關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計研究

（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 陜西 延安 716000）

1.嵌入式系統(tǒng)介紹

如今，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，據(jù)有關(guān)調(diào)查表明，嵌入式系統(tǒng)每年的增長率達到了18%，發(fā)展勢頭極為迅猛，成為本世紀重要的角色。

嵌入式系統(tǒng)是嵌入式計算系統(tǒng)的簡稱，其核心就是微處理器，主要包括8位、16位與32位，在近幾年各類消費及電子產(chǎn)品大量的出現(xiàn)，使得16位與32位架構(gòu)微處理器得到了全方面的應(yīng)用?，F(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)，主要就是16位與32位RISC架構(gòu)的微處理器以及衍生產(chǎn)品。8位微處理器由于年代較早，在我國成為單片機，已較少使用。

嵌入式系統(tǒng)主要分為：單硅片級、單板級以及多板級，單硅片級主要歸為專用芯片系統(tǒng)，單板級屬于通用芯片系統(tǒng)，而多板級是基于x86架構(gòu)的系統(tǒng)，同樣歸為通用芯片類型。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計有以下幾種發(fā)展趨勢：

（1）嵌入式系統(tǒng)的研究與其應(yīng)用領(lǐng)域會不斷擴大，其設(shè)計方向會完成從單一目標到多目標的轉(zhuǎn)化，設(shè)計者要考慮不同領(lǐng)域、不同需求，考慮包括系統(tǒng)功耗、功能、實用性、應(yīng)用領(lǐng)域等多方面的要求。

（2）用戶基數(shù)不斷增大，嵌入式系統(tǒng)的涉及方面不斷擴大，復(fù)雜程度不斷提高，設(shè)計規(guī)模逐步擴大，發(fā)展速度不斷加快，完成由原來的單機系統(tǒng)到現(xiàn)在的分布式系統(tǒng)的邁進。

（3）硬件的集成度會顯著提高，因相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體技術(shù)在近幾年的研究速度突飛猛進，系統(tǒng)級芯片的成功研發(fā)使存儲器、CPU等在單個硅片上進行集成提供了可靠的技術(shù)保障，并且這種高度集中的硅片正在成為現(xiàn)如今階段嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的主流系統(tǒng)。

（4）嵌入式技術(shù)在手機等移動設(shè)備上得到了大量應(yīng)用，因移動設(shè)備的體積、可充電性以及功耗方面的要求，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的集成度將會逐步提高，并成為移動設(shè)備不可缺少的部分。

（5）嵌入式產(chǎn)品的更新速度不斷加快，在如今的科技背景下，各類科技手段的更新?lián)Q代速度正在不斷地提升，這也要求嵌入式產(chǎn)品的更新速度隨時代要求不斷提升，設(shè)計者要減少新產(chǎn)品的研發(fā)時間，縮短設(shè)計周期，加快新產(chǎn)品的問世速度，更多地強調(diào)對設(shè)計的重用，軟件系統(tǒng)更多地強調(diào)構(gòu)件重用。嵌入式系統(tǒng)中，硬件與軟件相互影響，相互聯(lián)系，相互補充，從而達到相互提升的作用。

2.傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限性

傳統(tǒng)的設(shè)計方法，通常采用模塊化、自上而下的設(shè)計方法，首先是系統(tǒng)需求描述，然后劃分硬件與軟件，進行硬件設(shè)計與實現(xiàn)，最后進行軟件設(shè)計與實現(xiàn)。這種設(shè)計方法大體上是將硬件與軟件分割成兩個獨立的部分，通過硬件設(shè)計師與軟件設(shè)計師的設(shè)計，按照相關(guān)流程完成最后的設(shè)計。同時，在設(shè)計過程中，反復(fù)修改設(shè)計方案，并加以測試，最后使設(shè)計的產(chǎn)品達到指定設(shè)計要求。在硬件與軟件劃分完成時，首先設(shè)計硬件部分，之后對軟件進行設(shè)計測試，在整個系統(tǒng)中，設(shè)計過程基本上可以稱為串行過程，這種設(shè)計方式對設(shè)計者的經(jīng)驗技術(shù)提出了較高的要求，沒能夠有效利用過去的開發(fā)成果，導(dǎo)致這種設(shè)計方案過程拖延，設(shè)計周期較長，成本較高，無法滿足當今快節(jié)奏的科技發(fā)展水平與日益復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計要求，產(chǎn)品質(zhì)量也令人堪憂，難以有效地進行全面應(yīng)用。硬件與軟件的開發(fā)被割裂開來，缺乏有效的溝通交流，不能同步進行優(yōu)化設(shè)計。隨著設(shè)計系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，設(shè)計規(guī)模不斷提高，僅依賴設(shè)計人員手工完成的系統(tǒng)級設(shè)計將超出人員的能力范圍，導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量下降，同時導(dǎo)致市場競爭力下降。這種設(shè)計方法的局限性也在一定程度上促進了軟硬件協(xié)同設(shè)計方法的產(chǎn)生。

3.嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計描述

以軟硬件協(xié)同設(shè)計的方法是指在系統(tǒng)功能指標的管理下，通過分析系統(tǒng)軟硬件的情況、功能以及系統(tǒng)要求，全面挖掘軟硬件之間的共通處，并同時分析軟硬件自身結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，尋找它們最優(yōu)的結(jié)合點，從而對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，提高系統(tǒng)的工作效率。和傳統(tǒng)的嵌入式方法不同，軟硬件協(xié)同設(shè)計更注重軟硬件之間的并行性與協(xié)同性，從而改變了原有的把硬件與軟件分割開來所帶來的弊端，利用軟件與硬件二者之間的影響與相互制約關(guān)系協(xié)同設(shè)計，使系統(tǒng)高效地工作。軟硬件協(xié)同設(shè)計包括系統(tǒng)描述、軟硬件功能劃分、軟硬件綜合技術(shù)、協(xié)同仿真和系統(tǒng)測試驗證等多個方面。

3.1 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)描述是從系統(tǒng)的行為功能以及性能兩個方面出發(fā)，并采用一種或多種描述語言，對設(shè)計師設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)進行的全面描述過程，是對系統(tǒng)硬件與軟件模型的建立過程。在這個過程中，系統(tǒng)內(nèi)的行為需要被反復(fù)地測試和驗證，以保證對設(shè)計初期所可能出現(xiàn)的錯誤進行及時發(fā)現(xiàn)與糾正，使系統(tǒng)工作更加可靠，效率更高。建立系統(tǒng)模型時，應(yīng)包含四個元素。第一個是性能描述，這個元素體現(xiàn)了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與面貌，要求對系統(tǒng)輸入或輸出方面以及二者之間的聯(lián)系進行說明。第二個是功能特點，功能特點主要是指系統(tǒng)內(nèi)所完成的各項功能，并對其各項功能與系統(tǒng)本身輸入與輸出的關(guān)系進行明確說明。第三為技術(shù)指標，技術(shù)指標主要用來判斷這個系統(tǒng)的整體質(zhì)量好壞，并作出有效的說明，使設(shè)計師了解到今后的設(shè)計方向。第四是約束條件，約束條件規(guī)定了技術(shù)指標的應(yīng)用方面和系統(tǒng)工作環(huán)境的要求，并同時說明了系統(tǒng)自身性能的缺陷與改進指標。

3.2 軟硬件功能劃分

軟硬件功能劃分主要是對系統(tǒng)功能和軟硬件的關(guān)系進行確定，主要依據(jù)是成本函數(shù)。成本函數(shù)主要考慮軟件執(zhí)行時間、硬件使用功耗、成本以及模塊之間的并發(fā)性等幾個方面。

3.3 軟硬件綜合技術(shù)

軟硬件綜合技術(shù)主要是指對軟硬件系統(tǒng)的大體設(shè)計，成果經(jīng)過系統(tǒng)檢測評價之后，進行細致的系統(tǒng)制作，按照相應(yīng)的系統(tǒng)要求，對軟硬件進行設(shè)計，使軟硬件協(xié)調(diào)一致地進行工作，保證整個系統(tǒng)的運行效率。

3.4 協(xié)同仿真和系統(tǒng)測試驗證

這個方面主要是應(yīng)用硬件描述語言對硬件系統(tǒng)完成描述，同時采用軟件來搭配硬件的方法，可以完成相應(yīng)設(shè)計要求，并顯著縮短設(shè)計周期，減少設(shè)計成本，避免浪費。

4.嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計的具體方法

當前，國際上對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)用的普遍方案是基于自頂向下理念的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法，這種方法是一種合乎規(guī)范的軟硬件描述方法，也是最優(yōu)的軟硬件劃分方案。采用這類方法可以有效地滿足相應(yīng)的設(shè)計要求，對相關(guān)的問題也能提出最優(yōu)的解決方案。

這種軟硬件協(xié)同設(shè)計方法的流程為：確定用戶需求，并根據(jù)用戶的需求建立應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)范，之后將軟硬件進行劃分以及性能評估工作，并構(gòu)建相應(yīng)的軟/硬件平臺進行測試以及驗證。軟硬件協(xié)同設(shè)計具體方法分為以下幾類：

4.1 基于 VHDL 的方法

這類方法將系統(tǒng)功能描述為受到VHDL特性影響的進程，其設(shè)計進程被逐步分解，并評估各類系統(tǒng)功能。這類方法對硬件的描述更加方便快捷，保證系統(tǒng)具有良好的可操作性與可靠性。比起其他的軟件描述方法，能更加方便地轉(zhuǎn)換研究開發(fā)內(nèi)容。

4.2 基于有限態(tài)自動機的方法

這類方法可以對硬件模型、軟件模型和系統(tǒng)自身行為進行詳盡表述，基于有限態(tài)自動機的方法可以應(yīng)用在對軟硬件的劃分與整合，非常規(guī)范地說明具體實現(xiàn)的方法及其轉(zhuǎn)換過程。這種方法的缺點在于，其只適用于小規(guī)模嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)，具有一定的局限性。

4.3 基于遺傳算法的劃分方法

采用這種方法，設(shè)計者可以通過對空間編碼、個體選擇、群體局部優(yōu)化等多方面進行詳盡的研究，對各類算法問題進行分析計算，完成對硬件與軟件之間的劃分。這種方法首先對遺傳和局部優(yōu)化參數(shù)進行確定，之后隨機生成滿足相應(yīng)條件的解，并獲得最優(yōu)解集，利用遺傳操作完成硬件與軟件之間的劃分工作。應(yīng)用相應(yīng)的算法解決其劃分問題，高效率地完成系統(tǒng)的調(diào)試，降低設(shè)計成本，避免浪費的產(chǎn)生。

4.4 形式化的驗證方法

形式化的驗證方法具體實施情況為：建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用相應(yīng)算法來判斷系統(tǒng)的正確與否，驗證各項性能指標是否達標。形式化的驗證方法的優(yōu)點在于算法更加精確，但其局限性在于這種方法只針對于軟件，無法考慮硬件方面的要求，也不能直接在嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用，所以此類方法只是一種系統(tǒng)驗證方法。

4.5 POLIS 方法學(xué)

這種方法學(xué)是對嵌入式系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計進行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對微控制器和處理器進行組合，形成目標結(jié)構(gòu)。這種方法建立在協(xié)同設(shè)計框架形式基礎(chǔ)上，其模型分為全局異步和局部同步，對于硬件和軟件的實現(xiàn)進行相同的計算，同步完成對軟硬件的實現(xiàn)。

5.結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計研究是當今時代一個非常吸引人的研究課題，也是一個應(yīng)用廣泛的課題，由于各類先進技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，各類技術(shù)及產(chǎn)品的更新速度越來越快，基于平臺的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法因其先進性、可靠性和高效性正逐步成為主流嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法，并被廣泛應(yīng)用于各類嵌入式系統(tǒng)中。通過對軟硬件之間關(guān)系的研究與分析，挖掘出它們之間的協(xié)同性與并行性，從而使系統(tǒng)更加高效地進行工作完善，降低相應(yīng)成本；將現(xiàn)有的資源進行整合與充分利用，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的效率。