嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的先硬件后軟件嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式需要反復(fù)修改、反復(fù)試驗(yàn)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程在很大程度上依賴(lài)于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)周期、開(kāi)發(fā)成本高，在反復(fù)修改過(guò)程中，常常會(huì)在某些方面背離原始設(shè)計(jì)的要求。

　　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)為解決上述問(wèn)題而提出的一種全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。他依據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)要求，通過(guò)綜合分析系統(tǒng)軟硬件功能及現(xiàn)有資源，最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件之間的并發(fā)性，協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)，以便系統(tǒng)能工作在最佳工作狀態(tài).種設(shè)計(jì)方法，可以充分利用現(xiàn)有的軟硬件資源，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本、提高系統(tǒng)性能，避免由于獨(dú)立設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)而帶來(lái)的弊端。

　　將一設(shè)計(jì)思想應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上離不開(kāi)EDA工具的幫助，本文也將對(duì)幾種比較成熟的協(xié)同設(shè)計(jì)EDA工具加以簡(jiǎn)單介紹。

　　協(xié)同設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的比較

　　嵌入式系統(tǒng)是由若干個(gè)功能模塊組成的，這些功能模塊按照其性質(zhì)可以分為軟件模塊和硬件模塊兩類(lèi)。在過(guò)去幾十年內(nèi)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了很大的變化，有自上向下的設(shè)計(jì)方法，也有模塊化設(shè)計(jì)方法，他們總體上都是硬件模塊優(yōu)先的設(shè)計(jì)方法，將其統(tǒng)稱(chēng)為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

　　這種設(shè)計(jì)方法將硬件和軟件分為兩個(gè)獨(dú)立的部分。

　　在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用“硬件優(yōu)先的原則"，即在粗略估計(jì)軟件任務(wù)需求的情況下，首先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，然后在此硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。由于在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏對(duì)軟件構(gòu)架和實(shí)現(xiàn)機(jī)制的清晰了解，硬件設(shè)計(jì)工作帶有一定的盲目性。他的系統(tǒng)優(yōu)化由于設(shè)計(jì)空間的限制，只能改善硬件/軟件各自的性能，不可能對(duì)系統(tǒng)做出較好的綜合優(yōu)化，得到的最終設(shè)計(jì)結(jié)果很難充分利用硬軟件資源，難以適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜的、大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。

　　而嵌式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是讓軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體并行設(shè)計(jì)，找到軟硬件的最佳結(jié)合點(diǎn)，從而使系統(tǒng)高效工作。

　　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)最主要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，智能硬件和智能軟件設(shè)計(jì)是相互作用的，這種相互作用發(fā)生在設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)階段和各個(gè)層次。

　　設(shè)計(jì)過(guò)程充分體現(xiàn)了軟硬件的協(xié)同性。在軟硬件功能分配時(shí)就考慮到了現(xiàn)有的軟硬件資源，在軟硬件功能的設(shè)計(jì)和仿真評(píng)價(jià)過(guò)程中，軟件和硬件是互相支持的。這就使得軟硬件功能模塊能夠在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的早期互相結(jié)合，從而及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及早解決，避免了(至少可以減少)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)后期反復(fù)修改系統(tǒng)以及由此帶來(lái)的一系列問(wèn)題，而且有利于挖掘系統(tǒng)潛能、縮小產(chǎn)品的體積、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)整體性能。

　　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程

　　總的來(lái)說(shuō)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為系統(tǒng)描述、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證與綜合實(shí)現(xiàn)4個(gè)階段。

　　系統(tǒng)描述是用一種或多種系統(tǒng)級(jí)描述語(yǔ)言對(duì)所要設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行全面的描述，建立系統(tǒng)的軟硬件模型的過(guò)程。系統(tǒng)建?？梢杂稍O(shè)計(jì)者用非正式語(yǔ)言，甚至是自然語(yǔ)言來(lái)手工完成，也可以借助EDA工具實(shí)現(xiàn)。手工完成容易導(dǎo)致系統(tǒng)描述不準(zhǔn)確，在后續(xù)過(guò)程中需要修改系統(tǒng)模型，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化等問(wèn)題，而優(yōu)秀的EDA工具可以克服這些弊端。

　　對(duì)于嵌人式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為軟硬件功能分配和系統(tǒng)映射2個(gè)階段。軟硬件功能分配就是要確定哪些系統(tǒng)功能由硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，哪些系統(tǒng)功能由軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。硬件一般能夠提供更好的性能，而軟件更容易開(kāi)發(fā)和修改，成本相對(duì)較低。由于硬件模塊的可配置性，可編程性以及某些軟件功能的硬件化、固件化，某些功能既能用軟件實(shí)現(xiàn)，又能用硬件實(shí)現(xiàn)，軟硬件的界限已經(jīng)不十分明顯。此外在進(jìn)行軟硬件功能分配時(shí)，既要考慮市場(chǎng)可以提供的資源狀況，又要考慮系統(tǒng)成本、開(kāi)發(fā)時(shí)間等諸多因素。因此，軟硬件的功能劃分是一個(gè)復(fù)雜而艱苦的過(guò)程，是整個(gè)任務(wù)流程最重要的環(huán)節(jié)。

　　系統(tǒng)映射是根據(jù)系統(tǒng)描述和軟硬件任務(wù)劃分的結(jié)果，分別選擇系統(tǒng)的軟硬件模塊以及其接口的具體實(shí)現(xiàn)方法，并將其集成，最終確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，這一過(guò)程就是要確定系統(tǒng)將采用哪些硬件模塊(如全定制芯片、MCU，DSP，FPGA、存儲(chǔ)器、I/O接口部件等)、軟件模塊(嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、功能模塊等)和軟硬件模塊之間的通訊方法(如總線(xiàn)、共享存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通道等)以及這些模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法。

　　仿真驗(yàn)證是檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確性的過(guò)程。他對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性進(jìn)行評(píng)估，以達(dá)到避免在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)再進(jìn)行反復(fù)修改的目的。在系統(tǒng)仿真驗(yàn)證的過(guò)程中，模擬的工作環(huán)境和實(shí)際使用時(shí)差異很大，軟硬件之間的相互作用方式及作用效果也就不同，這也使得難以保證系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下工作的可靠性。因此，系統(tǒng)模擬的有效性是有限的。