硬件-軟件協(xié)同設(shè)計如何徹底改變嵌入式系統(tǒng)
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在快速發(fā)展的技術(shù)世界中，嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成了我們數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。從智能手機到衛(wèi)星，這些系統(tǒng)變得越來越復雜，需要一種新的設(shè)計和開發(fā)方法。進入軟硬件協(xié)同設(shè)計 – 一種正在重塑嵌入式系統(tǒng)工程格局的革命性方法。
本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202503/467475.htm嵌入式系統(tǒng)新時代的曙光
軟硬件協(xié)同設(shè)計不僅僅是一種趨勢;這是一種范式轉(zhuǎn)變，它重新定義了我們進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的方式。隨著設(shè)備變得越來越復雜和互聯(lián)，單獨開發(fā)硬件和軟件的傳統(tǒng)方法已不再適用。協(xié)同設(shè)計提供了一個整體解決方案，使工程師能夠同時優(yōu)化硬件和軟件組件，從而產(chǎn)生更高效、更強大和更具成本效益的系統(tǒng)。
這種集成方法正在徹底改變各行各業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)。從汽車到航空航天，從醫(yī)療保健到消費電子產(chǎn)品，軟硬件協(xié)同設(shè)計正在實現(xiàn)曾經(jīng)被認為不可能的創(chuàng)新。它使公司能夠以更快的速度、更好的性能和更低的成本將產(chǎn)品推向市場。
了解硬件-軟件協(xié)同設(shè)計：一種協(xié)同方法
從本質(zhì)上講，軟硬件協(xié)同設(shè)計是打破硬件和軟件開發(fā)之間的傳統(tǒng)障礙。這是一種將整個系統(tǒng)視為一個整體，而不是作為單獨組件的方法。
歷史背景：從孤島到協(xié)同
從歷史上看，硬件和軟件是孤立開發(fā)的。硬件工程師將設(shè)計物理組件，而軟件工程師將編寫代碼以在該硬件上運行。這種方法通常會導致次優(yōu)設(shè)計，軟件難以充分利用硬件功能，或者硬件無法滿足軟件要求。
協(xié)同設(shè)計的概念出現(xiàn)在 1990 年代，因為工程師們認識到需要一種更加集成的方法。如今，它已成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中必不可少的實踐。
協(xié)同設(shè)計范式的轉(zhuǎn)變
向協(xié)同設(shè)計的轉(zhuǎn)變代表了我們處理系統(tǒng)設(shè)計方式的根本性變化：
統(tǒng)一系統(tǒng)模型：協(xié)同設(shè)計使用代表硬件和軟件元素的統(tǒng)一系統(tǒng)模型，而不是單獨的硬件和軟件模型。
并行開發(fā)：硬件和軟件同時開發(fā)，允許持續(xù)的反饋和優(yōu)化。
設(shè)計空間探索：協(xié)同設(shè)計支持探索不同的硬件-軟件分區(qū)選項，以找到最佳平衡。
系統(tǒng)級優(yōu)化：決策基于整體系統(tǒng)性能，而不僅僅是單個組件的優(yōu)化。
協(xié)同設(shè)計的好處：優(yōu)勢的三重威脅
增強的性能：
- 示例：在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，協(xié)同設(shè)計可能會揭示在硬件 （FPGA） 而不是軟件中實現(xiàn)特定濾波器可以顯著提高處理速度。
- 指標：與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，一些共同設(shè)計的系統(tǒng)的性能提高了 50%。
提高效率：
- 功耗：協(xié)同設(shè)計可以帶來更高效的電源管理。例如，在電池供電的 IoT 設(shè)備中，協(xié)同設(shè)計可能會根據(jù)軟件狀態(tài)對未使用的硬件組件進行動態(tài)電源門控。
- 資源利用率：通過優(yōu)化軟硬件接口，協(xié)同設(shè)計可以減少內(nèi)存需求和芯片面積。
- 示例：在智能手機中，圖形子系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計可以帶來更好的幀速率和更低的功耗。
更快的上市時間：
- 早期集成：盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題，減少代價高昂的后期重新設(shè)計。
- 并行開發(fā)：硬件和軟件團隊可以同時工作，從而縮短整體開發(fā)周期。
- 示例：在汽車行業(yè)，協(xié)同設(shè)計在某些情況下幫助將新車型的開發(fā)時間縮短了 30%。
實踐中的協(xié)同設(shè)計：一個簡短的案例研究
考慮現(xiàn)代智能手表的開發(fā)：
- 傳統(tǒng)方法：硬件團隊設(shè)計處理器、內(nèi)存和傳感器。軟件團隊編寫作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。集成揭示了性能瓶頸和電池壽命問題。
- 協(xié)同設(shè)計方法：
定義了系統(tǒng)級要求（例如，長達一周的電池壽命、實時運行狀況監(jiān)控）。
硬件和軟件是分區(qū)的（例如，用于始終在線顯示的專用硬件，用于偶爾進行復雜計算的軟件）。
開發(fā)同時進行，并定期集成和測試。
跨硬件-軟件邊界進行優(yōu)化（例如，常用軟件功能的硬件加速）。
結(jié)果：滿足性能和功耗要求的更高效的系統(tǒng)。
這種協(xié)同設(shè)計方法使智能手表從簡單的通知設(shè)備發(fā)展成為具有更長電池壽命的復雜健康監(jiān)測工具。
協(xié)同設(shè)計過程：系統(tǒng)開發(fā)的整體方法
硬件-軟件協(xié)同設(shè)計不僅僅是一種技術(shù)方法;它是一個包含整個開發(fā)過程的綜合方法。讓我們通過具體示例更深入地研究每個階段。
系統(tǒng)級設(shè)計和分區(qū)
協(xié)同設(shè)計過程從系統(tǒng)的高級視圖開始。工程師定義系統(tǒng)要求、功能和約束。接下來是分區(qū) – 決定哪些功能將在硬件中實現(xiàn)，哪些功能將在軟件中實現(xiàn)。
示例：無人機自主控制系統(tǒng)
系統(tǒng)要求：
- 實時飛行控制
- 障礙物檢測和避障
- 視頻捕獲和流式傳輸
- 電池續(xù)航時間至少 30 分鐘
分區(qū)決策：
- 硬件：在 FPGA 中實現(xiàn)飛行控制算法以實現(xiàn)低延遲響應(yīng)
- 軟件：在軟件中開發(fā)障礙物檢測算法，以實現(xiàn)靈活性和更輕松的更新
- 硬件：使用專用的圖像信號處理器進行高效的視頻處理
- 軟件：在軟件中實現(xiàn)電池管理和用戶界面
硬件與軟件的權(quán)衡：平衡的藝術(shù)
協(xié)同設(shè)計就是做出明智的權(quán)衡。工程師必須根據(jù)系統(tǒng)要求仔細權(quán)衡這些權(quán)衡。
示例：智能家居安全系統(tǒng)
運動檢測：
- 硬件實現(xiàn)：使用專用的運動檢測芯片，以實現(xiàn)低功耗和快速響應(yīng)。
- 軟件實現(xiàn)：在軟件中實現(xiàn)以獲得更復雜的算法和更輕松的更新。
- 權(quán)衡：選擇硬件方法以實現(xiàn)更低的功耗和可靠性。
視頻分析：
- 硬件實現(xiàn)：使用神經(jīng)處理單元進行快速、高效的圖像識別。
- 軟件實現(xiàn)：使用高級語言為復雜、不斷發(fā)展的算法進行開發(fā)。
- 權(quán)衡：混合方法 – 使用硬件進行基本處理，使用軟件實現(xiàn)高級功能。
并行開發(fā)策略
協(xié)同設(shè)計的關(guān)鍵方面之一是硬件和軟件的并行開發(fā)。這種并發(fā)方法允許早期集成和測試，有助于更快地識別和解決問題。
示例：電動汽車電池管理系統(tǒng)
硬件團隊：
- 開發(fā)電池監(jiān)控電路
- 設(shè)計配電硬件
軟件團隊：
- 開發(fā)電池狀態(tài)估計算法
- 創(chuàng)建電源管理軟件
同期活動：
- 定期集成會議以調(diào)整接口
- 在最終硬件準備就緒之前，使用硬件仿真器進行軟件測試
- 根據(jù)集成結(jié)果對硬件和軟件進行迭代優(yōu)化
協(xié)同設(shè)計環(huán)境中的驗證和確認
協(xié)同設(shè)計在驗證和確認方面帶來了新的挑戰(zhàn)。工程師必須確保硬件和軟件組件無縫協(xié)同工作。
示例：醫(yī)用輸液泵
協(xié)同仿真：
- 使用 Simulink 等工具對硬件（泵機構(gòu)）和軟件（控制算法）組件進行建模
- 模擬各種場景，包括錯誤條件和邊緣情況
硬件在環(huán)測試：
- 將實際泵硬件連接到模擬軟件環(huán)境
- 在實際條件下進行測試軟件控制
形式驗證：
- 使用形式化方法驗證集成系統(tǒng)的關(guān)鍵安全特性
- 確保硬件和軟件交互不會導致不安全的情況
法規(guī)遵從性：
- 進行綜合系統(tǒng)測試，以滿足醫(yī)療器械法規(guī)
- 記錄協(xié)同設(shè)計方法如何確保系統(tǒng)安全性和可靠性
通過遵循這個全面的協(xié)同設(shè)計流程，工程師可以創(chuàng)建更健壯、更高效和創(chuàng)新的嵌入式系統(tǒng)。關(guān)鍵是在整個開發(fā)過程中保持系統(tǒng)的整體視圖，不斷平衡硬件和軟件考慮因素以實現(xiàn)最佳結(jié)果。
協(xié)同設(shè)計的基本工具和技術(shù)
軟硬件協(xié)同設(shè)計的成功在很大程度上取決于支持這種集成方法的工具和技術(shù)。讓我們探索一下行業(yè)中使用的一些關(guān)鍵工具，按它們的主要功能分類。
高級綜合工具
高級綜合 （HLS） 工具徹底改變了硬件設(shè)計。它們允許工程師使用 C 或 C++ 等高級語言描述硬件功能，然后自動轉(zhuǎn)換為硬件描述語言 （HDL）。這彌合了軟件和硬件開發(fā)之間的差距，使軟件工程師更容易為硬件設(shè)計做出貢獻。
常用 HLS 工具的示例包括：
Xilinx Vivado HLS：作為 Vivado Design Suite 的一部分，該工具將 C、C++ 和 SystemC 代碼合成到 Xilinx FPGA 的 RTL 中。
英特爾 HLS 編譯器：該工具專為英特爾 FPGA 設(shè)計，可將 C++ 代碼轉(zhuǎn)換為 RTL，從而針對英特爾的 FPGA 架構(gòu)進行優(yōu)化。
Cadence Stratus HLS：一種獨立于平臺的 HLS 工具，支持 C、C++ 和 SystemC，能夠為 ASIC 和 FPGA 設(shè)計生成 RTL。
Mentor Catapult HLS：提供 C++ 和 SystemC 綜合，具有高級功耗優(yōu)化功能。
硬件描述語言和仿真工具
VHDL 和 Verilog 仍然是硬件設(shè)計的基石。這些語言允許對硬件組件進行詳細描述，并且在協(xié)同設(shè)計過程中是必不可少的。
此類別中的關(guān)鍵工具包括：
ModelSim：一種流行的 HDL 仿真和調(diào)試環(huán)境，支持 VHDL、Verilog 和 SystemVerilog。
Xilinx ISE 和 Vivado：面向 Xilinx FPGA 的全面設(shè)計套件，提供 HDL 綜合、仿真和實現(xiàn)工具。
Intel Quartus Prime：面向 Intel FPGA 的設(shè)計軟件，提供 HDL 編譯、分析和仿真功能。
Synopsys VCS：一款高性能仿真工具，支持各種 HDL 并提供高級調(diào)試功能。
軟件建模和仿真工具
在軟件方面，允許對軟件行為進行準確建模和仿真的工具至關(guān)重要。這些工具有助于了解軟件將如何與硬件交互，甚至在物理硬件可用之前。
示例包括：
MATLAB 和 Simulink：廣泛用于嵌入式系統(tǒng)的算法開發(fā)、建模和仿真。
Qemu：一個開源機器仿真器和虛擬化器，可用于在虛擬化硬件上運行和測試嵌入式軟件。
Wind River Simics：一個全系統(tǒng)模擬器，無需物理硬件即可進行軟件開發(fā)和測試。
Vector CANoe：專門從事汽車嵌入式系統(tǒng)的仿真和測試，特別是那些使用 CAN、LIN 和 FlexRay 協(xié)議的系統(tǒng)。
協(xié)同驗證環(huán)境
協(xié)同驗證工具允許工程師在統(tǒng)一的環(huán)境中仿真和驗證整個系統(tǒng)（包括硬件和軟件）。這對于確保所有組件按預期協(xié)同工作至關(guān)重要。
該領(lǐng)域的關(guān)鍵工具包括：
Synopsys Virtualizer：為軟件開發(fā)和系統(tǒng)驗證提供虛擬原型設(shè)計，支持各種處理器架構(gòu)。
Cadence Palladium Z1：一個允許對硬件和軟件進行高速協(xié)同驗證的仿真平臺。
Mentor Questa：提供支持 UVM（通用驗證方法）和混合信號驗證的綜合驗證平臺。
Aldec HES：基于 FPGA 的仿真系統(tǒng)，用于 SoC 和 ASIC 驗證，可實現(xiàn)高速軟硬件協(xié)同驗證。
嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境 （IDE）
為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)量身定制的 IDE 為編碼、調(diào)試提供了一個統(tǒng)一的平臺，并且通常與硬件設(shè)計工具集成。
流行的 IDE 包括：
Eclipse CDT：一種開源 IDE，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)中的 C/C++ 開發(fā)，具有適用于特定平臺的各種插件。
IAR Embedded Workbench：一個全面的 IDE，支持各種微控制器并提供高級調(diào)試功能。
Keil MDK：專門從事基于 ARM 的微控制器開發(fā)，提供完整的軟件開發(fā)環(huán)境。
STM32CubeIDE：一個高級 C/C++ 開發(fā)平臺，具有面向 STM32 微控制器的外設(shè)配置、代碼生成、代碼編譯和調(diào)試功能。
版本控制和協(xié)作工具
鑒于協(xié)同設(shè)計的協(xié)作性質(zhì)，版本控制和團隊協(xié)作工具是必不可少的。
此類別中的關(guān)鍵工具包括：
Git：使用最廣泛的分布式版本控制系統(tǒng)，通常用于 GitHub 或 GitLab 等平臺。
Perforce Helix Core：硬件設(shè)計環(huán)境中流行的版本控制系統(tǒng)，能夠有效地處理大型二進制文件。
Atlassian Suite（Jira、Confluence）：提供敏捷軟硬件協(xié)同設(shè)計項目中經(jīng)常使用的項目管理和協(xié)作工具。
通過有效利用這些工具，團隊可以簡化協(xié)同設(shè)計流程，改善硬件和軟件工程師之間的協(xié)作，并最終創(chuàng)建更高效、更具創(chuàng)新性的嵌入式系統(tǒng)。工具的選擇通常取決于項目的具體要求、目標硬件平臺和團隊的專業(yè)知識。
軟硬件協(xié)同設(shè)計的實際應(yīng)用
硬件-軟件協(xié)同設(shè)計的影響最好通過其在各個行業(yè)的應(yīng)用來理解。
汽車系統(tǒng)：驅(qū)動未來
在汽車行業(yè)，協(xié)同設(shè)計對于開發(fā)高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 和自動駕駛汽車至關(guān)重要。這些系統(tǒng)需要傳感器、處理器和軟件的緊密集成，才能在瞬間做出決策。協(xié)同設(shè)計允許優(yōu)化性能，同時滿足嚴格的安全性和可靠性標準。
消費電子產(chǎn)品：更智能、更快、更小
智能手機和 IoT 設(shè)備是協(xié)同設(shè)計的完美示例。對小尺寸和低功耗的高性能需求要求硬件和軟件設(shè)計采用緊密集成的方法。
航空航天和國防：達到新的高度
在航空航天領(lǐng)域，協(xié)同設(shè)計用于開發(fā)航空電子系統(tǒng)和通信設(shè)備。這些系統(tǒng)必須在極端條件下可靠運行，因此硬件和軟件的集成至關(guān)重要。
醫(yī)療器械：為健康而創(chuàng)新
可穿戴健康監(jiān)測器和診斷設(shè)備從協(xié)同設(shè)計中受益匪淺。這些設(shè)備需要體積小、節(jié)能且高度可靠 - 這些都是有效軟硬件集成的標志。
軟硬件協(xié)同設(shè)計的挑戰(zhàn)
雖然協(xié)同設(shè)計提供了許多好處，但它也帶來了一系列挑戰(zhàn)。
管理大型系統(tǒng)中的復雜性
隨著系統(tǒng)變得越來越復雜，管理協(xié)同設(shè)計過程變得越來越困難。工程師必須處理大量的變量和相互依賴關(guān)系。
平衡性能和功耗
在許多嵌入式系統(tǒng)中，尤其是移動和 IoT 設(shè)備，在最大限度地提高性能和最大限度地降低功耗之間一直存在著斗爭。協(xié)同設(shè)計在找到正確的平衡方面起著至關(guān)重要的作用。
確?；ミB系統(tǒng)的安全性
隨著 IoT 和互聯(lián)設(shè)備的興起，安全性已成為一個主要問題。協(xié)同設(shè)計必須考慮硬件和軟件級別的安全性。
跟上快速發(fā)展的技術(shù)
嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。協(xié)同設(shè)計方法和工具必須不斷適應(yīng)新技術(shù)和范式。
成功協(xié)同設(shè)計的最佳實踐
為了克服這些挑戰(zhàn)并獲得協(xié)同設(shè)計的好處，遵循最佳實踐至關(guān)重要。
在硬件和軟件團隊之間建立清晰的溝通
有效的溝通是成功的協(xié)同設(shè)計的基石。硬件和軟件團隊必須密切合作，共同分享見解并應(yīng)對挑戰(zhàn)。
實施有效的版本控制和變更管理
隨著硬件和軟件的并行開發(fā)，強大的版本控制和變更管理流程對于保持一切同步至關(guān)重要。
在協(xié)同設(shè)計項目中利用敏捷方法
適用于軟硬件協(xié)同設(shè)計的敏捷方法可以幫助團隊更快地響應(yīng)變化，并在整個開發(fā)過程中整合反饋。
持續(xù)集成和測試策略
定期集成和測試硬件和軟件組件有助于及早發(fā)現(xiàn)問題，降低開發(fā)周期后期出現(xiàn)重大問題的風險。
軟硬件協(xié)同設(shè)計的未來
展望未來，幾個趨勢正在塑造軟硬件協(xié)同設(shè)計的發(fā)展。
協(xié)同設(shè)計中的人工智能和機器學習
AI 和 ML 不僅僅是嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用;它們也正在成為協(xié)同設(shè)計過程本身的工具。AI 輔助設(shè)計工具正在幫助工程師在軟硬件分區(qū)和優(yōu)化方面做出更好的決策。
協(xié)同設(shè)計在邊緣計算和 5G 技術(shù)中的作用
隨著邊緣計算和 5G 網(wǎng)絡(luò)變得越來越普遍，協(xié)同設(shè)計將在開發(fā)高效、高性能的系統(tǒng)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些系統(tǒng)可以以最小的延遲在本地處理數(shù)據(jù)。
新興趨勢：量子計算和神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)
展望未來，量子計算和神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)為協(xié)同設(shè)計提出了新的前沿。這些技術(shù)將需要全新的方法來集成硬件和軟件。
軟硬件協(xié)同設(shè)計的職業(yè)機會
軟硬件協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域為具有合適技能的人提供了令人興奮的職業(yè)機會。
協(xié)同設(shè)計專業(yè)人士的熱門技能
該領(lǐng)域的專業(yè)人士需要獨特的技能組合，包括：
- 對硬件和軟件原理有深入的理解
- 熟練掌握硬件描述語言和高級編程語言
- 系統(tǒng)級思維和解決問題的能力
- 了解各種設(shè)計和仿真工具
協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域的工作角色和職責
協(xié)同設(shè)計的職業(yè)道路包括：
- 嵌入式系統(tǒng)工程師
- 硬件-軟件集成專家 （Hardware-Software Integration Specialist）
- 系統(tǒng)架構(gòu)師
- FPGA 設(shè)計師
- IoT 解決方案開發(fā)人員
行業(yè)需求和薪酬趨勢
對擅長軟硬件協(xié)同設(shè)計的專業(yè)人員的需求正在迅速增長。根據(jù)最近的行業(yè)報告，這些職位的薪水一直高于科技行業(yè)的平均水平，這反映了對這些專業(yè)技能的高度重視。
結(jié)論：擁抱協(xié)同設(shè)計革命
硬件-軟件協(xié)同設(shè)計不僅僅是一種方法;這是我們進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方式的根本性轉(zhuǎn)變。隨著設(shè)備變得越來越復雜和互聯(lián)，協(xié)同設(shè)計硬件和軟件的能力對于創(chuàng)新和競爭力至關(guān)重要。
嵌入式系統(tǒng)的未來在于這種集成方法。從自動駕駛汽車到智慧城市，從可穿戴健康監(jiān)測器到下一代智能手機，軟硬件協(xié)同設(shè)計將成為塑造我們世界的技術(shù)的核心。
對于有抱負的工程師和經(jīng)驗豐富的專業(yè)人士來說，掌握軟硬件協(xié)同設(shè)計的藝術(shù)和科學可以打開一個充滿機遇的世界。這是一個需要不斷學習和適應(yīng)的領(lǐng)域，但在技術(shù)前沿工作也帶來了回報。
當我們站在新技術(shù)前沿的邊緣時，有一點很清楚：那些能夠彌合硬件和軟件之間差距的人將成為我們數(shù)字未來的架構(gòu)師。掌握軟硬件協(xié)同設(shè)計的旅程充滿挑戰(zhàn)，但目的地 - 一個更智能、更高效、更具創(chuàng)新性的嵌入式系統(tǒng)的世界 - 非常值得付出努力。
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