宋 蕊，謝白玉

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)從出現(xiàn)至今已經(jīng)有30 多年了。 它廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子、航空航天、汽車電子、醫(yī)療保健、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)被各行各業(yè)的人們所熟悉。 但“嵌入式系統(tǒng)”本身是一個(gè)相對(duì)模糊的概念，人們很難給其一個(gè)確切的定義。 目前，國內(nèi)普遍認(rèn)為：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。 它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等4 個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)從以普通PC 機(jī)為主流的時(shí)代慢慢步入到“后PC(Post-PC)”時(shí)代。 在計(jì)算機(jī)進(jìn)入后PC 時(shí)代以后的幾年，嵌入式系統(tǒng)取得了前所未有的發(fā)展，并在工業(yè)控制、信息家電、智能儀表、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 目前，在世界范圍內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1 萬億美元。 可以毫不夸張地說，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入到現(xiàn)代社會(huì)中人們生活的方方面面， 它 “無處不在”。 然而，嵌入式系統(tǒng)的巨大發(fā)展和需求必將引起其設(shè)計(jì)方法的不斷演變， 加之它具有很強(qiáng)的專用性，可移植性差，這樣，一套完備、高效的設(shè)計(jì)體系就顯得十分必要，因而，分析和探討嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法也就有著十分深遠(yuǎn)的意義。

1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展背景

應(yīng)用需求的牽引、芯片技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)，使得嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不斷演化[2]。

1.1 應(yīng)用需求的牽引

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)。 也就是說，嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，必須根據(jù)應(yīng)用需求，對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。 所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，再在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。

1.2 芯片技術(shù)的發(fā)展

芯片技術(shù)的發(fā)展使得單個(gè)芯片具有更強(qiáng)的處理能力，而且使集成多種接口成為可能。 由于對(duì)產(chǎn)品可靠性、成本、更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸從純硬件或使用通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用中脫穎而出，成為近年來令人關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.3 計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)

（1）計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)性能的大幅度提高使很多復(fù)雜算法和方便使用的界面得以實(shí)現(xiàn)，大大提高了工作效率，給復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)提供了物理基礎(chǔ)。

（2）高性能的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，簡(jiǎn)稱EDA）綜合開發(fā)工具得到長(zhǎng)足發(fā)展，而且其自動(dòng)化和智能化程度不斷提高， 為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了不同用途和不同級(jí)別的編輯、布局、布線、編譯、綜合、模擬、測(cè)試、驗(yàn)證和器件編程等一體化的、易于學(xué)習(xí)和方便使用的開發(fā)集成環(huán)境。

（3）硬件 描 述 語 言HDL(Hardware Description Language)為復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了建立各種硬件模型的工具媒介。用HDL 來描述集成電路的功能和結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過不同級(jí)別的驗(yàn)證，形成不同級(jí)別的IP(Intellectual Property)內(nèi)核模塊，供芯片設(shè)計(jì)人員裝配或集成選用。 IP 內(nèi)核模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)并經(jīng)過驗(yàn)證的、具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。 它按照行為(behavior)、結(jié)構(gòu)(structure)和物理(physical)3 級(jí)不同程度進(jìn)行設(shè)計(jì)， 對(duì)應(yīng)有描述行為功能的“軟IP 內(nèi)核(Soft IP Core)”、主要描述結(jié)構(gòu)的“固IP 內(nèi)核(Firm IP Core)”和基于物理描述并經(jīng)過驗(yàn)證的“硬IP 內(nèi)核(Hard IP Core)”3 個(gè)層次。 豐富的IP 內(nèi)核模塊庫為快速設(shè)計(jì)專用集成電路和單片系統(tǒng)提供了基本保證，也給電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了重大變革。

2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的比較

不同于標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上的應(yīng)用軟件開發(fā)，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)意味著軟件與硬件的并行設(shè)計(jì)。 在開發(fā)之前，要明確嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程。 根據(jù)開發(fā)流程，嵌入式系統(tǒng)有以下3 種設(shè)計(jì)方法。

2.1 流線型設(shè)計(jì)方法

流線型設(shè)計(jì)方法又稱硬件優(yōu)先設(shè)計(jì)方法[3]，即設(shè)計(jì)過程按照從硬件到軟件的流水線進(jìn)行。 其設(shè)計(jì)過程可分為3 步：（1）準(zhǔn)備階段。 依據(jù)功能、能耗、造價(jià)等因素進(jìn)行需求分析，并進(jìn)行軟、硬件功能分配。（2）軟、硬件設(shè)計(jì)實(shí)施階段。 軟、硬件的設(shè)計(jì)主要基于各系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的水平，軟件部分的設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試完成后進(jìn)行。 （3）測(cè)試系統(tǒng)，即評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 流線型設(shè)計(jì)方法的具體過程如圖1所示。

圖1 流線型設(shè)計(jì)過程Fig.1 Streamline design process

從圖1 可以看出，采用該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，任何一個(gè)中間環(huán)節(jié)的阻塞都會(huì)影響其他環(huán)節(jié)的開發(fā)；軟件設(shè)計(jì)者必須等到一個(gè)完善的硬件工程完工，才能開始設(shè)計(jì)；只有在設(shè)計(jì)的最后階段，設(shè)計(jì)者才能檢驗(yàn)軟硬件功能分配的正確性， 如果有任何錯(cuò)誤，整個(gè)設(shè)計(jì)流程必須重新開始。 盡管如此，硬件優(yōu)先設(shè)計(jì)方法仍是有價(jià)值的方法，尤其對(duì)于中低復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)殚_始階段的功能分配所需的時(shí)間比別的方法少，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者可使用成熟的組件流程，利用已有的經(jīng)驗(yàn)盡量減小設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。 另外，嵌入式操作系統(tǒng)的引入簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 然而，對(duì)于高端的嵌入式系統(tǒng)，需要在早期設(shè)計(jì)階段就能識(shí)別出錯(cuò)誤。 因此，流線型設(shè)計(jì)方法只適用于小型及中低復(fù)雜度系統(tǒng)，在人力物力資源有限、對(duì)開發(fā)周期要求不高的場(chǎng)合比較實(shí)用。 在該模式下，要求開發(fā)人員對(duì)軟、硬件設(shè)計(jì)和制作都比較熟悉。

2.2 V 型設(shè)計(jì)方法

V 型設(shè)計(jì)方法[4]是一種并行的設(shè)計(jì)方法，即硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行，最后聯(lián)合調(diào)試。 其設(shè)計(jì)過程分為3 步：（1）需求分析，總體設(shè)計(jì)。 這與流線型設(shè)計(jì)方法相同，依據(jù)規(guī)格要求，通過需求分析，建立對(duì)系統(tǒng)功能的完整描述，然后分解軟硬件功能。 （2）軟、硬件設(shè)計(jì)。 在此階段，軟、硬件設(shè)計(jì)同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行，互不影響，縮短了開發(fā)周期，這一點(diǎn)不同于流線型設(shè)計(jì)方法。 （3）系統(tǒng)集成、測(cè)試與驗(yàn)證。將軟件和硬件集合在一起，編譯測(cè)試，并且評(píng)估能否符合系統(tǒng)規(guī)格。 若不能，軟硬件功能分配就重新開始。 具體設(shè)計(jì)過程如圖2 所示。

圖2 V 型設(shè)計(jì)過程Fig.2 V-type design process

由圖2 可以看出，采用V 型設(shè)計(jì)方法，硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)互不影響，縮短了開發(fā)周期，適合于開發(fā)人力物力資源比較豐富、系統(tǒng)比較龐大的場(chǎng)合。但在該模式開發(fā)過程中， 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的可移植性差，而驅(qū)動(dòng)程序與硬件和操作系統(tǒng)均有密切相關(guān)性，這就要求每個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)人員都具有軟件和硬件的知識(shí)背景。

2.3 軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法

V 型設(shè)計(jì)方法把軟、硬件分開獨(dú)立設(shè)計(jì)，只能改善其各自的性能，而不能對(duì)系統(tǒng)做出較好的性能集成和優(yōu)化。 針對(duì)V 型設(shè)計(jì)方法在軟、硬件開發(fā)中的缺陷，軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生。 它在V 型設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，增加了硬件抽象層[5]，該層對(duì)系統(tǒng)軟、硬件起著隔離作用，從而提高了系統(tǒng)軟件的可移植性，可有效地利用人力資源、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品的可靠性。 軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法是以IP 內(nèi)核庫為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的，設(shè)計(jì)過程可分為4 個(gè)步驟：（1）需求分析，總體設(shè)計(jì)。 軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的第一步集中在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的形式化規(guī)格上，即建立一個(gè)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的完整描述體系，結(jié)果是對(duì)系統(tǒng)功能的分解。 它采取一套組件的形式，具有全球通用性的功能。 功能性組件能夠用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。 因?yàn)槭褂昧诵问交枋龇椒?，使有選擇地實(shí)施這些組件成為可能。 功能分配的目的是評(píng)估軟、硬件選擇，即依據(jù)功能組件的屬性， 選擇用硬件還是用軟件最優(yōu)，評(píng)估過程是基于不同的條件的。 （2）定義硬件抽象層接口。 以確保軟、硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試工作能夠在相同的接口上進(jìn)行，從而有利于最終的軟、硬件集成測(cè)試。 （3）軟、硬件的實(shí)現(xiàn)。 硬件組件能夠用VHDL 語言實(shí)現(xiàn)，之后需要做基于硬件抽象層的硬件驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和硬件調(diào)試。 軟件使用編程語言JAVA，C，C++編碼， 之后需要做基于硬件抽象層的虛擬硬件驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和軟件調(diào)試。（4）系統(tǒng)集成。它將軟件和硬件集合在一起，并且評(píng)估是否能與系統(tǒng)規(guī)格融合編譯。若不能，軟、硬件功能分配就重新開始。軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程如圖3 所示。

在軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法[6]的開發(fā)過程中，軟、硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試具有無關(guān)性，并可完全地并行進(jìn)行，這樣就大大縮短系統(tǒng)的測(cè)試周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。 由于軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是基于運(yùn)算法則的，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠在早期得到檢驗(yàn)和修改。 為了執(zhí)行實(shí)時(shí)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)開發(fā)者必須使用可以利用的組件，例如IP 內(nèi)核模塊。 IP 內(nèi)核模塊是單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，究竟購買哪一級(jí)IP內(nèi)核模塊，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)、時(shí)間、資金和其他條件權(quán)衡確定。 購買硬IP 內(nèi)核模塊風(fēng)險(xiǎn)最小，但代價(jià)最高。 但總的來說，通過購買IP 內(nèi)核模塊不僅可以降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，還能節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。因?yàn)橐话阗徺IIP 內(nèi)核模塊的費(fèi)用要低于自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的費(fèi)用。 軟、硬交互法的缺陷是一般用戶不了解硬件組件或IP 內(nèi)核模塊的內(nèi)部機(jī)制，限制了選取微處理器組件的自由度。

圖3 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程Fig.3 Co-design process of software and hardware

3 結(jié)語

從應(yīng)用開發(fā)的角度看，嵌入式系統(tǒng)的3 種設(shè)計(jì)方法在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)并存，不會(huì)簡(jiǎn)單地出現(xiàn)“后者取代前者”的現(xiàn)象。 具體設(shè)計(jì)方法的選取主要視嵌入式系統(tǒng)的組件數(shù)量、組件復(fù)雜度、開發(fā)難度等參數(shù)而定。 目前，軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)已成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的研究熱點(diǎn)，研究的根本目的是發(fā)現(xiàn)并且優(yōu)化那些用于評(píng)估分配功能的規(guī)則，理論上可能使軟、硬件交互設(shè)計(jì)成為自動(dòng)過程。 現(xiàn)在，秉承了軟、 硬件協(xié)同設(shè)計(jì)思想的CAD 工具正在被開發(fā)，借助這些工具，會(huì)產(chǎn)生有效的解決方案。

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