xí)曲線。目標(biāo)是能夠插入任何 CompactFlash 卡并讓系統(tǒng)運(yùn)行。將以太網(wǎng)卡換成無線卡并且不進(jìn)行任何軟件修改的能力很有吸引力。由于可能需要修改 CompactFlash 卡的驅(qū)動(dòng)程序以支持該架構(gòu)，因此設(shè)計(jì)人員選擇了開源 Linux。

當(dāng)時(shí)市場上有一些小型的 Linux 系統(tǒng)，但沒有一個(gè)像 42 毫米 x 37 毫米那么小。在做出一些妥協(xié)后，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了第一臺(tái) CompactFlash 計(jì)算機(jī)。?；陲w思卡爾 MCF5272 微處理器，運(yùn)行頻率為 40 MHz，具有 8 MB 閃存和 32 MB SDRAM，系統(tǒng)充當(dāng) CompactFlash 主機(jī)（它控制其他 CompactFlash 卡）和最初配備 10 插槽主板，尺寸為 52 毫米 x 42 毫米。后來增加了一個(gè)低成本的 4 槽載板。

一些公司使用 CompactFlash 系統(tǒng)進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)和概念驗(yàn)證工程，而另一些公司則使用它來開發(fā)小型系統(tǒng)。項(xiàng)目范圍從基于無線的健康監(jiān)測系統(tǒng)到 GPS 記錄再到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

其他設(shè)計(jì)人員希望能夠?qū)⑾到y(tǒng)插入現(xiàn)有設(shè)備（如相機(jī)和 PDA）的 CompactFlash 卡插槽中。應(yīng)用包括：

PDA 的安全應(yīng)用程序

現(xiàn)有設(shè)備的加速器，可在原始處理預(yù)算內(nèi)實(shí)現(xiàn)新功能

模擬現(xiàn)有設(shè)備中的存儲(chǔ)卡并通過無線或串行通信、相機(jī)、數(shù)據(jù)記錄器等訪問文件

通過頂部連接器為帶有 CompactFlash 插槽的系統(tǒng)提供額外的數(shù)字 I/O；微型附加卡可以包含帶有定制連接器的 ADC 或 DAC 夾

雖然這些都是合理的應(yīng)用，但第一臺(tái)緊湊型計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)為緊湊型閃存主機(jī)，不能插入緊湊型閃存插座。設(shè)計(jì)中做出的妥協(xié)之一是使用小型可編程邏輯器件來生成 CompactFlash 總線信號(hào)，確?？梢栽诤侠淼膶訑?shù)和線寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)電路板布局。

添加 FPGA

簡單的解決方案是用 FPGA 替換可編程陣列邏輯，這允許 CompactFlash 處理器模塊將總線作為主機(jī)或從設(shè)備進(jìn)行管理，并使總線可重新配置。使用 FPGA 還可以為模塊快速添加其他功能。多處理器系統(tǒng)可以使用自定義通信系統(tǒng)、共享內(nèi)存或消息傳遞來開發(fā)。本質(zhì)上，這是一個(gè)電子樂高積木。

FPGA 選擇成為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策，因?yàn)殡娐钒蹇臻g已縮小到 37 mm x 25 mm，其中包含用于 I/O 的頂部連接器。具有軟核處理器的 FPGA 將允許一個(gè)部分完成兩個(gè)部分的工作。但軟核處理器 FPGA 供應(yīng)商聲稱的 100 MHz 性能在 FPGA 加載其他功能后迅速降至 50 MHz。從 40 MHz 到 50 MHz 并不是令人驚嘆的因素，尤其是當(dāng)類似系統(tǒng)已經(jīng)在 400 MHz 時(shí)。新系統(tǒng)必須有一個(gè)處理器和一個(gè) FPGA。

Analog Devices Blackfin 處理器采用 12 mm x 12 mm 封裝和 500、600 和 750 MHz 時(shí)鐘選項(xiàng)，為新系統(tǒng)提供了易于升級(jí)的未來。它的焊球間距為 0.8 mm，簡化了布局和制造。

然后，設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向布局問題，迭代不同的 FPGA、SDRAM 和閃存設(shè)備，直到找到可以以合理成本制造的電路板布局。公司的所有計(jì)算機(jī)都在很長一段時(shí)間內(nèi)每周 7 天、每天 24 小時(shí)運(yùn)行 PCB 布線程序。

革命性的原型開發(fā)

緊湊型計(jì)算機(jī)采用商業(yè)硬件構(gòu)建，尺寸僅為現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)的一小部分，它可以正常工作，滿足客戶的要求，并為未來的設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)起點(diǎn)。為了從這個(gè)系統(tǒng)中獲益，設(shè)計(jì)師不能受制于“沒有人這樣做”的態(tài)度。相反，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該通過利用真正的即插即用嵌入式系統(tǒng)來改變原型的開發(fā)方式。畢竟，跟隨領(lǐng)先者并不能贏得比賽。

審核編輯：郭婷