嵌入式系統(tǒng)軟硬件

隨著計算機技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用領域不斷擴大，大至航天飛機自動導航系統(tǒng)，小至移動電話、智能家用電器。嵌入式系統(tǒng)是一種典型的軟硬件混合系統(tǒng)，目前的產(chǎn)品一般包括嵌入式微處理器和相應的控制軟件。

一、嵌入式系統(tǒng)與軟硬件協(xié)同開發(fā)的簡介

早期的微處理器都是4位和8位的。隨著制造技術的不斷發(fā)展，集成的8位微控制器開始出現(xiàn)，并且16位微處理器也開始用于更復雜的嵌入式系統(tǒng)中，32位結(jié)構(gòu)的設備和高度集成的微控制器逐漸占領了高端應用的市場。盡管如此，功能更強大的微處理器并沒有取代早期的微處理器，而只是給嵌入式系統(tǒng)設計人員提供更大的選擇范圍，使其可以根據(jù)功能、特點、可用性和價格，選擇合適的微處理器產(chǎn)品。

早期由于系統(tǒng)功能單一，嵌入的軟件部分都是由廠家自己單獨設計的代碼組成，所以非常簡單。但隨著應用的擴大，系統(tǒng)越來越復雜，尤其是對于高檔嵌入式微處理器系統(tǒng)，多任務模型被廣泛應用于軟件開發(fā)，并且許多廠家還選擇了第三方的商用嵌入式實時操作系統(tǒng)產(chǎn)品(RTOS)。嵌入式系統(tǒng)中的硬件資源環(huán)境一般比較苛刻，內(nèi)存一般都不大，要在如此緊張的資源下完成復雜的功能，這就要求嵌入式系統(tǒng)的軟件部分必須盡量的小巧、穩(wěn)定和高效。

二、軟硬件聯(lián)合設計的一般方法

軟硬件聯(lián)合設計方法是在軟硬件混合數(shù)字系統(tǒng)的設計過程中，針對傳統(tǒng)的設計方法割裂了軟件和硬件開發(fā)過程的缺陷而提出的，它是指軟件和硬件使用統(tǒng)一的設計方法及采用一致的設計工具來進行綜合、驗證、模擬的設計方法。

軟硬件聯(lián)合設計的主要步驟如下:(1)系統(tǒng)級建模描述:建立一個完整的系統(tǒng)描述，以便在不考慮實現(xiàn)細節(jié)的情況下驗證系統(tǒng)的行為，驅(qū)動功能驗證和軟硬件劃分；(2)軟硬件聯(lián)合綜合:包括軟硬件劃分和調(diào)度、約束代碼生成、硬件及接口綜合。(3)軟硬件聯(lián)合模擬、調(diào)試和驗證:在已知軟件和硬件部件行為的基礎上對系統(tǒng)的行為進行建模，并驗證系統(tǒng)的功能和評價系統(tǒng)的性能。

三、軟硬件聯(lián)合設計方法的運用與發(fā)展

如前所述，嵌入式系統(tǒng)是一種典型的軟硬件混合系統(tǒng)。在設計的開始，設計者要對系統(tǒng)進行軟硬件劃分。這里的軟件及硬件不僅可以是分離的部件，也可以是同一個物理部件的不同抽象層次。在這兩種情況下，軟硬件之間的相互依賴關系都會導致在它們各自實現(xiàn)方法上的折衷。同時，由于嵌入式系統(tǒng)應用需求變化大，對性能、實時性和靈活性的要求較強，最初的設計和劃分對于整個系統(tǒng)的設計質(zhì)量影響很大；又由于高端產(chǎn)品的復雜性使得許多問題在軟硬件集成過程中才會暴露出來。這些都對聯(lián)合綜合和聯(lián)合模擬提出了需求，因此，嵌入式系統(tǒng)的設計有必要而且迫切需要引入軟硬件聯(lián)合設計的方法。

從方法學的角度來看，嵌入式系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合設計遵循上述一般方法和規(guī)律。而隨著微電子技術和嵌入式系統(tǒng)本身的發(fā)展，其設計方法還會呈現(xiàn)出一些新的特色。

1、軟硬件劃分

同其它軟硬件混合系統(tǒng)的設計一樣，軟硬件劃分是嵌入式系統(tǒng)設計中十分關鍵的一步。如何提高劃分算法的效率，降低時間復雜性，是研究的重點。已有的研究成果從多方面提高劃分的有效性，除了最基本的模擬退火算法，還提出了基于編譯器指導的方法、基于圖的最小代價算法、軟硬件流水線化、交互式劃分等方案。

2、商用組件的標準化和高度集成化對軟硬件設計的影響

隨著微電子技術的發(fā)展，更多的標準商用組件投入市場，同時高度集成的設備減少了芯片的數(shù)量。許多設計人員現(xiàn)在都非常樂意使用合并更多功能的微處理器和微控制器。相應地，軟件的設計也出現(xiàn)了變化。軟件開發(fā)工作量急劇增長，經(jīng)常達到全部工作的70%～80%。為了縮短開發(fā)周期，伴隨著硬件標準化的趨勢，軟件內(nèi)容也從自行設計轉(zhuǎn)向盡量采用具有知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。利用可移植代碼和標準的實時操作系統(tǒng)，成為設計嵌入式系統(tǒng)應用軟件的方向。當然，對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員而言，涉及標準部件的集成和選擇知識產(chǎn)權的決策也是非常復雜的，現(xiàn)在和將來都必須面對。

從上述的變化中，可以看出:隨著標準化軟硬件組件的日益豐富，嵌入式系統(tǒng)設計中軟硬件劃分的粒度增大，從而系統(tǒng)描述相對明確化，軟硬件設計工作明顯簡化，更注重接口設計和整體性能，設計空間靈活性和多樣性大大增加。這些變化對現(xiàn)有的設計方法和相關技術提出了新的需求，比如如何精化劃分算法，使之無需考慮不必要的細節(jié)，又比如進一步提高聯(lián)合模擬和驗證的抽象層次，縮短開發(fā)周期等等問題。

3、嵌入式系統(tǒng)設計中的“聯(lián)合”與“分散”

在傳統(tǒng)的設計方法中，軟件的設計往往滯后于硬件，而軟硬件聯(lián)合設計方法中所采取的聯(lián)合模擬技術、虛擬原型技術正是要彌補這種差距，因此，軟件和硬件設計工程師一起工作成為一種發(fā)展潮流。通過聯(lián)合設計，特別是聯(lián)合驗證技術，軟件工程師能夠盡早在真實硬件上測試，而硬件工程師能夠盡早在原型設計周期中驗證他們的設計。要達到這個目標必須提供集成的開發(fā)環(huán)境，在這個環(huán)境中可以完成軟硬件建模、聯(lián)合模擬及評價。目前已有一些解決方案，如指令集仿真器和標準的低價格的商業(yè)評估版。另外，低成本的主-目標機連接技術已經(jīng)得到廣泛應用。

嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的另一特點是，需要的開發(fā)人員越來越多。為了有效管理開發(fā)隊伍，必須將一些專有技術封裝起來，以便使非專業(yè)人員可以安全、可靠和直接的方式使用。因而，在嵌入式系統(tǒng)的設計中還要引入面向?qū)ο蟮乃枷?。在許多大公司中，軟件開發(fā)隊伍不是簡單的增長，而是正在分散化，成員的工作地點可以分布于不同的地域或不同的國家。這種情況導致了“技術中心”的出現(xiàn)，因而使用“軟件部件”變得越來越現(xiàn)實。

四、SOPC 嵌入式系統(tǒng)中軟硬件協(xié)同簡介

隨著半導體技術的高速發(fā)展，集成電路的規(guī)模不斷增大，以及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷某霈F(xiàn)，使得整個系統(tǒng)集成在單個芯片上并實現(xiàn)在系統(tǒng)可編程成為可能，這就是片上可編程系統(tǒng)SOPC(System on a Programmable Chip)。它支持并行SOPC技術具有靈活的設計方式:可裁減、可擴充、可升級，并具有軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

基于FPGA(Field－Programmable Gate Array，即現(xiàn)場可編程門陣列)的片上可編程系統(tǒng)SOPC設計近年來在半導體領域中呈現(xiàn)出高速增長態(tài)勢，成為系統(tǒng)級設計者的首選，但是隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，使得整個系統(tǒng)的設計變得非常困難，系統(tǒng)開發(fā)周期越來越長，而現(xiàn)今的嵌入式電子產(chǎn)品對系統(tǒng)的開發(fā)周期是非常敏感的，因此快速、高效的設計方法是一個值得探討和研究的問題。對于嵌入式系統(tǒng)設計中存在的這些問題，研究者提出了一種軟硬件協(xié)同設計的新方法。

SOPC系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，系統(tǒng)中許多功能模塊既可以由硬件來完成，也可以由軟件來實現(xiàn)。硬件實現(xiàn)的特點是性能高、速度快，但是成本較高、靈活性差；而軟件實現(xiàn)的特點是靈活性好、成本較低，但是性能差。因此，設計實現(xiàn)過程中如何兼顧系統(tǒng)的功能和性能(如功耗、成本、面積等)需求，使它們達到一種最優(yōu)組合，這正是軟硬件協(xié)同設計方法所要解決的主要問題。

五、傳統(tǒng)電子設計方法

目前，國內(nèi)外的企業(yè)普遍采用的是傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計方法。這種方法的步驟是首先對系統(tǒng)的需求描述進行定義，然后進行系統(tǒng)的軟硬件劃分，劃分好以后就開始分別進行硬件和軟件的設計，如果硬件和軟件設計中發(fā)現(xiàn)錯誤將直接返回到軟硬件的劃分。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計流程如圖1所示。

這種方法的缺點如下:

1)系統(tǒng)的軟件設計和硬件設計的并行性低，設計周期較長。這種設計流程采用先對硬件進行設計，然后是軟件設計。即硬件設計好之后，在此硬件基礎之上進行軟件設計。此串行化的設計方法當硬件設計完成再進行軟件的調(diào)試時，如果發(fā)現(xiàn)硬件設計出現(xiàn)錯誤，糾正錯誤就要付出高昂的人力、物力代價。不能對系統(tǒng)的軟硬件進行協(xié)同驗證，導致了設計重復性工作的次數(shù)大幅度增多，加大了設計成本。

2)系統(tǒng)設計層次低，系統(tǒng)級設計依賴于手工，設計的大規(guī)模超出了設計人員的能力，系統(tǒng)的軟硬件的開發(fā)流程缺少溝通與協(xié)調(diào)，導致設計效率的降低。

3)對于定制的嵌入式處理器不支持，嵌入式處理器為固定的模塊，不支持設計的可重用。

六、軟硬件協(xié)同設計方法的特點

因為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計方法的這些缺點，人們開始探索新的設計方法來適應高速發(fā)展的嵌入式系統(tǒng)，這種方法就是軟硬件協(xié)同設計方法。它早在1993年就已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)中系統(tǒng)級設計領域的研究方向和熱點。

軟硬件協(xié)同設計方法的特點如下:

1)軟硬件協(xié)同設計技術采用并行設計和協(xié)同設計的思想，使得設計開發(fā)周期縮短，設計效率大大提高。

2)軟硬件協(xié)同設計采用了統(tǒng)一工具和表示方法，對軟硬件合理進行劃分，合理分配系統(tǒng)功能，對成本、性能、功耗等各個方面進行權衡，盡可能得到最優(yōu)化的設計。

3)軟硬件協(xié)同設計采用軟硬件協(xié)同仿真的方法，對整個系統(tǒng)進行全局的設計驗證。

軟硬件協(xié)同設計對于設計的抽象層次有了很大的提高，而且拓寬了設計的覆蓋范圍，它可以使嵌入式系統(tǒng)的設計效率更高，速度更快。軟硬件協(xié)同設計是一種新的設計方法和思想，它不僅僅是一種設計技術，它是要把軟件和硬件的設計聯(lián)系起來，以免這兩部分設計過早的獨立起來。軟硬件協(xié)同設計技術現(xiàn)在正處于發(fā)展階段，有很多理論還不成熟，然而這種技術極大地提高了嵌入式系統(tǒng)的設計效率，有很大的研究價值和社會意義。

七、軟硬件協(xié)同設計的開發(fā)流程

嵌入式系統(tǒng)設計的主要任務包括:系統(tǒng)任務描述，系統(tǒng)建模，用來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能需求；對系統(tǒng)進行適當?shù)能浻布澐?，用以滿足性能要求、降低成本和功耗；系統(tǒng)的協(xié)同綜合和對系統(tǒng)實現(xiàn)及規(guī)范性進行仿真。軟硬件協(xié)同設計的目的是使系統(tǒng)的各影響因素之間可以相互協(xié)調(diào)地完成系統(tǒng)功能。軟硬件協(xié)同設計基本流程如圖2所示。

1、系統(tǒng)任務描述

要想設計一個SOPC系統(tǒng)，第一步是要明確系統(tǒng)的需求，也就是系統(tǒng)的性能和要實現(xiàn)的功能，接下來是對系統(tǒng)進行建模。SOPC系統(tǒng)的模型主要有有限狀態(tài)機模型、數(shù)據(jù)流圖模型、任務流圖模型、離散事件模型、Petri網(wǎng)模型等。建立一個對軟硬件通用的系統(tǒng)功能描述方法，來解決系統(tǒng)的統(tǒng)一描述問題，目前通常情況下是采用系統(tǒng)描述語言的方式。這樣在軟硬件劃分后，才能編譯并映射成硬件描述語言和軟件實現(xiàn)語言，為系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同工作提供有力的保證。

2、系統(tǒng)軟硬件劃分

在傳統(tǒng)的嵌入式設計方法中，軟件和硬件的開發(fā)過程是割裂開的，它們之間缺乏溝通。這樣就使得系統(tǒng)的設計效率很低。針對這一缺點，提出軟硬件協(xié)同設計的方法，這種方法中軟硬件系統(tǒng)的劃分是軟硬件協(xié)同設計中關鍵的步驟之一。系統(tǒng)中硬件實現(xiàn)部分對系統(tǒng)的性能有決定作用，通常硬件實現(xiàn)部分速度較快，但是成本控制在這部分也起著決定性的作用。系統(tǒng)中軟件實現(xiàn)部分通常具有很大的靈活性，決定著系統(tǒng)配置的靈活性，但是要占用一定的FPGA邏輯單元和耗費一定的時間。如表1所示。表1指出了系統(tǒng)是由硬件實現(xiàn)還是軟件實現(xiàn)對芯片面積、功耗、性能和人力與時間資源需求的影響，合理的軟硬件協(xié)同設計方案，對嵌入式系統(tǒng)的設計有很重要的作用。軟硬件的合理劃分，在滿足系統(tǒng)功能的基礎上，能夠充分發(fā)揮硬件處理的快速和軟件控制靈活的特點。

軟硬件劃分的結(jié)果追求的是提高系統(tǒng)運行速度、減小面積、降低成本、減少功耗。但軟硬件劃分通常是一個傳統(tǒng)的難題，由于劃分問題本身就具有很大的難度，而且SOPC具有巨大的搜索空間，所以情況更加嚴峻?，F(xiàn)如今自動劃分算法仍然不能取代有經(jīng)驗的設計者。劃分的方法基本上從兩個方面入手:一是面向軟件，從軟件到硬件要求滿足時序的特點；二是面向硬件，從硬件到軟件要求降低成本。在進行劃分時，要考慮整個目標系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、粒度、軟硬件實現(xiàn)的成本等各個因素。劃分完成后，產(chǎn)生軟硬件系統(tǒng)的分割的界面，提供給軟硬件進行溝通、驗證和測試使用。常用的軟硬件協(xié)同劃分算法有模擬退火算法、遺傳算法等。遺傳算法和模擬退火算法的互補性比較好，將這兩種算法相結(jié)合而形成的遺傳退火算法將繼承這兩者的優(yōu)點，在軟硬件劃分上的效能很好，現(xiàn)在這種智能算法是軟硬件劃分算法領域的一個研究熱點。

3、軟硬件協(xié)同綜合步驟

軟硬件劃分完成以后，分別進行軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的設計實現(xiàn)。對劃分完成的系統(tǒng)進行設計的階段叫做綜合。這個步驟的主要任務是將劃分完成的系統(tǒng)的描述轉(zhuǎn)換成為可以綜合的硬件描述和可以編譯的軟件程序。構(gòu)建包含軟件和硬件的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)描述的設計轉(zhuǎn)換過程。比如說劃分后的描述可以翻譯成為Verilog HDL(硬件模塊)和C(軟件模塊)。軟硬件協(xié)同綜合包含以下三個步驟:

1)處理單元分配，決定嵌入式系統(tǒng)由哪些處理器、DSP及專用硬件等體系結(jié)構(gòu)級別的單元組成；

2)任務指派，決定系統(tǒng)當中哪些功能由硬件處理單元實現(xiàn)，哪些功能由處理器用軟件來實現(xiàn)；

3)任務調(diào)度，決定分配給每個處理單元上任務的開始時間和執(zhí)行順序。

4、軟硬件協(xié)同仿真

軟硬件協(xié)同仿真驗證是對整個系統(tǒng)設計的正確性和性能指標確定的一個評估階段。在嵌入式系統(tǒng)設計的各個階段，可以把仿真驗證分為系統(tǒng)級仿真、行為級仿真、寄存器傳輸級(RTL級)仿真和門級仿真。系統(tǒng)級仿真一般情況下用來評估系統(tǒng)的整體功能和對算法的正確性的驗證；行為級仿真可以對所設計的邏輯進行仿真，但不會考慮目標器件的特性，比如容量，延遲等，行為級仿真可以使用高級的語句，比如報錯語句、文件讀寫語句、浮點格式等，但這些語句通常都是不能在目標器件中實現(xiàn)的；寄存器傳輸級仿真檢查各模塊的邏輯功能是否正確，然后，將通過仿真的各模塊集成在一起，對整個系統(tǒng)進行功能仿真，這一階段的仿真沒有包括硬件電路的時間信息，因此，只能從邏輯功能方面對設計進行驗證；門級仿真是將使用綜合軟件綜合后生成的門級網(wǎng)表或者是實現(xiàn)后生成的門級模型進行仿真，不加入時延文件的仿真。

典型的軟硬件協(xié)同仿真一般是在CPLD或FPGA的開發(fā)環(huán)境下，在Quartus II下運行。系統(tǒng)如果采用的IP核等一些資源已經(jīng)進行了單獨的驗證，則對它的門級或者RTL級的仿真驗證可以省略。

八、嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計總結(jié)

基于SOPC的軟硬件協(xié)同設計方法能夠在宏觀上把握復雜系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)設計方法存在的缺點，能夠充分挖掘軟件和硬件之間的協(xié)同性，對系統(tǒng)的軟硬件進行正確劃分，并能夠選取合適的IP，建立系統(tǒng)的設計平臺和驗證平臺，推動軟件和硬件的并行研發(fā)，降低設計風險，縮短開發(fā)周期，在嵌入式系統(tǒng)的設計中發(fā)揮著重要的作用。隨著邏輯設計和EDA工具的支持，基于SOPC的軟硬件協(xié)同設計技術在嵌入式應用系統(tǒng)的設計中發(fā)揮越來越重要的作用，將是今后IP－SOPC設計領域中的最核心技術。

嵌入式系統(tǒng)具有強大的生命力，廣闊的市場和深遠的應用前景使它的發(fā)展日新月異。為了更快捷、更有效地開發(fā)各種嵌入式應用，研究軟硬件聯(lián)合設計方法具有很重要的學術和商業(yè)價值。系統(tǒng)建模、軟硬件劃分、虛擬原型等技術仍然是嵌入式系統(tǒng)設計中的關鍵問題，并隨著微電子技術和計算技術的發(fā)展不斷地補充和發(fā)展。

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