關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計研究

李 特

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，揚(yáng)州 225001）

隨著時代的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)水平提升，計算機(jī)技術(shù)日益成熟和完善，逐漸朝著嵌入式計算機(jī)技術(shù)方向發(fā)展。在這種情況下，嵌入式系統(tǒng)越來越受關(guān)注和重視，并得到了廣泛應(yīng)用。在嵌入式系統(tǒng)中，協(xié)同設(shè)計是最關(guān)鍵的開放方式之一，能夠?qū)浻布墓δ苓M(jìn)行綜合分析，挖掘其內(nèi)在的潛能，促使系統(tǒng)高效運(yùn)行。

1 嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計描述

1.1 系統(tǒng)描述

對嵌入式系統(tǒng)的描述主要是從兩方面出發(fā)的，一是性能方面，另一種是功能方面。在系統(tǒng)描述過程中，不僅可以采用一種語言，也可以采用多種語言。同時，這一描述過程也是對軟件模型和系統(tǒng)硬件模型的建立過程。在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)描述時，為了減少軟硬件協(xié)同設(shè)計初期中問題的出現(xiàn)，需要做好系統(tǒng)內(nèi)行為的測試工作。一方面，可以在第一時間發(fā)設(shè)計中不合理的地方；另一方為系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行提供了保證。系統(tǒng)描述需要以系統(tǒng)模型為支撐，為了進(jìn)行正確的描述，應(yīng)該確保該模型包括四個元素。一是功能特點(diǎn)，也就是指嵌入式系統(tǒng)的各項功能，同時應(yīng)該重點(diǎn)明確功能和系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系。第二是性能描述，在系統(tǒng)模型中，融入這一因素，能夠比較全面的反映系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并且需要說明系統(tǒng)輸入與輸出的聯(lián)系[1]。第三是約束條件，該要素不僅對嵌入式系統(tǒng)性能缺陷進(jìn)行了說明，而且還合理的對系統(tǒng)工作環(huán)境中的要求進(jìn)行了規(guī)定。第四是技術(shù)指標(biāo)，其能夠?qū)ο到y(tǒng)存在的問題、質(zhì)量好壞進(jìn)行說明，為設(shè)計工作開展奠定良好基礎(chǔ)。

1.2 軟硬件綜合技術(shù)

在嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計中，軟硬綜合技術(shù)是最重要的技術(shù)之一，在軟硬件系統(tǒng)的大體設(shè)計方面發(fā)揮著重要作用。在對其設(shè)計結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)檢測評價的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)設(shè)計要求，有針對性的開展細(xì)致的系統(tǒng)制作工作，并且進(jìn)行軟硬件的設(shè)計，確保其協(xié)調(diào)一致，進(jìn)而可提升設(shè)計的科學(xué)性，對整個系統(tǒng)運(yùn)行效率提高具有重要意義。

1.3 軟硬件功能劃分

在進(jìn)行軟硬件功能劃分工作中，主要是科學(xué)合理的劃分軟硬件和嵌入式系統(tǒng)功能，并對二者的關(guān)系進(jìn)行明確。其中，成本函數(shù)是軟硬件功能劃分的主要依據(jù)之一。在運(yùn)用成本函數(shù)方面時，需要考慮多方面因素。例如，模塊之間的并發(fā)性、軟件執(zhí)行時間等。

1.4 協(xié)同仿真和系統(tǒng)測試驗證

在協(xié)調(diào)仿真和系統(tǒng)測試驗證方面，需要借助硬件描述語言進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的描述工作。為了有效完成設(shè)計工作，滿足設(shè)計要求，需要對軟件搭配硬件的方法進(jìn)行合理的應(yīng)用，以便為接下來的設(shè)計工作創(chuàng)造良好的環(huán)境，不僅能夠在整體上提高設(shè)計效率與質(zhì)量，而且還能減少設(shè)計成本，確保良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計的具體方法

在嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的今天，新的系統(tǒng)設(shè)計方法也層出不窮，其中軟硬件協(xié)同設(shè)計方法是最主要的一種，得到了國際認(rèn)可，它屬于一種合乎規(guī)范的軟硬件描述方法，有利于滿足現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計要求。其具體設(shè)計方法主要有以下幾種：

第一，基于有限態(tài)自動機(jī)的方法。在嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計中，運(yùn)用該方法，不僅能夠?qū)ψ陨硇袨檫M(jìn)行有效的描述，而且還可以比較詳細(xì)的描述軟件模型和硬件模型。與此同時，基于有限態(tài)自動機(jī)的方法可以科學(xué)的進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)軟硬件的劃分，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整合，對實際轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行說明。但該方法存在著一定的局限性，主要是因為其適用性不是很強(qiáng)，一般來說其不適合應(yīng)用于大規(guī)模嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)。

第二，基于VHDL 方法。相對而言，運(yùn)用該方法進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計的描述，具有方便快捷的優(yōu)勢。在實際描述中，通常情況下會將系統(tǒng)功能描述為VHDL 特性影響的進(jìn)程，在系統(tǒng)功能評估方面也發(fā)揮著重要作用，因此不僅有利于提高嵌入式系統(tǒng)的可靠性，而且還能確保其具有良好的可操作性，可以高效的進(jìn)行研究開發(fā)內(nèi)容的轉(zhuǎn)換[2]。

第三，基于遺傳算法的劃分方法。在嵌入式系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用基于遺傳算法的劃分方法，可以從不同方面研究群體局部優(yōu)化、空間編碼等，通過科學(xué)的分析計算，能夠有效進(jìn)行軟件和硬件劃分。其劃分工作的完成，需要借助遺傳操作的方式，并通過遺傳算法進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試工作，既能促使設(shè)計成本降低，又能提高設(shè)計科學(xué)性。同時，在劃分過程中，一旦出現(xiàn)劃分問題，也可以運(yùn)用相應(yīng)的算法及時解決問題。

第四，形式化的驗證方法。運(yùn)用該方法，需要依據(jù)嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的要求，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在進(jìn)行系統(tǒng)判斷時，還需要對相應(yīng)算法進(jìn)行合理的應(yīng)用，以便確保系統(tǒng)的正確性，使各項性能在合格的范圍之內(nèi)。相對而言，形式化的驗證方法具有算法精確的獨(dú)特優(yōu)勢。但在嵌入式系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計中，其使用率不是很高，主要是因為其無法滿足硬件需求。因此，在設(shè)計中，只是將其作為一種系統(tǒng)的驗證方法，判斷系統(tǒng)的正確與否。

3 結(jié)束語

總之，嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的課題之一。協(xié)同設(shè)計具體方法主要有形式化的驗證方法、基于VHDL、有限態(tài)自動機(jī)的方法和基于遺傳算法的劃分方法。在各類嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，運(yùn)用協(xié)同設(shè)計方法，有利于降低設(shè)計成本，對現(xiàn)有資源進(jìn)行合理配置，確保設(shè)計科學(xué)性，可以促使系統(tǒng)高效運(yùn)行。