嵌入式系統(tǒng)中軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究＊

康鴻雁

(菏澤學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系,山東菏澤274015)

嵌入式系統(tǒng)中軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究＊

康鴻雁

(菏澤學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系,山東菏澤274015)

協(xié)同設(shè)計(jì)作為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要方法,克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺陷.通過(guò)綜合分析系統(tǒng)軟硬件功能,最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件之間的并發(fā)性,使軟硬件開(kāi)發(fā)緊密結(jié)合.從方法學(xué)的角度,結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì),介紹了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的流程和一些關(guān)鍵技術(shù).利用這種方法,大大提高了設(shè)計(jì)的可行性,降低了工作難度,減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期,提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量.最后結(jié)合具體的例子介紹了協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn).

嵌入式系統(tǒng);軟硬件;協(xié)同設(shè)計(jì)

引言

嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防各個(gè)領(lǐng)域,發(fā)展非常迅速.調(diào)查數(shù)據(jù)表明,嵌入式系統(tǒng)的增長(zhǎng)為每年18%,大約是整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)平均增長(zhǎng)的兩倍.嵌入式系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的綜合體,它是以應(yīng)用為中心、對(duì)系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)都有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng).隨著嵌入式系統(tǒng)用戶需求和相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象由單機(jī)走向分布式系統(tǒng),要求由單目標(biāo)走向多目標(biāo).產(chǎn)品更新速度快,要求設(shè)計(jì)周期不斷縮短.新產(chǎn)品的問(wèn)世時(shí)間不斷減少,就要求嵌入式設(shè)計(jì)不斷引入新的設(shè)計(jì)方法.傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般采用自上而下或模塊化的設(shè)計(jì)方法,總體上都是硬件模塊優(yōu)先的設(shè)計(jì)方法.其基本的設(shè)計(jì)思路如圖1所示[1].

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法流程圖

這種設(shè)計(jì)方法將硬件和軟件分成兩個(gè)獨(dú)立的部分,由硬件工程師和軟件工程師按照流程分別完成,在設(shè)計(jì)時(shí)采用反復(fù)試驗(yàn)法,即通過(guò)反復(fù)修改、反復(fù)試驗(yàn)的方法使產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)要求.系統(tǒng)軟件和硬件劃分完成以后,首先進(jìn)行硬件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),再進(jìn)行軟件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程基本上是一個(gè)串行過(guò)程.依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、費(fèi)用開(kāi)支大,產(chǎn)品質(zhì)量難以保證.這種設(shè)計(jì)方法只能改善硬件和軟件各自的性能,難以充分利用有限的軟硬件資源,無(wú)法滿足規(guī)模日益增加、系統(tǒng)功能日益復(fù)雜的現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.理論和實(shí)踐都要求以一種新的設(shè)計(jì)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)方式,于是以軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)為主要特征的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生.這種設(shè)計(jì)方法是在系統(tǒng)功能指標(biāo)的統(tǒng)管下,通過(guò)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)同軟硬件體系結(jié)構(gòu),找到軟硬件的最佳結(jié)合點(diǎn),從而使系統(tǒng)高效工作的一種現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì).

從理論上來(lái)說(shuō),每一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng),都存在一個(gè)適合該系統(tǒng)的軟件、硬件功能的最佳組合[2],如何從應(yīng)用系統(tǒng)需求出發(fā),依據(jù)一定的指導(dǎo)原則和分配算法對(duì)硬件/軟件功能進(jìn)行分析及合理的劃分,從而使系統(tǒng)的整體性能、運(yùn)行時(shí)間、電耗等達(dá)到最佳狀態(tài),已經(jīng)成為硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)(Hardware/Sof tware Co -design)重要研究?jī)?nèi)容之一.

1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程

與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同,軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)軟件和硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的并行性和相互反饋,克服了傳統(tǒng)方法中把軟件和硬件分開(kāi)設(shè)計(jì)所帶來(lái)的種種弊端,協(xié)調(diào)軟件和硬件之間的制約關(guān)系,達(dá)到系統(tǒng)高效工作的目的,軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)提高了設(shè)計(jì)抽象的層次,拓展了設(shè)計(jì)覆蓋的范圍.嵌入式協(xié)同設(shè)計(jì)的思路如圖2所示[3].

圖2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖

1.1 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)描述是采用一種或多種系統(tǒng)級(jí)描述語(yǔ)言對(duì)所需設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)的行為功能和性能進(jìn)行全面的描述,是建立系統(tǒng)軟硬件模型的過(guò)程.在這個(gè)階段,常需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的行為進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證,以期在設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段就能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)行為設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤.軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)要全面描述系統(tǒng)功能、精確建立系統(tǒng)模型、深入挖掘軟硬件之間的協(xié)同性,以使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效的工作.系統(tǒng)模型應(yīng)體現(xiàn)以下的因素.

1)性能描述性能描述反映的是系統(tǒng)的整體面貌及體系結(jié)構(gòu),它應(yīng)該明確地或隱含的說(shuō)明系統(tǒng)輸入/輸出及相關(guān)的中間狀態(tài)及其相互之間的關(guān)系.

2)功能特點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)該完成的基本功能,應(yīng)明確表述各項(xiàng)功能特點(diǎn)與系統(tǒng)輸入、輸出及中間狀態(tài)之間的關(guān)系.

3)技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)質(zhì)量的指標(biāo)體系.

4)約束條件規(guī)定技術(shù)指標(biāo)的適用范圍、系統(tǒng)的工作環(huán)境要求以及系統(tǒng)性能的缺陷和不足等.

采用的方法包括有限態(tài)自動(dòng)機(jī)、統(tǒng)一化的規(guī)格語(yǔ)言或其它基于圖形的表示工具,作用是對(duì)軟硬件統(tǒng)一表示,使系統(tǒng)軟件、硬件功能折衷及系統(tǒng)功能可以方便地在硬件和軟件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移,便于功能的劃分和綜合.

1.2 軟硬件功能劃分

軟硬件功能劃分就是要確定哪些系統(tǒng)功能由硬件模塊實(shí)現(xiàn),哪些由軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),由功能分解算法根據(jù)一定的約束條件來(lái)確定.分解算法可以根據(jù)分解的起始點(diǎn)、分解的粒度、分解的自動(dòng)化程度等不同特征進(jìn)行分類.成本函數(shù)是進(jìn)行軟硬件功能劃分方案選擇的依據(jù),成本函數(shù)考慮的主要因素有:軟件的執(zhí)行時(shí)間、硬件的成本、使用期的功耗、模塊間的并發(fā)性和重用性等.

成本函數(shù)描述如下:

功能劃分問(wèn)題的本質(zhì)其實(shí)就是一類組合優(yōu)化問(wèn)題,模型和求解算法的選擇是解決軟硬件功能劃分問(wèn)題的關(guān)鍵.目前常用的劃分算法有:免疫遺傳算法、遺傳算法、模擬退火算法、整數(shù)線性規(guī)劃算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法、基因算法、貪婪算法等.

1.3 軟件/硬件綜合技術(shù)[4]

軟硬件綜合實(shí)現(xiàn)是指軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)的具體制作.設(shè)計(jì)結(jié)果經(jīng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)確認(rèn)后,即可按設(shè)計(jì)要求精心系統(tǒng)制作.即按照前述工作的要求,定制硬件、設(shè)計(jì)軟件,并使它們能夠協(xié)調(diào)一致的工作.

在系統(tǒng)功能分解之后,組成嵌入式系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)可利用相應(yīng)的綜合工具,通過(guò)對(duì)分解后的功能描述的綜合處理來(lái)獲得.硬件構(gòu)件的綜合可由硬件高層綜合、邏輯綜合、版圖綜合等幾個(gè)不同階段構(gòu)成.軟件構(gòu)件的綜合包括硬件高級(jí)綜合、編譯、匯編等幾個(gè)階段.接口綜合包括為硬件構(gòu)件添加鎖存器、FIFOs、地址譯碼器,為軟件構(gòu)件添加輸入/輸出操作、同步操作.確定系統(tǒng)采用的硬件模塊(如MCU,DSP,FPGA,存儲(chǔ)器,I/O接口等)、軟件模塊(如操作系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)程序,功能模塊等)和軟硬件模塊之間的通訊方式(如總線,共享存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù)通道等)以及這些模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法.

1.4 協(xié)同仿真和系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

嵌入式產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈,只有縮短產(chǎn)品問(wèn)世時(shí)間才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取勝,因此必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的各種問(wèn)題和錯(cuò)誤.由于嵌入式系統(tǒng)自身的特點(diǎn),系統(tǒng)不僅對(duì)功能有特殊要求,同時(shí)對(duì)各種性能指標(biāo)也有嚴(yán)格的限制,如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完畢才對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),那么一旦某些指標(biāo)不滿足要求勢(shì)必會(huì)推遲系統(tǒng)問(wèn)世的時(shí)間.

驗(yàn)證的方法一般分為仿真驗(yàn)證和形式化驗(yàn)證.仿真驗(yàn)證時(shí)用硬件描述語(yǔ)言完成硬件子系統(tǒng)的描述,用軟件來(lái)搭建硬件以達(dá)到系統(tǒng)軟件和硬件并行開(kāi)發(fā)的目的,能夠完成系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試,靈活的糾正軟件和硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,避免人力和物力的浪費(fèi).形式化驗(yàn)證方法通過(guò)運(yùn)用數(shù)學(xué)手段來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式化描述的正確性,可分為規(guī)格說(shuō)明驗(yàn)證及實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證兩種.規(guī)格說(shuō)明驗(yàn)證是檢驗(yàn)系統(tǒng)的高層模型是否具有某種抽象性質(zhì),實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)通過(guò)綜合獲得的較為低級(jí)的系統(tǒng)模型是否與系統(tǒng)的高級(jí)模型保持一致,同時(shí)檢驗(yàn)系統(tǒng)的低級(jí)模型是否滿足實(shí)現(xiàn)級(jí)的某些要求.

2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法[5,6]

軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究始于20世紀(jì)90年代初期,第一屆InternationalWorkshop on Hardware/Sof tware Co-design會(huì)議于1993年召開(kāi),它標(biāo)志著軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究正式展開(kāi),軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)領(lǐng)域正式確立.軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)不僅是一種設(shè)計(jì)技術(shù),同時(shí)也是一種新的設(shè)計(jì)方法學(xué),其核心問(wèn)題是在設(shè)計(jì)過(guò)程中協(xié)調(diào)軟件子系統(tǒng)和硬件子系統(tǒng).

2.1 基于VHDL的方法

該方法利用VHDL特性,將系統(tǒng)功能描述成VHDL相互影響的并發(fā)進(jìn)程,系統(tǒng)功能被映射到單獨(dú)的物理單元,其次是設(shè)計(jì)軟件進(jìn)程.逐步分解操作以及對(duì)每種系統(tǒng)功能進(jìn)行評(píng)估是這種方法的主要內(nèi)容.協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程采用VHDL的顯著優(yōu)點(diǎn)是比其它硬件描述語(yǔ)言更加方便.VHDL描述軟件的方法可以很方便地轉(zhuǎn)換成要研究的軟件開(kāi)發(fā)內(nèi)容.

2.2 有限態(tài)自動(dòng)機(jī)(FS M)方法

FS M(Finite StateMachine)可以表示系統(tǒng)行為、硬件模型和軟件模型.其通信機(jī)制適合描述具有反饋特性的實(shí)時(shí)系統(tǒng).FS M的數(shù)學(xué)理論可用于正確性形式驗(yàn)證、仿真、硬件中軟件的劃分和綜合,除了形式方法學(xué)以外,這種方法的另一個(gè)特點(diǎn)就是從規(guī)格說(shuō)明到具體實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換過(guò)程非常規(guī)范.由于狀態(tài)空間有限,這種方法僅適合小規(guī)模嵌入式控制系統(tǒng).

2.3 基于遺傳算法的劃分方法

采用遺傳操作非重疊的遺傳算法,可以從解空間編碼、適應(yīng)函數(shù)及個(gè)體選擇策略、交叉、變異策略、群體局部?jī)?yōu)化等幾個(gè)方面對(duì)劃分算法問(wèn)題進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的硬件/軟件劃分.該算法首先確定用于遺傳搜索及群體局部?jī)?yōu)化所需的參數(shù),然后隨機(jī)生成用于遺傳操作滿足約束條件的初始解.每次遺傳操作前,均采用SA算法對(duì)其進(jìn)行處理,獲得用于遺傳操作的局優(yōu)解集,遺傳操作在局優(yōu)解基礎(chǔ)上進(jìn)行.利用遺傳算法解決硬件/軟件劃分問(wèn)題的一個(gè)重要方面是確定評(píng)價(jià)各預(yù)選硬件/軟件方案性能的適應(yīng)函數(shù),因?yàn)檫m應(yīng)函數(shù)體現(xiàn)了個(gè)體在遺傳搜索過(guò)程中的繁殖能力,是選擇操作的依據(jù).

2.4 POL IS方法學(xué)

POL IS是面向控制反饋嵌入式系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)框架,它由微控制器和一些硬件協(xié)處理器組成了通用目標(biāo)結(jié)構(gòu).POL IS建立在協(xié)同設(shè)計(jì)有限態(tài)自動(dòng)機(jī)形式模型基礎(chǔ)上,它與傳統(tǒng)的有限態(tài)自動(dòng)機(jī)(FS M)一樣,將一組輸入轉(zhuǎn)換成一組有限的狀態(tài)輸出,兩者的區(qū)別在于傳統(tǒng)并發(fā)FS M同步通信模型在CFS M中被一個(gè)有限、不為0、非常大的反饋時(shí)間模型取代,這種模型也稱為全局異步、局部同步.CFS M中每個(gè)元素模擬系統(tǒng)一個(gè)部件,而CFS M規(guī)格說(shuō)明不偏向任何硬件和軟件的實(shí)現(xiàn),雖然每次CFS M狀態(tài)轉(zhuǎn)換兩者執(zhí)行相同的計(jì)算,但是硬件和軟件具有不同的延時(shí)特性.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

本系統(tǒng)是基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤型機(jī)動(dòng)車前照燈檢測(cè)儀[7],自動(dòng)跟蹤型汽車前照燈檢測(cè)儀是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的專用儀器設(shè)備.可自動(dòng)跟蹤光軸,利用圖像傳感器對(duì)燈光圖像進(jìn)行采集,并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)燈光圖像進(jìn)行處理,從而得到多個(gè)測(cè)量參數(shù),是建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的綜合技術(shù).能夠測(cè)量出前照燈的高度,亮度,遠(yuǎn)光近光的偏角等參數(shù),從而判斷出燈光合格與否.

根據(jù)汽車前照燈檢測(cè)儀的功能和設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示.

圖3 前照燈檢測(cè)儀設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

在最初的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,采用UML建模語(yǔ)言作為系統(tǒng)級(jí)描述語(yǔ)言,來(lái)建立協(xié)同設(shè)計(jì)中各個(gè)時(shí)期的系統(tǒng)模型,并利用UML中約束的概念,來(lái)推動(dòng)整個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)的進(jìn)程[8].本系統(tǒng)的硬件部分包括圖像傳感器、外圍設(shè)備、信號(hào)采集、顯示、電機(jī)控制等;軟件設(shè)計(jì)主要包括圖像數(shù)據(jù)的采集程序,燈光圖像的處理程序,控制信號(hào)的采集,電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序等;設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)的連接和時(shí)序邏輯的設(shè)計(jì).在系統(tǒng)劃分之后,根據(jù)約束條件,使用VHDL來(lái)進(jìn)行硬件描述,并逐步細(xì)化,直至RTL級(jí)、門級(jí)的實(shí)現(xiàn),用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言完成系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序的編寫(xiě),直至所有的硬件和軟件模塊都實(shí)現(xiàn).

4 結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法學(xué)是一個(gè)非常廣泛的研究課題,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的支持技術(shù),理論上和技術(shù)上還在不斷地發(fā)展和完善中.軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中把軟件和硬件分開(kāi)設(shè)計(jì)而帶來(lái)的種種弊端,通過(guò)挖掘軟硬件之間的協(xié)同性,達(dá)到系統(tǒng)高效工作的目的.通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì),可以充分利用現(xiàn)有資源,縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期,降低系統(tǒng)成本,提高系統(tǒng)性能.協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,作用也將越來(lái)越重要.

[1]熊光澤,詹瑾瑜.嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2006,26(4):757-760.

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Research on Application of Hardware-software Co-design in Embedded System

KANG Hong-yan

(Department of Computer and Information Engineering,Heze University,Heze Shangdong 274015,China)

As an important way of embedded system development,Hardware/Software Co-design overcomes the limitations of traditional device method.According to the comprehensive analysis about hardware/software function,they are well-integrated.From the angle ofmethodology,this paper introduces the flow and some important techniques of hardware and sof tware co-design methodology based on embedded system.W ith thismethod,it can greatly improve the feasibility of the design idea,reduce the difficulty of work,lower the period of system design and improve the quality of design.Finally it explains the features of embedded system co-design with a concrete example.

embedded system;co-design;traditional design;automatic tester for headlamps

book=9,ebook=354

TP 206+.1

A

1673-2103(2010)05-0048-04

2010-05-11

菏澤學(xué)院科研項(xiàng)目(2007YA003)

康鴻雁(1975-),男,山東鄆城人,講師,碩士,研究方向:智能儀器儀表.