“協同設計”方法在嵌入式系統設計的應用

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【摘要】本文較詳細地闡述了一種嵌入式系統的協同設計方法。本文首先分析了傳統的經典嵌入式系統設計過程，然后闡述了引入了軟硬件“協同設計”概念的嵌入式系統設計方法。最后指出了協同設計方法的優缺點。

【關鍵詞】嵌入式系統；教學；協同設計

嵌入式計算機技術是21世紀計算機技術重要發展方向之一，應用領域十分廣泛且增長迅速。隨著嵌入式系統的技術發展，嵌入式系統的設計方法也在不斷變化和進步。傳統的嵌入式系統設計方法在對目標嵌入式系統提出系統定義方案后，要對系統實現進行可行性分析和需求分析。在經過嚴格分析論證后，進入到系統總體設計方案階段，該階段除提出系統總體框架以外，還需進行軟硬件劃分、處理器選型、操作系統選擇、開發環境選擇等諸多工作。這種方法經過多年測試驗證，在市場中具有成熟可靠、簡單實用的特點，但是該方法的設計過程明顯表現出軟件和硬件開發相對獨立割裂，而且軟件開發工作往往需要等到硬件平臺完成后才能開展，顯然這不利于系統的最終成品推出時間控制，而且調試、測試的過程也需要反復迭代和修改設計，這樣就導致硬件方案的變動在所難免。由于軟硬件分離獨立設計，這又反過來影響軟件系統的開發，從而導致系統設計成本的提高，開發效率的降低。

同時傳統嵌入式系統設計方法對開發者的設計經驗如軟硬件的劃分、系統集成調試等提出了較高的要求。圖1嵌入式系統的“協同設計”方法相對于傳統的嵌入式系統設計方法，引入了軟硬件“協同設計”概念的嵌入式系統設計方法能較好的彌補傳統嵌入式系統設計方法的不足。所謂軟硬件“協同設計”是在滿足系統設計要求的前提下，以達到系統能夠工作在最佳狀態為設計目標，通過統一協同分析系統軟硬件模塊資源的方法，綜合設計系統的軟硬件體系結構。這種方法與傳統設計方法相比主要的特點在于系統總體設計方案中采用了系統級的仿真建模處理，對系統所涉及的硬件和軟件針對設計要求統一建模，根據建模結果選擇最優化軟硬件劃分等設計方案，并對軟硬件協同仿真和驗證。如圖1所示為一種典型的嵌入式系統協同設計方法。從圖中可以看到，嵌入式系統的“協同設計”方法與傳統的嵌入式系統的設計方法相比較而言，更重視總體設計下的系統級別的仿真建模和軟件、硬件綜合設計方法。系統級別的仿真建模通常采用獨立的功能性規格方法對系統整體進行定義和說明，根據建模結果對軟硬件模塊進行劃分，并且對該劃分方案進行性能評估甚至指令級別的參數評價。通過反復迭代得到最優化方案和結果為止。在完成了軟硬件綜合后記性具體軟硬件協同仿真和驗證，獲得滿意結果后進行系統集成和測試。值得注意的是，在“協同設計”過程中，應充分考慮軟硬件的關系并在設計的每個層次上給予測試驗證，以便于盡早發現問題解決問題，以免崩潰性錯誤發生。軟硬件協同設計有如下一些基本要求：統一的軟硬件描述方法。交互式軟硬件劃分技術。

這要求允許采用不同的軟硬件劃分設計方法進行系統仿真和比較，并需要輔助最優化決策及應用實施。完整的軟硬件模型基礎。這要求設計過程的每個階段都必須支持評價，并支持階梯式的開發方法與軟硬件整合。正確的驗證方法。軟硬件協同設計的一些理論和方法是嵌入式研究領域的一個熱點。目前一些廠商已提供了協同設計的集成化平臺或者模型，比如ARMESL平臺和RTSM模型等。ARMESL虛擬平臺是采用了嵌入式系統的協同設計方法的典型平臺代表。由此可見，這種采用“協同設計”概念的嵌入式系統設計方法是在充分利用先進模擬/仿真平臺的基礎上，合理考慮了軟硬件的劃分，并對軟硬件子系統進行了可靠有效的仿真及測試，避免了致命性錯誤的產生，提高了系統開發效率，縮短了TTM。但是從另一個方面來看，傳統的嵌入式系統設計方法從系統設計經驗，開發平臺的使用到相關配套資料等方面來看都是十分成熟的方法，對于一些特定嵌入式系統或者開發者極其熟悉的設計領域（特別是MCU領域），傳統嵌入式系統設計方法仍具有非常好的應用前景。

作者:王劍 單位:長江大學計算機科學學院

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