開源硬件概況

相對于源代碼開放的開源軟件，開源硬件似乎今人費解。因為傳統(tǒng)的硬件體系中沒有數(shù)字化代碼，何來開源？因此，開源硬件的開源內(nèi)涵主要體現(xiàn)在開源文化中的開放、低成本、可二次開發(fā)與可任意裁剪上。開源硬件的開放不僅是電路系統(tǒng)的開放，還在于對軟件工程師的開放，因此，開源硬件誕生后，吸引了眾多軟件工程師進入嵌入式應用領域。

可二次開發(fā)的開源硬件，是一個基于軟件開發(fā)的軟硬件綜合開發(fā)平臺；基于軟件的開發(fā)模式有利于軟件工程師介入嵌入式產(chǎn)品開發(fā)；開源硬件可任意裁剪、任意選擇的特點，為開發(fā)眾多個性化嵌入式產(chǎn)品提供了低成本、低門檻、靈活、便捷的手段。

“開源硬件”：描述如今基于嵌入式產(chǎn)品平臺、基于硬件描述語言、以軟件技術為主的智能硬件的開發(fā)模式。

當今的開源硬件有以下幾類：

一類是由用戶板進化出的可二次開發(fā)的板級開源硬件（早期以樹莓派為代表）；

另一類是開源硬件描述語言（以Chisel為代表源代碼開放的開源硬件）；

還有一類是開源操作系統(tǒng)中的開源硬件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如ARM Device Tree）。

開源硬件描述語言：

硬件描述語言HDL是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。

硬件描述語言發(fā)展至今已有20多年的歷史，它將硬件設計軟件化，通過EDA工具（電子設計自動化）進行仿真驗證，最終通過微電子的ASIC手段或半定制的FPGA來實現(xiàn)一個真實的硬件系統(tǒng)。這是一種非主流電子工程師的非傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計方法，成功地應用于硬件設計的各個階段，如建模、仿真、驗證與數(shù)字化模塊的綜合等。

隨著系統(tǒng)級FPGA以及系統(tǒng)芯片的出現(xiàn)，軟硬件協(xié)調(diào)設計和系統(tǒng)設計變得越來越重要。傳統(tǒng)意義上的硬件設計越來越傾向于系統(tǒng)設計和軟件設計結(jié)合。硬件描述語言為適應新的情況，迅速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的硬件描述語言。硬件描述語言從一開始就是一種用軟件工具、在軟件方法基礎上實現(xiàn)的電路系統(tǒng)設計方法。

Chisel是加州大學伯克利分校研究人員設計并發(fā)布的一種新的開源硬件設計語言。他們認為現(xiàn)有的硬件描述語言VHDL、Verilog HDL等最初設計的目的是用來仿真的，所以有很多不可綜合的語法，此外，VHDL、Verilog HDL缺少目前高級語言具備的一些特性，比如：對象、繼承等，于是設計了Chisel，并將其開源。

Chisel建立在Scala語言之上，可以支持高級硬件設計。用戶使用Chisel時，以編寫Scala程序的方式來設計硬件電路。采用Chisel設計的電路，經(jīng)過編譯可以得到FPGA、ASIC的Verilog HDL的相關代碼。目前國內(nèi)外已有人使用Chisel語言成功地實現(xiàn)了多種開源處理器。有多個開源項目使用Chisel作為開發(fā)語言，包括：采用RISC-V架構(gòu)的開源標量處理器Rocket、開源亂序執(zhí)行處理器BOOM（Berkeley Out-of-Order Machine）等。

此外，Chisel的開源特性，也有助于用戶了解硬件設計語言的內(nèi)部實現(xiàn)機理，并在此基礎上進行特定的優(yōu)化與改進。

開源設備樹

設備樹是嵌入式操作系統(tǒng)中的一種開源硬件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是嵌入式操作系統(tǒng)中板級支持包（Board Support Package，BSP）的華麗轉(zhuǎn)身，其源頭是PowerPC的Device Tree技術。目前，最著名的是ARM Linux中的扁平設備樹FDT（Flattened Device Tree）。

早先在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)時為了滿足操作系統(tǒng)對硬件單元的有效管理，設置了板級支持包，并添加有大量的驅(qū)動程序固件。板級支持包介于主板硬件與操作系統(tǒng)之間，是操作系統(tǒng)的一部分。程序員在使用嵌入式操作系統(tǒng)時，可以根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的變化，在BSP中添加一些和系統(tǒng)相關的驅(qū)動程序。因此，隨著主板的升級與變更，BSP也愈加龐雜。

以ARM Linux為例，早期的ARM Linux中充斥著大量的垃圾代碼，相當多的代碼只是在描述板級細節(jié)，而這些板級細節(jié)對于內(nèi)核來講，只是垃圾。后來引入了PowerPC已成熟應用的Device Tree技術，使得ARM Linux內(nèi)核中的BSP華麗轉(zhuǎn)身為扁平設備樹（FDT）。

Device Tree是一種描述硬件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，基本上是一個描述電路板上CPU、總線、設備組成的樹形結(jié)構(gòu)，由一系列的結(jié)點（node）和屬性（property）組成，結(jié)點本身可包含子結(jié)點，可用來描述原先kernel中的大量板級細節(jié)與硬件細節(jié)，直接透過它傳遞給Linux。Bootloader會將這棵樹傳遞給內(nèi)核，然后內(nèi)核可以識別這棵樹，并根據(jù)它展開出Linux內(nèi)核中的眾多設備，而這些設備用到的內(nèi)存、IRQ等資源，也被傳遞給了內(nèi)核，內(nèi)核會將這些資源綁定給展開的相應設備。使用FDT后，Linux內(nèi)核可以直接通過FDT獲取硬件的細節(jié)信息。

由根結(jié)點、子結(jié)點、葉結(jié)點形成了硬件相關的樹形結(jié)構(gòu)，樹結(jié)構(gòu)將在節(jié)點之間創(chuàng)建父子關系，此父子關系是體系結(jié)構(gòu)無關性的關鍵。當葉驅(qū)動程序或總線結(jié)點驅(qū)動程序本質(zhì)上需要依賴于體系結(jié)構(gòu)的服務時，該驅(qū)動程序會請求其父級節(jié)點提供該服務。采用此方法，不管計算機或處理器的體系結(jié)構(gòu)是什么，驅(qū)動程序都可以正常運行。使用FDT后，Linux內(nèi)核可以直接通過FDT獲取硬件的細節(jié)信息，這使得ARM Linux內(nèi)核中的冗余編碼大大減少，同時也使得用一個內(nèi)核鏡像去引導同一類ARM芯片集的硬件平臺成為可能。

2017年《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》第3期羅名駒等人的“扁平設備樹FDT在ARM Linux中的應用研究”詳細地介紹了ARM Linux中的FDT，以及如何通過FDT獲取板級硬件的細節(jié)信息。