關于嵌入式系統的軟硬件協同設計研究

（延安大學物理與電子信息學院 陜西 延安 716000）

1.嵌入式系統介紹

如今，嵌入式系統被廣泛應用于各個領域，據有關調查表明，嵌入式系統每年的增長率達到了18%，發展勢頭極為迅猛，成為本世紀重要的角色。

嵌入式系統是嵌入式計算系統的簡稱，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品大量的出現，使得16位與32位架構微處理器得到了全方面的應用。現在的嵌入式系統，主要就是16位與32位RISC架構的微處理器以及衍生產品。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，單板級屬于通用芯片系統，而多板級是基于x86架構的系統，同樣歸為通用芯片類型。

隨著科學技術的不斷發展，嵌入式系統設計有以下幾種發展趨勢：

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

（2）用戶基數不斷增大，嵌入式系統的涉及方面不斷擴大，復雜程度不斷提高，設計規模逐步擴大，發展速度不斷加快，完成由原來的單機系統到現在的分布式系統的邁進。

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

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

（5）嵌入式產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換代速度正在不斷地提升，這也要求嵌入式產品的更新速度隨時代要求不斷提升，設計者要減少新產品的研發時間，縮短設計周期，加快新產品的問世速度，更多地強調對設計的重用，軟件系統更多地強調構件重用。嵌入式系統中，硬件與軟件相互影響，相互聯系，相互補充，從而達到相互提升的作用。

2.傳統設計方法的局限性

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

3.嵌入式系統的軟硬件協同設計描述

以軟硬件協同設計的方法是指在系統功能指標的管理下，通過分析系統軟硬件的情況、功能以及系統要求，全面挖掘軟硬件之間的共通處，并同時分析軟硬件自身結構、性質，尋找它們最優的結合點，從而對整個系統進行優化設計，提高系統的工作效率。和傳統的嵌入式方法不同，軟硬件協同設計更注重軟硬件之間的并行性與協同性，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系協同設計，使系統高效地工作。軟硬件協同設計包括系統描述、軟硬件功能劃分、軟硬件綜合技術、協同仿真和系統測試驗證等多個方面。

3.1 系統描述

系統描述是從系統的行為功能以及性能兩個方面出發，并采用一種或多種描述語言，對設計師設計的嵌入式系統進行的全面描述過程，是對系統硬件與軟件模型的建立過程。在這個過程中，系統內的行為需要被反復地測試和驗證，以保證對設計初期所可能出現的錯誤進行及時發現與糾正，使系統工作更加可靠，效率更高。建立系統模型時，應包含四個元素。第一個是性能描述，這個元素體現了系統的整體結構與面貌，要求對系統輸入或輸出方面以及二者之間的聯系進行說明。第二個是功能特點，功能特點主要是指系統內所完成的各項功能，并對其各項功能與系統本身輸入與輸出的關系進行明確說明。第三為技術指標，技術指標主要用來判斷這個系統的整體質量好壞，并作出有效的說明，使設計師了解到今后的設計方向。第四是約束條件，約束條件規定了技術指標的應用方面和系統工作環境的要求，并同時說明了系統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功能和軟硬件的關系進行確定，主要依據是成本函數。成本函數主要考慮軟件執行時間、硬件使用功耗、成本以及模塊之間的并發性等幾個方面。

3.3 軟硬件綜合技術

軟硬件綜合技術主要是指對軟硬件系統的大體設計，成果經過系統檢測評價之后，進行細致的系統制作，按照相應的系統要求，對軟硬件進行設計，使軟硬件協調一致地進行工作，保證整個系統的運行效率。

3.4 協同仿真和系統測試驗證

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

4.嵌入式系統軟硬件協同設計的具體方法

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

這種軟硬件協同設計方法的流程為：確定用戶需求，并根據用戶的需求建立應用系統規范，之后將軟硬件進行劃分以及性能評估工作，并構建相應的軟/硬件平臺進行測試以及驗證。軟硬件協同設計具體方法分為以下幾類：

4.1 基于 VHDL 的方法

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

4.2 基于有限態自動機的方法

這類方法可以對硬件模型、軟件模型和系統自身行為進行詳盡表述，基于有限態自動機的方法可以應用在對軟硬件的劃分與整合，非常規范地說明具體實現的方法及其轉換過程。這種方法的缺點在于，其只適用于小規模嵌入式控制系統的開發，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，設計者可以通過對空間編碼、個體選擇、群體局部優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化參數進行確定，之后隨機生成滿足相應條件的解，并獲得最優解集，利用遺傳操作完成硬件與軟件之間的劃分工作。應用相應的算法解決其劃分問題，高效率地完成系統的調試，降低設計成本，避免浪費的產生。

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：建立相應的數學模型，應用相應算法來判斷系統的正確與否，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品中應用，所以此類方法只是一種系統驗證方法。

4.5 POLIS 方法學

這種方法學是對嵌入式系統協同設計進行框架結構設計，通過對微控制器和處理器進行組合，形成目標結構。這種方法建立在協同設計框架形式基礎上，其模型分為全局異步和局部同步，對于硬件和軟件的實現進行相同的計算，同步完成對軟硬件的實現。

5.結語

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