嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)環(huán)境構(gòu)造與實(shí)現(xiàn)方法

周哲熙

摘要：文章通過(guò)討論嵌入式系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)以及市場(chǎng)環(huán)境，重點(diǎn)研究嵌入式系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)嵌入式系統(tǒng)理論研究以及實(shí)踐研究都處于發(fā)展的初級(jí)階段，嵌入式系統(tǒng)還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，因此，還需要對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題以及功能進(jìn)行深入分析，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用協(xié)調(diào)模擬手段來(lái)評(píng)估嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性與精準(zhǔn)性，減少工作失誤，避免反復(fù)設(shè)計(jì)，以此降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)企業(yè)最大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)方法；協(xié)調(diào)模擬

隨著科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)的不斷完善，計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大變革。大量數(shù)據(jù)信息不斷增加，高效率的生活生產(chǎn)方式，使得嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜、多變。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足當(dāng)下社會(huì)的發(fā)展需求，為了突破與完善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的弊端，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性，減少開(kāi)發(fā)周期，提高工作效率，人們開(kāi)始采用軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法。

1 嵌入式系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)比較復(fù)雜，包括多方面的軟件系統(tǒng)與硬件設(shè)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(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。與傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)不同，嵌入式協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)集成之前需要經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確驗(yàn)證，也就是說(shuō)嵌入式系統(tǒng)在投入使用前需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的認(rèn)證與試驗(yàn)，以保證嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合相關(guān)功能要求與性能要求。驗(yàn)證方法包括形式化驗(yàn)證與協(xié)調(diào)模擬，嵌入式系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)過(guò)程包括很多環(huán)節(jié)，比如軟硬件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)模擬、設(shè)計(jì)修正以及綜合階段等。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)比較復(fù)雜、在綜合性比較強(qiáng)的工作，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)涉及多方面的專業(yè)知識(shí)與專業(yè)技能，對(duì)相關(guān)工作人員有著極高的技能要求。嵌入式系統(tǒng)在Talent 2000基礎(chǔ)之上進(jìn)行功能擴(kuò)展，也就是說(shuō)嵌入式系統(tǒng)并不是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，而是對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行突破創(chuàng)新，不斷優(yōu)化升級(jí)[1]。

傳統(tǒng)系統(tǒng)功能單一，并不能滿足人們多樣化需求。嵌入式系統(tǒng)在保持原有系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建完整的嵌入式協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)環(huán)境，從功能與結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全面優(yōu)化升級(jí)。目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)軟硬件劃分之后，形成兩個(gè)獨(dú)立的硬件與軟件部門，這樣硬件與軟件在后期設(shè)計(jì)中獨(dú)立操作，如圖1所示。不像傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，一旦任何系統(tǒng)模塊出現(xiàn)問(wèn)題都不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)重新進(jìn)行，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度與科學(xué)性。軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式操作系統(tǒng)，與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）一起同步運(yùn)行，處理標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)代碼，形成可以直接運(yùn)行的指令集合，指令集模擬器主要就是負(fù)責(zé)翻譯。硬件模擬器與指令集模擬器通過(guò)審核之后，在進(jìn)行軟硬件綜合，最終形成目標(biāo)系統(tǒng)，如果在這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)任何問(wèn)題，都要及時(shí)修正設(shè)計(jì)，保證目標(biāo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與安全性[2]。

2 硬件模擬器建立

模擬是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在一定程度上直接影響著嵌入式系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。在嵌入式系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在目標(biāo)系統(tǒng)投入生產(chǎn)之前，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬嚴(yán)重，以此保證嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，一旦發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤可以及時(shí)修正。此外，對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在錯(cuò)誤，并采取相應(yīng)的防范措施，從而保證嵌入式系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性[3]。

現(xiàn)階段，硬件模擬器可以分為表驅(qū)動(dòng)模擬器與事件驅(qū)動(dòng)模擬器，都是硬件模擬器重要的組成部門，并有各自的優(yōu)勢(shì)與弊端[4]。事件驅(qū)動(dòng)模擬器只需要整個(gè)系統(tǒng)輸入發(fā)生變化的元件，根據(jù)元件信息進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算、模擬，可以最大限度地保證結(jié)果的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，不像傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序，需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算流程。事件驅(qū)動(dòng)模擬器通過(guò)簡(jiǎn)單、快捷的計(jì)算與模擬方式，大大提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，節(jié)省大量人力與物力，在模擬速度上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。而且通過(guò)改造的事件驅(qū)動(dòng)模擬器，可以對(duì)模擬器之外的信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕邮张c處理，擴(kuò)展處理范圍與對(duì)象。

在離散事件驅(qū)動(dòng)模擬器中，會(huì)接收與處理大量的信息數(shù)據(jù)，每個(gè)信號(hào)的輸出與輸入都以事件的形式表現(xiàn)出來(lái)，更加直觀、清晰地展現(xiàn)在工作人員面前，減少工作失誤概率，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。根據(jù)事件的時(shí)間標(biāo)記，通過(guò)模擬調(diào)度核心算法，將模擬器內(nèi)部的大量信息插入到事件隊(duì)列中去。模擬調(diào)度核心算法是離散事件驅(qū)動(dòng)模擬器中經(jīng)常使用的一種計(jì)算方法，調(diào)度核心算法會(huì)根據(jù)事件發(fā)生的先后順序，在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，從事件隊(duì)列中抽取與當(dāng)前時(shí)間發(fā)生相同的事件，并且激活該數(shù)據(jù)相關(guān)的元件，對(duì)這個(gè)事件的元件進(jìn)行分析與模擬，建立完整的數(shù)據(jù)模型，如果模擬過(guò)程中需要以其他事件發(fā)生為前提，也就是說(shuō)該事件處理需要以其他事件的發(fā)生為基礎(chǔ)，模擬進(jìn)程會(huì)暫時(shí)停止，當(dāng)前事件會(huì)從隊(duì)列中抽離出去。與此同時(shí)，還會(huì)發(fā)生大量新的事件，調(diào)度核心算法接受新的事件，并根據(jù)事件發(fā)生的先后順序?qū)⑵洳迦氲较鄳?yīng)的位置中。事件隊(duì)列會(huì)不斷地被替換、更新以及刪除，整個(gè)模擬過(guò)程是的不斷發(fā)展變化的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程[5]。嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 協(xié)調(diào)模擬與軟硬件同步

在協(xié)調(diào)模擬匯中，軟硬件通信與同步是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在一定程度上影響著協(xié)調(diào)模擬的準(zhǔn)確性與可靠性，而且還影響著模擬運(yùn)行的速度，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性有著至關(guān)重要的影響。軟硬件通信與同步機(jī)制的選擇，一直是我國(guó)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yán)格的時(shí)間標(biāo)尺。采用調(diào)度核心算法對(duì)事件發(fā)生的先后順序進(jìn)行調(diào)整，以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)建立二維鏈結(jié)構(gòu)，在模擬過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量新的事件，所以，必須具有足夠的事件列隊(duì)空間，以便高效處理元件，減少生產(chǎn)時(shí)間，提高工作效率[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

在信息時(shí)代背景下，大規(guī)模集成電路集成度與工藝技術(shù)不斷更新，各種新的技術(shù)與新理念被引進(jìn)來(lái)，使得嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜。為了克服傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的弊端，緊跟社會(huì)發(fā)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(shè)計(jì)方式，軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)、突破創(chuàng)新，在軟硬件綜合之前，提供軟硬件協(xié)調(diào)模擬，從功能與結(jié)構(gòu)上嵌入完整的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)關(guān)鍵，這是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)未來(lái)發(fā)展的方向，也是社會(huì)進(jìn)步與可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

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