關于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計

　　傳統(tǒng)的先硬件后軟件嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)設計模式需要反復修改、反復試驗，整個設計過程在很大程度上依賴于設計者的經(jīng)驗，設計周期長、開發(fā)成本高，在反復修改過程中，常常會在某些方面背離原始設計的要求。

　　軟硬件協(xié)同設計是為解決上述問題而提出的一種全新的系統(tǒng)設計思想。他依據(jù)系統(tǒng)目標要求，通過綜合分析系統(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)同設計軟硬件體系結構，以便系統(tǒng)能工作在最佳工作狀態(tài).種設計方法，可以充分利用現(xiàn)有的軟硬件資源，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高系統(tǒng)性能，避免由于獨立設計軟硬件體系結構而帶來的弊端。

　　將這一設計思想應用在實際產(chǎn)品開發(fā)上離不開EDA工具的幫助，本文也將對幾種比較成熟的協(xié)同設計EDA工具加以簡單介紹

　　
1 協(xié)同設計與傳統(tǒng)設計方法的比較

　　嵌入式系統(tǒng)是由若干個功能模塊組成的，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。在過去幾十年內(nèi)，系統(tǒng)的設計方法經(jīng)歷了很大的變化，有自上向下的設計方法，也有模塊化設計方法，他們總體上都是硬件模塊優(yōu)先的設計方法，將其統(tǒng)稱為傳統(tǒng)的設計方法。

　　這種設計方法將硬件和軟件分為兩個獨立的部分。在整個設計過程中，通常采?quot;硬件優(yōu)先的原則"，即在粗略估計軟件任務需求的情況下，首先進行硬件設計，然后在此硬件設計平臺上進行軟件設計。由于在硬件設計過程中缺乏對軟件構架和實現(xiàn)機制的清晰了解，硬件設計工作帶有一定的盲目性。他的系統(tǒng)優(yōu)化由于設計空間的限制，只能改善硬件／軟件各自的性能，不可能對系統(tǒng)做出較好的綜合優(yōu)化，得到的最終設計結果很難充分利用硬軟件資源，難以適應現(xiàn)代復雜的、大規(guī)模的系統(tǒng)設計任務。

　　而嵌人式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計是讓軟件設計和硬件設計作為一個整體并行設計，找到軟硬件的最佳結合點，從而使系統(tǒng)高效工作。

　　軟硬件協(xié)同設計最主要的一個優(yōu)點就是在設計過程中，硬件和軟件設計是相互作用的，這種相互作用發(fā)生在設計過程的各個階段和各個層次。

　　設計過程充分體現(xiàn)了軟硬件的協(xié)同性。在軟硬件功能分配時就考慮到了現(xiàn)有的軟硬件資源，在軟硬件功能的設計和仿真評價過程中，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計開發(fā)的早期互相結合，從而及早發(fā)現(xiàn)問題及早解決，避免了(至少可以減少)在設計開發(fā)后期反復修改系統(tǒng)以及由此帶來的一系列問題，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。

　　
2 軟硬件協(xié)同設計的過程

　　總的來說，軟硬件協(xié)同設計的系統(tǒng)設計過程可以分為系統(tǒng)描述、系統(tǒng)設計、仿真驗證與綜合實現(xiàn)4個階段。

　　系統(tǒng)描述是用一種或多種系統(tǒng)級描述語言對所要設計的嵌入式系統(tǒng)的功能和性能進行全面的描述，建立系統(tǒng)的軟硬件模型的過程。系統(tǒng)建模可以由設計者用非正式語言，甚至是自然語言來手工完成，也可以借助EDA工具實現(xiàn)。手工完成容易導致系統(tǒng)描述不準確，在后續(xù)過程中需要修改系統(tǒng)模型，從而使系統(tǒng)設計復雜化等問題，而優(yōu)秀的EDA工具可以克服這些弊端。

　　對于嵌人式系統(tǒng)來說，系統(tǒng)設計可以分為軟硬件功能分配和系統(tǒng)映射2個階段。軟硬件功能分配就是要確定哪些系統(tǒng)功能由硬件模塊來實現(xiàn)，哪些系統(tǒng)功能由軟件模塊來實現(xiàn)。硬件一般能夠提供更好的性能，而軟件更容易開發(fā)和修改，成本相對較低。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現(xiàn)，又能用硬件實現(xiàn)，軟硬件的界限已經(jīng)不十分明顯。此外在進行軟硬件功能分配時，既要考慮市場可以提供的資源狀況，又要考慮系統(tǒng)成本、開發(fā)時間等諸多因素。因此，軟硬件的功能劃分是一個復雜而艱苦的過程，是整個任務流程最重要的環(huán)節(jié)。

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

　　仿真驗證是檢驗系統(tǒng)設計正確性的過程。他對設計結果的正確性進行評估，以達到避免在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題時再進行反復修改的目的。在系統(tǒng)仿真驗證的過程中，模擬的工作環(huán)境和實際使用時差異很大，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。

　　軟硬件綜合就是軟件、硬件系統(tǒng)的具體制作。設計結果經(jīng)過仿真驗證后，可按系統(tǒng)設計的要求進行系統(tǒng)制作，即按照前述工作的要求設計硬件軟件，并使他們能夠協(xié)調(diào)一致地工作，制作完成后即可進行現(xiàn)場實驗。

　　
3 協(xié)同設計．EDA工具簡介

　　軟硬件協(xié)同設計比較有代表性的EDA工具有CORSAIR，COOL和POLIS。這幾個系統(tǒng)都是從系統(tǒng)級的系統(tǒng)行為描述開始，經(jīng)過成本的估計，軟硬件劃分、軟硬件的協(xié)同綜合、模擬，最后到板級的快速原型(除CO()L外)。原型板一般包含MCU以及ASIC或FPGA。軟件部分在微處理器或者微控制器上運行，硬件部分在ASIC或FPGA上實現(xiàn)。


　　CORSAIR的系統(tǒng)描述階段用SDL和PMSC兩者相結合對系統(tǒng)進行建模。SDL是一種基于有限狀態(tài)機語義的面向對象的系統(tǒng)說明描述語言。CORSAIR用他來描述系統(tǒng)的行為功能。而系統(tǒng)的性能需求則由PMSC來描述。COOL使用VHDL語言作為系統(tǒng)的描述語言。在POLIS中，設計者使用某種具有擴展有限狀態(tài)機語義的高級語言(比如VHDL的可綜合的子集)進行系統(tǒng)描述。這幾個系統(tǒng)的計算模型基本上都是限定在擴展的FSM。當前，在系統(tǒng)的設計中，使用UlMI。作為系統(tǒng)建模語言是很有前景的發(fā)展方向。

　　軟硬件劃分方面，POLIS需要由手工實現(xiàn)，其他兩種工具可以自動劃分。CORSAIR的目標體系結構是多處理器多FPGA，COOL是多處理器，而POUS是單處理器。

　　這幾種系統(tǒng)協(xié)同綜合階段的目的就是生成硬件的硬件描述語言和軟件的C代碼，并對他們進行協(xié)同模擬。

　　
4 結 語

　　作為一種全新的設計思想，軟硬件協(xié)同設計通過挖掘軟硬件之間的協(xié)同性，可以克服傳統(tǒng)設計方法中把軟件和硬件分開設計而帶來的弊端，使整個設計過程以及設計出來的產(chǎn)品能夠高效地工作。隨著CAD技術的發(fā)展，EDA工具對軟硬件協(xié)同設計技術的支持將越來越多，協(xié)同設計技術在系統(tǒng)設計中的作用也將越來越重要。