嵌入式系統設計的軟硬件劃分研究

王忠 夏傳良 胡芳凝 劉超群

摘 要：文中分析了傳統軟硬件劃分方法的缺點，基于嵌入式系統產品開發實際，提出了一種去中心化的軟硬件劃分方法。文中詳細描述了該方法的五條指導性原則，并用一個開發實例說明了上述原則的應用方法，驗證了該方法的有效性。該劃分方法簡化了復雜任務，提高了程序并發性水平，降低了系統開發難度，具有較高的參考價值。

關鍵詞：去中心化;軟硬件劃分;負載均衡;軟件固件化;嵌入式;并發性

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）05-00-02

0 引 言

隨著嵌入式系統規模不斷增大，功能日益復雜，傳統“先硬件，后軟件”的設計方法已經無法滿足當下要求。國內外學者進行了廣泛的研究，提出和發展了很多軟硬件協同設計方法，如改進迭代算法、模擬退火算法、遺傳算法、基于UML模型分析方法等[1-2]，挖掘系統軟硬件之間的并發性，達到性能與成本的最優組合。但這些方法的共同缺點是偏重于理論層面的分析，可操作性差，硬件模塊劃分粒度過大，且較少考慮軟硬件成本變化、供應鏈、研發周期、可維護性等實際因素。

1 軟硬件劃分概述

由于嵌入式系統面臨技術上的復雜性和開發時間上的嚴格約束，設計方法已成為影響系統最終成本、性能、可制造性以及研制周期的關鍵因素。在滿足設計規范的前提下，兼顧軟硬件的特點，實現優化的軟硬件協同設計是解決問題的關鍵。軟硬件劃分是軟硬件協同設計中的關鍵，其目標是根據系統功能定義和相應約束，從整體角度進行協調，獲得一個可滿足系統各方面要求的趨于最優的實現方法。

2 去中心化的軟硬件劃分方法

嵌入式系統設計的關鍵是軟硬件功能劃分，即確定哪些系統功能由硬件實現，哪些功能由軟件實現。硬件一般能夠提供更好的性能，而軟件更容易修改且不占用硬件面積。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，當下很多功能既能用軟件實現，又能用硬件實現，軟硬件的界限已經不十分明顯[3]，加上近年來軟件即人力成本的提高和硬件價格的降低，這些新變化給系統軟硬件優化組合提供了很大的創新操作空間。

基于上述原因， 本文突破軟硬件劃分的固有模式，提出一種“去中心化”的軟硬件劃分方法。“去中心化”是指將功能、資源從一個中心重新進行分配或分散的過程，相對于傳統一個處理器加外設擴展的方法，去中心化是將資源均衡分布的過程[4]。該方法遵從以下幾條指導原則：

（1）去中心化原則。系統處理功能不再集中于單一的核心處理器，而是根據功能分類由多個處理器共同分擔，由單核心變為多核心。

（2）負載均衡化原則。系統處理負載均衡分布于多個處理器，如數據處理、復雜的協議棧由專門的芯片來實現，通過通信接口協同[5]。

（3）模塊化原則。功能相對獨立又集中的芯片組、電路、相關程序，設計成一個獨立運行的模塊，這部分程序由專門的處理器運行并進行優化，實現這部分程序的固件化。模塊內部功能高度內聚，與外界低耦合。

（4）控制與顯示功能分離的原則。如工控領域中除了傳統控制功能，還需要電阻、電容觸摸屏和組態顯示，顯示功能相對復雜的，將其設計為獨立模塊，或者采購市場上的新型組態串口屏，主流供應商有廣州大彩、北京迪文等。

（5）盡量選用固化協議棧的接口芯片實現專門功能，特別是網絡接口芯片，如TCP/IP、藍牙、WiFi、RFID等。例如具備全硬件TCP/IP協議棧+MAC+PHY的以太網芯片W5500，具備完整WiFi功能的ESP8266芯片，這些模組具有簡單快速、可靠性高、安全性好等顯著優勢。

3 去中心化設計實例

某科研項目要設計一個醫用電子體溫計，其基本功能描述如下：

（1）將探頭置于人體腋下或口腔測量人體體溫，符合醫療器械標準GB/T21416-2008的要求。

（2）電容觸摸屏能夠顯示當前溫度，查詢歷史數值，生成歷史曲線，進行人機交互。

（3）通過以太網接口接入網絡，將測溫數據發送至云服務器，可在手機APP上查看數據。

按照傳統的軟硬件劃分方法，該設備硬件部分的總體框架如圖1所示，虛線框內表示由CPU實現的內容。

內部各模塊描述如下：

（1）溫度測量和ADC轉換電路為一個模塊，溫度誤差處理算法由核心處理器完成。

（2）電容觸控電路和液晶顯示電路分別通過I2C接口和RGB接口接入核心處理器。

（3）TCP/IP協議棧由開源輕量級LWIP實現，運行在核心處理器中。

（4）嵌入式圖形庫UCGUI或者emWin運行在核心處理器中。

（5）大容量NAND FLASH，SDRAM為核心處理器的擴展，可為圖形界面提供存儲和緩沖。

按照“去中心化”軟硬件劃分原則，對圖1的設計方案重新進行軟硬件劃分，得到圖2所示的優化方案，描述如下：

（1）液晶顯示和電容觸控為相對獨立的部分，將相關資源整合，開發一種組態串口屏，也可采購現成的模組。通過UART串口與1#CPU相連，控制功能與顯示分離。

（2）測溫電路部分將電路與誤差處理整合，加上一個簡單MCU，制成獨立模塊，通過UART串口發送符合標準的體溫數據。

（3）將LWIP軟協議棧外移，選擇具有全硬件協議棧的芯片，如WIZnet公司設計生產的以太網接口芯片W5500、江蘇沁恒公司設計生產的網絡串口透傳芯片CH9121等。

（4）將之前的核心處理器功能降級為通過UART，SPI接口收發數據、控制指令，用簡單的MCU代替原來的CPU。

（5）在軟件方面，將體溫數據處理、圖形庫、網絡協議棧分散到不同的更簡單的CPU中，降低了程序的開發難度，處理任務量減少，程序運行負載更加均衡。

優化后的設計方案具有如下明顯優勢：

（1）三個處理器硬件并行工作，程序并發執行提升為真正的并行工作，既提高了響應速度，又降低了網絡丟包率。

（2）開發任務得到簡化。分割為三個相對簡單的模塊，降低了開發難度，更適合團隊并行開發工作，縮短研發周期。

（3）對CPU的要求降低，可選用通用芯片，供應鏈采購更容易，降低了物料成本。

（4）研發成果更有價值，如顯示模塊、體溫測量模塊的通用性、可重用性得到提高。

4 結 語

針對傳統軟硬件劃分的弊端和軟硬件價格的變化，提出一種“去中心化”的軟硬件劃分方法，通過對功能和資源的重新分配、分散，將復雜任務轉化為若干簡單任務。重新劃分后的各模塊功能相對獨立，負載更加均衡。模塊內部功能高度內聚，模塊之間低耦合，在提高可重用性、系統可靠性的同時，降低了產品開發難度，方便后期故障檢測和系統維護。設計實例表明，這種將功能合理分散的“去中心化設計”思路對嵌入式產品開發有很好的參考價值。

參 考 文 獻

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