嵌入式系統軟硬件協調設計環境構造與實現方法

周哲熙

摘要：文章通過討論嵌入式系統協調設計發展趨勢以及市場環境，重點研究嵌入式系統協調設計方法。當前，我國對嵌入式系統理論研究以及實踐研究都處于發展的初級階段，嵌入式系統還沒有得到廣泛應用，因此，還需要對各個設計環節存在的問題以及功能進行深入分析，在設計過程中，運用協調模擬手段來評估嵌入式系統設計的正確性與精準性，減少工作失誤，避免反復設計，以此降低生產成本，實現企業最大的經濟效益與社會效益。

關鍵詞：嵌入式系統；協調設計；實現方法；協調模擬

隨著科學技術與信息技術的不斷完善，計算機技術被廣泛應用到各個行業中，為嵌入式系統設計帶來巨大變革。大量數據信息不斷增加，高效率的生活生產方式，使得嵌入式系統設計變得越來越復雜、多變。傳統的嵌入式系統設計無法滿足當下社會的發展需求，為了突破與完善傳統設計的弊端，提高系統運行的可靠性與安全性，減少開發周期，提高工作效率，人們開始采用軟硬件協調設計方法。

1 嵌入式系統總體設計

嵌入式系統比較復雜，包括多方面的軟件系統與硬件設施，其中最主要的是專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），是一種微型處理器，在嵌入式系統運行中發揮著至關重要的作用。與傳統嵌入式系統不同，嵌入式協調設計在系統集成之前需要經過準確驗證，也就是說嵌入式系統在投入使用前需要經過嚴格的認證與試驗，以保證嵌入式系統設計符合相關功能要求與性能要求。驗證方法包括形式化驗證與協調模擬，嵌入式系統協調設計過程包括很多環節，比如軟硬件設計、協調模擬、設計修正以及綜合階段等。嵌入式系統設計是一項比較復雜、在綜合性比較強的工作，在設計實踐中，經常會涉及多方面的專業知識與專業技能，對相關工作人員有著極高的技能要求。嵌入式系統在Talent 2000基礎之上進行功能擴展，也就是說嵌入式系統并不是一個獨立系統，而是對原有系統進行突破創新，不斷優化升級[1]。

傳統系統功能單一，并不能滿足人們多樣化需求。嵌入式系統在保持原有系統功能的基礎之上，增加了編輯、翻譯以及其他綜合功能，增加嵌入式軟件開發平臺，構建完整的嵌入式協調設計環境，從功能與結構上進行全面優化升級。目標系統設計通過軟硬件劃分之后，形成兩個獨立的硬件與軟件部門，這樣硬件與軟件在后期設計中獨立操作，如圖1所示。不像傳統設計，一旦任何系統模塊出現問題都不會導致整個設計重新進行，節省了設計成本，提高設計的準確度與科學性。軟件設計采用嵌入式操作系統，與實時操作系統（Real-Time Operating System，RTOS）一起同步運行，處理標準目標代碼，形成可以直接運行的指令集合，指令集模擬器主要就是負責翻譯。硬件模擬器與指令集模擬器通過審核之后，在進行軟硬件綜合，最終形成目標系統，如果在這個過程中出現任何問題，都要及時修正設計，保證目標系統的準確性與安全性[2]。

2 硬件模擬器建立

模擬是嵌入式系統設計的關鍵環節，在一定程度上直接影響著嵌入式系統的安全性與穩定性。在嵌入式系統協調設計過程中，在目標系統投入生產之前，對整個系統設計進行模擬嚴重，以此保證嵌入式系統設計的準確性，一旦發現任何錯誤可以及時修正。此外，對整個嵌入式系統設計過程進行實時跟蹤與監督，及時發現潛在錯誤，并采取相應的防范措施，從而保證嵌入式系統整體運行的穩定性與安全性[3]。

現階段，硬件模擬器可以分為表驅動模擬器與事件驅動模擬器，都是硬件模擬器重要的組成部門，并有各自的優勢與弊端[4]。事件驅動模擬器只需要整個系統輸入發生變化的元件，根據元件信息進行精準計算、模擬，可以最大限度地保證結果的準確性與真實性，不像傳統的設計程序，需要經過復雜的計算流程。事件驅動模擬器通過簡單、快捷的計算與模擬方式，大大提高系統運行效率，節省大量人力與物力，在模擬速度上具有絕對優勢。而且通過改造的事件驅動模擬器，可以對模擬器之外的信息進行適當的接收與處理，擴展處理范圍與對象。

在離散事件驅動模擬器中，會接收與處理大量的信息數據，每個信號的輸出與輸入都以事件的形式表現出來，更加直觀、清晰地展現在工作人員面前，減少工作失誤概率，提高系統的準確性與穩定性。根據事件的時間標記，通過模擬調度核心算法，將模擬器內部的大量信息插入到事件隊列中去。模擬調度核心算法是離散事件驅動模擬器中經常使用的一種計算方法，調度核心算法會根據事件發生的先后順序，在某個時間段內，從事件隊列中抽取與當前時間發生相同的事件，并且激活該數據相關的元件，對這個事件的元件進行分析與模擬，建立完整的數據模型，如果模擬過程中需要以其他事件發生為前提，也就是說該事件處理需要以其他事件的發生為基礎，模擬進程會暫時停止，當前事件會從隊列中抽離出去。與此同時，還會發生大量新的事件，調度核心算法接受新的事件，并根據事件發生的先后順序將其插入到相應的位置中。事件隊列會不斷地被替換、更新以及刪除，整個模擬過程是的不斷發展變化的，是一個動態模擬過程[5]。嵌入式系統軟件體系結構如圖2所示。

3 協調模擬與軟硬件同步

在協調模擬匯中，軟硬件通信與同步是關鍵環節，在一定程度上影響著協調模擬的準確性與可靠性，而且還影響著模擬運行的速度，對整個系統運行的穩定性與安全性有著至關重要的影響。軟硬件通信與同步機制的選擇，一直是我國嵌入式系統設計的瓶頸。為了保證軟硬件通信與同步，軟件與硬件必須具有嚴格的時間標尺。采用調度核心算法對事件發生的先后順序進行調整，以時間為標準建立二維鏈結構，在模擬過程中會出現大量新的事件，所以，必須具有足夠的事件列隊空間，以便高效處理元件，減少生產時間，提高工作效率[6]。

4 結語

在信息時代背景下，大規模集成電路集成度與工藝技術不斷更新，各種新的技術與新理念被引進來，使得嵌入式系統設計變得越來越復雜。為了克服傳統嵌入式系統設計的弊端，緊跟社會發展的腳步，滿足人們多樣性需求。人們積極探索出一種新型設計方式，軟硬件協調設計，對傳統系統設計進行優化升級、突破創新，在軟硬件綜合之前，提供軟硬件協調模擬，從功能與結構上嵌入完整的協調設計關鍵，這是嵌入式系統設計未來發展的方向，也是社會進步與可持續發展的必然趨勢。

[參考文獻]

[1]王世好，嚴迎建，劉明業.實時嵌入式系統協調設計的行為驗證模型[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004（1）：105-108.

[2]嚴迎建，劉明業.基于ISS和硬件模擬器的協同模擬關鍵技術研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004（4）：397-401.

[3]王世好，段志剛，劉明業.嵌入式系統軟件模擬及硬件接口設計的快速驗證[J].電子與信息學報，2004（10）：1675-1680.

[4]嚴迎建，王世好，劉明業.嵌入式系統軟硬件協同模擬驗證環境設計與實現[J].計算機工程，2004（9）：45-47.

[5]周喜明，吳悅楊，洪斌，等.VHDL邏輯級模擬系統中模擬模塊的設計和實現[J].微電子學與計算機，2004（3）：106-108.

[6]韓玉鶴，李紹巖.大型商業綜合體交通體系構建策略分析——以沈陽某大型商城交通規劃為例[J].城市發展研究，2008（S1）：74-77.