牟晉力

（南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基于系統(tǒng)高層次應(yīng)用要求，要以規(guī)則驅(qū)動(dòng)完成設(shè)計(jì)規(guī)范。為了進(jìn)一步滿足上市時(shí)間、應(yīng)用性能等方面的要求，系統(tǒng)芯片一般會(huì)采取軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。

1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)指帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)和功能軟件的合理性集成處理。在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)節(jié)中，要將計(jì)算機(jī)技術(shù)作為核心，實(shí)現(xiàn)軟件硬件可剪裁的控制目標(biāo)，最大程度上提高專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效能。嵌入式系統(tǒng)的硬件由嵌入式處理器、存儲(chǔ)器以及相關(guān)支撐器件組成，確保電氣性能指標(biāo)都能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化處理，完成硬件構(gòu)架和電路原理圖的處理工作[1]。

嵌入式系統(tǒng)的軟件特性就是軟件要求固化存儲(chǔ)，并且要具備高精度、高質(zhì)量以及高可靠性的應(yīng)用代碼，能結(jié)合系統(tǒng)軟件高實(shí)時(shí)性應(yīng)用控制要求，配合多任務(wù)操作系統(tǒng)打造更加可控的知識(shí)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用目標(biāo)，并在一定程度上為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化管理提供保障。

2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)容

在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用體系中，要建立自上而下的系統(tǒng)級(jí)、功能級(jí)、存儲(chǔ)器傳輸級(jí)、門級(jí)以及電路級(jí)應(yīng)用控制平臺(tái)，以保證功能設(shè)計(jì)單元、邏輯設(shè)計(jì)單元等都能協(xié)同管理，維持較為合理的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，提高協(xié)同設(shè)計(jì)的綜合水平。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）軟/硬件協(xié)同驗(yàn)證技術(shù)?；谇度胧接?jì)算機(jī)的應(yīng)用要求，為了解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程存在的問題，不僅要考量產(chǎn)品的損耗，還要對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等指標(biāo)予以關(guān)注，而這會(huì)延長(zhǎng)系統(tǒng)的上市時(shí)間。結(jié)合不同階段的系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估，目前較為常見的軟/硬件協(xié)同驗(yàn)證方式包括仿真驗(yàn)證和形式化驗(yàn)證。軟/硬件協(xié)同驗(yàn)證技術(shù)原理如圖1所示。

（2）IP模塊復(fù)用技術(shù)。建立集成化效果較好的功能單元體系，利用IP模塊就能縮短芯片的設(shè)計(jì)時(shí)間，有效減少設(shè)計(jì)成本和制造成本，維持良好的應(yīng)用控制效果，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。與此同時(shí)，結(jié)合實(shí)際功能特性劃分為硬IP和軟IP，借助可編程片上系統(tǒng)（System on Programmable Chip，SoPC）就能完成多數(shù)軟IP的實(shí)時(shí)性控制處理。此外，軟IP還能實(shí)現(xiàn)重定制、剪裁以及升級(jí)處理，保證資源優(yōu)化效果最優(yōu)化，建立靈活高效的應(yīng)用約束控制平臺(tái)[2]。

（3）模塊和模塊界面間的綜合分析驗(yàn)證技術(shù)。綜合分析驗(yàn)證工作，配合硬件和軟件協(xié)同描述的方式形成集驗(yàn)證、綜合分析等功能于一體的自動(dòng)化開發(fā)環(huán)境。

（4）低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。在差異化設(shè)計(jì)層次上有效完成動(dòng)態(tài)功耗、短路功耗、靜態(tài)功耗參數(shù)的處理，從而減少系統(tǒng)的整體功耗。低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)貫穿整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，并利用調(diào)整閾值電壓、電源電壓等參數(shù)的方式有效避免短路現(xiàn)象。

2.2 具體內(nèi)容

在嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用過程中，要依據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)開展具體工作。

2.2.1 系統(tǒng)描述

利用描述語言對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行表述，主要基于系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境完成統(tǒng)一描述，并實(shí)現(xiàn)軟硬件通用處理。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，需要深入挖掘軟件和硬件之間的協(xié)同性內(nèi)容，具體內(nèi)容見表1[3]。

表1 系統(tǒng)描述內(nèi)容

2.2.2 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)指價(jià)格、速度、可靠性等基礎(chǔ)性指標(biāo)內(nèi)容，能結(jié)合系統(tǒng)的具體環(huán)境要求和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)評(píng)定方式，并且保證設(shè)計(jì)處理控制的規(guī)范效果?；谠u(píng)價(jià)質(zhì)量指標(biāo)體系，能對(duì)控制機(jī)制予以綜合評(píng)估。

2.2.3 約束條件

對(duì)于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)而言，約束條件是保證系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵內(nèi)容，也是判定整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效果較好的基本要素。在約束條件設(shè)置和處理過程中，要按照最優(yōu)化評(píng)估模式開展具體工作，建立針對(duì)不同設(shè)計(jì)要素的資源占用評(píng)估模式，在明確規(guī)定技術(shù)指標(biāo)適用范圍和性能缺陷的基礎(chǔ)上維持整體協(xié)同控制的規(guī)范性[4]。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用過程中，需要完成軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)和應(yīng)用工作[5]。硬件處理就是在廠家綜合庫的技術(shù)支持下完成行為級(jí)、邏輯級(jí)的綜合管理，保證相應(yīng)控制單元的合理規(guī)范，并打造較為完整的應(yīng)用控制模式。代碼優(yōu)化處理指在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后對(duì)系統(tǒng)予以優(yōu)化，結(jié)合數(shù)據(jù)處理器完成代碼選擇和指令選擇，按照調(diào)度的具體標(biāo)準(zhǔn)完成分配處理。

協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)要將設(shè)計(jì)空間作為關(guān)鍵，建立體系結(jié)構(gòu)庫、設(shè)計(jì)庫、成本庫以及系統(tǒng)功能描述等設(shè)計(jì)約束模式，確保設(shè)計(jì)空間搜索任務(wù)能基于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)開展具體工作，并配合不同模型表現(xiàn)出不同的功能特性[6]。從目標(biāo)系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)模式入手，維持良好的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)庫控制效果，按照性能標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)評(píng)估后的劃分處理，形成硬件描述、軟件描述以及軟硬件界面描述協(xié)同控制的模式。

在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容構(gòu)建規(guī)范化綜合控制模式，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和系統(tǒng)仿真測(cè)試的目標(biāo)，提升應(yīng)用約束管理的規(guī)范性，同時(shí)為軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的優(yōu)化予以支持[7]。

3 嵌入式系統(tǒng)中軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的運(yùn)用

3.1 系統(tǒng)級(jí)描述

在建立一種或多種系統(tǒng)級(jí)描述語言的同時(shí)，配合設(shè)計(jì)規(guī)范協(xié)同控制嵌入式系統(tǒng)的功能和性能，完成全面的描述處理，確保軟硬件模型操作應(yīng)用的規(guī)范效果。此外，要完成常量?jī)?yōu)化控制，保證分割界面應(yīng)用的規(guī)范性，實(shí)現(xiàn)硬件溝通、驗(yàn)證和測(cè)試使用的平衡性[8]。一方面，設(shè)計(jì)人員利用非正式語言完成功能處理，并結(jié)合自然語言手工實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的控制處理，配合相應(yīng)工具就能建立完整的應(yīng)用運(yùn)行約束平臺(tái)。另一方面，手工完成系統(tǒng)描述處理模式后，對(duì)后續(xù)過程予以實(shí)時(shí)性整改，保證系統(tǒng)模型控制的規(guī)范性，有效解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化問題，促進(jìn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用效果的提升[9]。

3.2 系統(tǒng)映射

基于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用要求，借助軟硬件功能分配和映射處理2個(gè)環(huán)節(jié)開展后續(xù)工作。系統(tǒng)映射環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)映射環(huán)節(jié)

軟硬件功能分配指合理確定系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的歸屬，分析對(duì)應(yīng)功能的硬件模塊和軟件模塊，從而實(shí)現(xiàn)合理性匹配處理，避免應(yīng)用控制不當(dāng)造成不良影響。硬件能提供較好的性能，軟件則更適合完成開發(fā)和修改。硬件模塊的可配置性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)可編程處理，并且對(duì)應(yīng)的軟件功能具有固件化特點(diǎn)，部分功能能夠同時(shí)利用硬件和軟件完成工作。在考量資源情況的同時(shí)，全面分析系統(tǒng)成本和開發(fā)時(shí)間，最大程度上提高系統(tǒng)映射處理的水平。

3.3 軟硬件綜合應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)軟件功能和硬件功能的匹配性處理，結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)果的仿真驗(yàn)證和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)控制處理，維持協(xié)調(diào)一致性。在仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)，為了避免系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中出現(xiàn)問題而進(jìn)行反復(fù)修改，需要模擬工作環(huán)境和實(shí)際使用狀態(tài)，提升系統(tǒng)模擬的實(shí)效性。例如，匹配軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的車載智能型終端系統(tǒng)本身是嵌入式系統(tǒng)，用戶接口設(shè)置為串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線，配合RS232串口實(shí)現(xiàn)通信，默認(rèn)狀態(tài)僅顯示時(shí)間和消息提示。在撥號(hào)狀態(tài)下，硬件模塊完成信息匯總和存儲(chǔ)，軟件模塊則完成信息的傳送，聯(lián)動(dòng)監(jiān)控中心和設(shè)備建立實(shí)時(shí)性信息交互控制模式[10]。

4 結(jié) 論

綜上所述，嵌入式系統(tǒng)中軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用具有重要的實(shí)踐意義。通過整合正確性評(píng)估模式，確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，提升協(xié)調(diào)工作的水平，同時(shí)也為系統(tǒng)應(yīng)用效能提升提供保障。