“協(xié)同設(shè)計(jì)”方法在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

王劍

【摘 要】本文較詳細(xì)地闡述了一種嵌入式系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法。本文首先分析了傳統(tǒng)的經(jīng)典嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，然后闡述了引入了軟硬件“協(xié)同設(shè)計(jì)”概念的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。最后指出了協(xié)同設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)；協(xié)同設(shè)計(jì)

嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)是21世紀(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)重要發(fā)展方向之一，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛且增長迅速。隨著嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法也在不斷變化和進(jìn)步。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在對目標(biāo)嵌入式系統(tǒng)提出系統(tǒng)定義方案后，要對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行可行性分析和需求分析。在經(jīng)過嚴(yán)格分析論證后，進(jìn)入到系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案階段，該階段除提出系統(tǒng)總體框架以外，還需進(jìn)行軟硬件劃分、處理器選型、操作系統(tǒng)選擇、開發(fā)環(huán)境選擇等諸多工作。

這種方法經(jīng)過多年測試驗(yàn)證，在市場中具有成熟可靠、簡單實(shí)用的特點(diǎn)，但是該方法的設(shè)計(jì)過程明顯表現(xiàn)出軟件和硬件開發(fā)相對獨(dú)立割裂，而且軟件開發(fā)工作往往需要等到硬件平臺完成后才能開展，顯然這不利于系統(tǒng)的最終成品推出時(shí)間控制，而且調(diào)試、測試的過程也需要反復(fù)迭代和修改設(shè)計(jì)，這樣就導(dǎo)致硬件方案的變動在所難免。由于軟硬件分離獨(dú)立設(shè)計(jì)，這又反過來影響軟件系統(tǒng)的開發(fā)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本的提高，開發(fā)效率的降低。同時(shí)傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對開發(fā)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如軟硬件的劃分、系統(tǒng)集成調(diào)試等提出了較高的要求。

相對于傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，引入了軟硬件“協(xié)同設(shè)計(jì)”概念的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法能較好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足。所謂軟硬件“協(xié)同設(shè)計(jì)”是在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，以達(dá)到系統(tǒng)能夠工作在最佳狀態(tài)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過統(tǒng)一協(xié)同分析系統(tǒng)軟硬件模塊資源的方法，綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。這種方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比主要的特點(diǎn)在于系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案中采用了系統(tǒng)級的仿真建模處理，對系統(tǒng)所涉及的硬件和軟件針對設(shè)計(jì)要求統(tǒng)一建模，根據(jù)建模結(jié)果選擇最優(yōu)化軟硬件劃分等設(shè)計(jì)方案，并對軟硬件協(xié)同仿真和驗(yàn)證。如圖1所示為一種典型的嵌入式系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)方法。

從圖中可以看到，嵌入式系統(tǒng)的“協(xié)同設(shè)計(jì)”方法與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比較而言，更重視總體設(shè)計(jì)下的系統(tǒng)級別的仿真建模和軟件、硬件綜合設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)級別的仿真建模通常采用獨(dú)立的功能性規(guī)格方法對系統(tǒng)整體進(jìn)行定義和說明，根據(jù)建模結(jié)果對軟硬件模塊進(jìn)行劃分，并且對該劃分方案進(jìn)行性能評估甚至指令級別的參數(shù)評價(jià)。通過反復(fù)迭代得到最優(yōu)化方案和結(jié)果為止。在完成了軟硬件綜合后記性具體軟硬件協(xié)同仿真和驗(yàn)證，獲得滿意結(jié)果后進(jìn)行系統(tǒng)集成和測試。值得注意的是，在“協(xié)同設(shè)計(jì)”過程中，應(yīng)充分考慮軟硬件的關(guān)系并在設(shè)計(jì)的每個(gè)層次上給予測試驗(yàn)證，以便于盡早發(fā)現(xiàn)問題解決問題，以免崩潰性錯(cuò)誤發(fā)生。

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)有如下一些基本要求：

統(tǒng)一的軟硬件描述方法。

交互式軟硬件劃分技術(shù)。這要求允許采用不同的軟硬件劃分設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)仿真和比較，并需要輔助最優(yōu)化決策及應(yīng)用實(shí)施。

完整的軟硬件模型基礎(chǔ)。這要求設(shè)計(jì)過程的每個(gè)階段都必須支持評價(jià)，并支持階梯式的開發(fā)方法與軟硬件整合。

正確的驗(yàn)證方法。

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的一些理論和方法是嵌入式研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。目前一些廠商已提供了協(xié)同設(shè)計(jì)的集成化平臺或者模型，比如ARM ESL平臺和RTSM模型等。ARM ESL虛擬平臺是采用了嵌入式系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法的典型平臺代表。

由此可見，這種采用“協(xié)同設(shè)計(jì)”概念的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是在充分利用先進(jìn)模擬/仿真平臺的基礎(chǔ)上，合理考慮了軟硬件的劃分，并對軟硬件子系統(tǒng)進(jìn)行了可靠有效的仿真及測試，避免了致命性錯(cuò)誤的產(chǎn)生，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，縮短了TTM。但是從另一個(gè)方面來看，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法從系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)平臺的使用到相關(guān)配套資料等方面來看都是十分成熟的方法，對于一些特定嵌入式系統(tǒng)或者開發(fā)者極其熟悉的設(shè)計(jì)領(lǐng)域（特別是MCU領(lǐng)域），傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法仍具有非常好的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]