（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 陜西 延安 716000）

1.嵌入式系統(tǒng)介紹

如今，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，據(jù)有關(guān)調(diào)查表明，嵌入式系統(tǒng)每年的增長率達(dá)到了18%，發(fā)展勢頭極為迅猛，成為本世紀(jì)重要的角色。

嵌入式系統(tǒng)是嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的簡稱，其核心就是微處理器，主要包括8位、16位與32位，在近幾年各類消費(fèi)及電子產(chǎn)品大量的出現(xiàn)，使得16位與32位架構(gòu)微處理器得到了全方面的應(yīng)用?，F(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)，主要就是16位與32位RISC架構(gòu)的微處理器以及衍生產(chǎn)品。8位微處理器由于年代較早，在我國成為單片機(jī)，已較少使用。

嵌入式系統(tǒng)主要分為：單硅片級、單板級以及多板級，單硅片級主要?dú)w為專用芯片系統(tǒng)，單板級屬于通用芯片系統(tǒng)，而多板級是基于x86架構(gòu)的系統(tǒng)，同樣歸為通用芯片類型。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下幾種發(fā)展趨勢：

（1）嵌入式系統(tǒng)的研究與其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)不斷擴(kuò)大，其設(shè)計(jì)方向會(huì)完成從單一目標(biāo)到多目標(biāo)的轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)者要考慮不同領(lǐng)域、不同需求，考慮包括系統(tǒng)功耗、功能、實(shí)用性、應(yīng)用領(lǐng)域等多方面的要求。

（2）用戶基數(shù)不斷增大，嵌入式系統(tǒng)的涉及方面不斷擴(kuò)大，復(fù)雜程度不斷提高，設(shè)計(jì)規(guī)模逐步擴(kuò)大，發(fā)展速度不斷加快，完成由原來的單機(jī)系統(tǒng)到現(xiàn)在的分布式系統(tǒng)的邁進(jìn)。

（3）硬件的集成度會(huì)顯著提高，因相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體技術(shù)在近幾年的研究速度突飛猛進(jìn)，系統(tǒng)級芯片的成功研發(fā)使存儲(chǔ)器、CPU等在單個(gè)硅片上進(jìn)行集成提供了可靠的技術(shù)保障，并且這種高度集中的硅片正在成為現(xiàn)如今階段嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流系統(tǒng)。

（4）嵌入式技術(shù)在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上得到了大量應(yīng)用，因移動(dòng)設(shè)備的體積、可充電性以及功耗方面的要求，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的集成度將會(huì)逐步提高，并成為移動(dòng)設(shè)備不可缺少的部分。

（5）嵌入式產(chǎn)品的更新速度不斷加快，在如今的科技背景下，各類科技手段的更新?lián)Q代速度正在不斷地提升，這也要求嵌入式產(chǎn)品的更新速度隨時(shí)代要求不斷提升，設(shè)計(jì)者要減少新產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期，加快新產(chǎn)品的問世速度，更多地強(qiáng)調(diào)對設(shè)計(jì)的重用，軟件系統(tǒng)更多地強(qiáng)調(diào)構(gòu)件重用。嵌入式系統(tǒng)中，硬件與軟件相互影響，相互聯(lián)系，相互補(bǔ)充，從而達(dá)到相互提升的作用。

2.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通常采用模塊化、自上而下的設(shè)計(jì)方法，首先是系統(tǒng)需求描述，然后劃分硬件與軟件，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)方法大體上是將硬件與軟件分割成兩個(gè)獨(dú)立的部分，通過硬件設(shè)計(jì)師與軟件設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)，按照相關(guān)流程完成最后的設(shè)計(jì)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，并加以測試，最后使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)到指定設(shè)計(jì)要求。在硬件與軟件劃分完成時(shí)，首先設(shè)計(jì)硬件部分，之后對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)測試，在整個(gè)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)過程基本上可以稱為串行過程，這種設(shè)計(jì)方式對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)提出了較高的要求，沒能夠有效利用過去的開發(fā)成果，導(dǎo)致這種設(shè)計(jì)方案過程拖延，設(shè)計(jì)周期較長，成本較高，無法滿足當(dāng)今快節(jié)奏的科技發(fā)展水平與日益復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品質(zhì)量也令人堪憂，難以有效地進(jìn)行全面應(yīng)用。硬件與軟件的開發(fā)被割裂開來，缺乏有效的溝通交流，不能同步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著設(shè)計(jì)系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，設(shè)計(jì)規(guī)模不斷提高，僅依賴設(shè)計(jì)人員手工完成的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)將超出人員的能力范圍，導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量下降，同時(shí)導(dǎo)致市場競爭力下降。這種設(shè)計(jì)方法的局限性也在一定程度上促進(jìn)了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)生。

3.嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)描述

以軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法是指在系統(tǒng)功能指標(biāo)的管理下，通過分析系統(tǒng)軟硬件的情況、功能以及系統(tǒng)要求，全面挖掘軟硬件之間的共通處，并同時(shí)分析軟硬件自身結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，尋找它們最優(yōu)的結(jié)合點(diǎn)，從而對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的工作效率。和傳統(tǒng)的嵌入式方法不同，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)更注重軟硬件之間的并行性與協(xié)同性，從而改變了原有的把硬件與軟件分割開來所帶來的弊端，利用軟件與硬件二者之間的影響與相互制約關(guān)系協(xié)同設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)高效地工作。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)描述、軟硬件功能劃分、軟硬件綜合技術(shù)、協(xié)同仿真和系統(tǒng)測試驗(yàn)證等多個(gè)方面。

3.1 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)描述是從系統(tǒng)的行為功能以及性能兩個(gè)方面出發(fā)，并采用一種或多種描述語言，對設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行的全面描述過程，是對系統(tǒng)硬件與軟件模型的建立過程。在這個(gè)過程中，系統(tǒng)內(nèi)的行為需要被反復(fù)地測試和驗(yàn)證，以保證對設(shè)計(jì)初期所可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)與糾正，使系統(tǒng)工作更加可靠，效率更高。建立系統(tǒng)模型時(shí)，應(yīng)包含四個(gè)元素。第一個(gè)是性能描述，這個(gè)元素體現(xiàn)了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與面貌，要求對系統(tǒng)輸入或輸出方面以及二者之間的聯(lián)系進(jìn)行說明。第二個(gè)是功能特點(diǎn)，功能特點(diǎn)主要是指系統(tǒng)內(nèi)所完成的各項(xiàng)功能，并對其各項(xiàng)功能與系統(tǒng)本身輸入與輸出的關(guān)系進(jìn)行明確說明。第三為技術(shù)指標(biāo)，技術(shù)指標(biāo)主要用來判斷這個(gè)系統(tǒng)的整體質(zhì)量好壞，并作出有效的說明，使設(shè)計(jì)師了解到今后的設(shè)計(jì)方向。第四是約束條件，約束條件規(guī)定了技術(shù)指標(biāo)的應(yīng)用方面和系統(tǒng)工作環(huán)境的要求，并同時(shí)說明了系統(tǒng)自身性能的缺陷與改進(jìn)指標(biāo)。

3.2 軟硬件功能劃分

軟硬件功能劃分主要是對系統(tǒng)功能和軟硬件的關(guān)系進(jìn)行確定，主要依據(jù)是成本函數(shù)。成本函數(shù)主要考慮軟件執(zhí)行時(shí)間、硬件使用功耗、成本以及模塊之間的并發(fā)性等幾個(gè)方面。

3.3 軟硬件綜合技術(shù)

軟硬件綜合技術(shù)主要是指對軟硬件系統(tǒng)的大體設(shè)計(jì)，成果經(jīng)過系統(tǒng)檢測評價(jià)之后，進(jìn)行細(xì)致的系統(tǒng)制作，按照相應(yīng)的系統(tǒng)要求，對軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使軟硬件協(xié)調(diào)一致地進(jìn)行工作，保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.4 協(xié)同仿真和系統(tǒng)測試驗(yàn)證

這個(gè)方面主要是應(yīng)用硬件描述語言對硬件系統(tǒng)完成描述，同時(shí)采用軟件來搭配硬件的方法，可以完成相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，并顯著縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本，避免浪費(fèi)。

4.嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的具體方法

當(dāng)前，國際上對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用的普遍方案是基于自頂向下理念的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，這種方法是一種合乎規(guī)范的軟硬件描述方法，也是最優(yōu)的軟硬件劃分方案。采用這類方法可以有效地滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，對相關(guān)的問題也能提出最優(yōu)的解決方案。

這種軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的流程為：確定用戶需求，并根據(jù)用戶的需求建立應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)范，之后將軟硬件進(jìn)行劃分以及性能評估工作，并構(gòu)建相應(yīng)的軟/硬件平臺(tái)進(jìn)行測試以及驗(yàn)證。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)具體方法分為以下幾類：

4.1 基于 VHDL 的方法

這類方法將系統(tǒng)功能描述為受到VHDL特性影響的進(jìn)程，其設(shè)計(jì)進(jìn)程被逐步分解，并評估各類系統(tǒng)功能。這類方法對硬件的描述更加方便快捷，保證系統(tǒng)具有良好的可操作性與可靠性。比起其他的軟件描述方法，能更加方便地轉(zhuǎn)換研究開發(fā)內(nèi)容。

4.2 基于有限態(tài)自動(dòng)機(jī)的方法

這類方法可以對硬件模型、軟件模型和系統(tǒng)自身行為進(jìn)行詳盡表述，基于有限態(tài)自動(dòng)機(jī)的方法可以應(yīng)用在對軟硬件的劃分與整合，非常規(guī)范地說明具體實(shí)現(xiàn)的方法及其轉(zhuǎn)換過程。這種方法的缺點(diǎn)在于，其只適用于小規(guī)模嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)，具有一定的局限性。

4.3 基于遺傳算法的劃分方法

采用這種方法，設(shè)計(jì)者可以通過對空間編碼、個(gè)體選擇、群體局部優(yōu)化等多方面進(jìn)行詳盡的研究，對各類算法問題進(jìn)行分析計(jì)算，完成對硬件與軟件之間的劃分。這種方法首先對遺傳和局部優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行確定，之后隨機(jī)生成滿足相應(yīng)條件的解，并獲得最優(yōu)解集，利用遺傳操作完成硬件與軟件之間的劃分工作。應(yīng)用相應(yīng)的算法解決其劃分問題，高效率地完成系統(tǒng)的調(diào)試，降低設(shè)計(jì)成本，避免浪費(fèi)的產(chǎn)生。

4.4 形式化的驗(yàn)證方法

形式化的驗(yàn)證方法具體實(shí)施情況為：建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用相應(yīng)算法來判斷系統(tǒng)的正確與否，驗(yàn)證各項(xiàng)性能指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)。形式化的驗(yàn)證方法的優(yōu)點(diǎn)在于算法更加精確，但其局限性在于這種方法只針對于軟件，無法考慮硬件方面的要求，也不能直接在嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用，所以此類方法只是一種系統(tǒng)驗(yàn)證方法。

4.5 POLIS 方法學(xué)

這種方法學(xué)是對嵌入式系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對微控制器和處理器進(jìn)行組合，形成目標(biāo)結(jié)構(gòu)。這種方法建立在協(xié)同設(shè)計(jì)框架形式基礎(chǔ)上，其模型分為全局異步和局部同步，對于硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行相同的計(jì)算，同步完成對軟硬件的實(shí)現(xiàn)。

5.結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)研究是當(dāng)今時(shí)代一個(gè)非常吸引人的研究課題，也是一個(gè)應(yīng)用廣泛的課題，由于各類先進(jìn)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，各類技術(shù)及產(chǎn)品的更新速度越來越快，基于平臺(tái)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法因其先進(jìn)性、可靠性和高效性正逐步成為主流嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并被廣泛應(yīng)用于各類嵌入式系統(tǒng)中。通過對軟硬件之間關(guān)系的研究與分析，挖掘出它們之間的協(xié)同性與并行性，從而使系統(tǒng)更加高效地進(jìn)行工作完善，降低相應(yīng)成本；將現(xiàn)有的資源進(jìn)行整合與充分利用，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的效率。