北航國家精品課程嵌入式系統(tǒng)Chap嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1、 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法2006年4月21日 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容n嵌入式系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)嵌入式系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)n嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)n嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)n嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)CC1991（92個(gè)主領(lǐng)域）個(gè)主領(lǐng)域） CC2001（14個(gè)主領(lǐng)域）個(gè)主領(lǐng)域） 離散數(shù)學(xué)（預(yù)備知識(shí)）離散結(jié)構(gòu)（DS）程序設(shè)計(jì)語言引論程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（PF）算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法與復(fù)雜性（算法與復(fù)雜性（AL）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（AR）操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（操作系統(tǒng)（OS）網(wǎng)絡(luò)計(jì)算（網(wǎng)絡(luò)計(jì)算（NC）程序設(shè)計(jì)語言程序設(shè)計(jì)語言（程序設(shè)計(jì)語言（P

2、L）人機(jī)通信人機(jī)交互（HC）圖形學(xué)和可視化計(jì)算（GV）人工智能與機(jī)器人學(xué)智能系統(tǒng)（IS）數(shù)據(jù)庫與信息檢索信息管理（IM）軟件方法學(xué)與工程軟件工程（軟件工程（SE）社會(huì)、道德和職業(yè)的問題社會(huì)和職業(yè)的問題（SP）數(shù)值與符號(hào)計(jì)算科學(xué)計(jì)算（SC）IEEE/ACM 課程大綱關(guān)于計(jì)算機(jī)學(xué)科主領(lǐng)域的劃分課程大綱關(guān)于計(jì)算機(jī)學(xué)科主領(lǐng)域的劃分嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)n嵌入式系統(tǒng): 以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗諸方面嚴(yán)格要求的靠性、成本、體積、功耗諸方面嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。專用

3、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)：n 軟件硬件協(xié)同并行開發(fā)軟件硬件協(xié)同并行開發(fā)n 多種多樣的微處理器多種多樣的微處理器n 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多樣性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多樣性 (RTOS)(RTOS)n 與臺(tái)式機(jī)相比，可利用系統(tǒng)資源不足與臺(tái)式機(jī)相比，可利用系統(tǒng)資源不足n 應(yīng)用支持很少應(yīng)用支持很少n 要求特殊的開發(fā)工具要求特殊的開發(fā)工具n 調(diào)試很困難調(diào)試很困難n 軟件硬件的魯棒性（健壯性，軟件硬件的魯棒性（健壯性，RobustRobust）嵌入式系統(tǒng)要解決的主要問題嵌入式系統(tǒng)要解決的主要問題 n需要用什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)？需要用什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)？ n如何滿足時(shí)限

4、要求，如何處理多項(xiàng)功能在時(shí)間上的協(xié)如何滿足時(shí)限要求，如何處理多項(xiàng)功能在時(shí)間上的協(xié)調(diào)一致關(guān)系？調(diào)一致關(guān)系？n如何保證系統(tǒng)可靠地工作？如何保證系統(tǒng)可靠地工作？n如何滿足系統(tǒng)接口要求，嵌入式應(yīng)用直接和系統(tǒng)接口如何滿足系統(tǒng)接口要求，嵌入式應(yīng)用直接和系統(tǒng)接口輸入輸出信息？輸入輸出信息？n如何降低系統(tǒng)的功耗？如何降低系統(tǒng)的功耗？ n如何使系統(tǒng)可升級(jí)？如何使系統(tǒng)可升級(jí)？ 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性問題嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性問題 n軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) n功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)n嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)n開發(fā)環(huán)境開發(fā)環(huán)境 n成本和開發(fā)周期成本和開發(fā)周期n代碼優(yōu)化代碼優(yōu)化 n高效的輸入和輸出高效的

5、輸入和輸出n測(cè)試環(huán)境測(cè)試環(huán)境 嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)面臨的幾大問題嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)面臨的幾大問題n嵌入式軟件全生命周期開發(fā)工具鏈嵌入式軟件全生命周期開發(fā)工具鏈n硬件與軟件的硬件與軟件的Co-Design: VerilogCo-Design: Verilog + C = ? + C = ?n驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和生成技術(shù)（嵌入式軟件開發(fā)中驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和生成技術(shù)（嵌入式軟件開發(fā)中最令人頭疼的問題）最令人頭疼的問題）n嵌入式軟件的可靠性問題嵌入式軟件的可靠性問題: : 正確性驗(yàn)證技術(shù)、測(cè)正確性驗(yàn)證技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、調(diào)試技術(shù)等（可靠性問題是嵌入式軟件試技術(shù)、調(diào)試技術(shù)等（可靠性問題是嵌入式軟件開發(fā)的基本問題）開

6、發(fā)的基本問題）n可重構(gòu)計(jì)算（可重構(gòu)計(jì)算（Reconfigurable ComputingReconfigurable Computing）技術(shù)）技術(shù)n可構(gòu)件化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其開發(fā)環(huán)境可構(gòu)件化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其開發(fā)環(huán)境問題問題：功 能 、 性能要求價(jià) 格 、 開發(fā) 周 期 等約束設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)： 選擇 折衷 分析比較 計(jì)算 評(píng)價(jià)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法方法工具工具設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)流程自頂向下或自底向上設(shè)計(jì)自頂向下或自底向上設(shè)計(jì)需求需求設(shè)計(jì)說明設(shè)計(jì)說明體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)構(gòu)件設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成自頂向下設(shè)計(jì)自底向上設(shè)計(jì)需求分析n作用作用n使用戶和設(shè)計(jì)者有效

7、交流、溝通，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)使用戶和設(shè)計(jì)者有效交流、溝通，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)n設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)者 設(shè)計(jì)什么？有哪些要求？設(shè)計(jì)什么？有哪些要求？n用戶用戶 將得到的系統(tǒng)是什么樣的？將得到的系統(tǒng)是什么樣的？n目標(biāo)目標(biāo)n形成需求文檔形成需求文檔n內(nèi)容內(nèi)容n功能性需求功能性需求 做什么？做什么？n輸入輸入, ,輸出輸出, ,功能，功能，n非功能性需求非功能性需求 其他屬性其他屬性n可靠性，速度，功耗，可靠性，速度，功耗，n成本成本, ,大小大小, ,重量重量, ,設(shè)計(jì)時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)間， 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)n正確性n無二義性n完整性n可檢驗(yàn)性n一致性n可修改性n可追蹤性需求分析的描述n自然語言n需求說明書n需求分析表n形式化描述n

8、用例圖等nDOORS例：GPS移動(dòng)地圖的需求 規(guī)格說明n規(guī)格說明與需求的比較n需求的提煉n是可用來創(chuàng)建體系結(jié)構(gòu)的關(guān)于系統(tǒng)的更詳盡、更精確、更一致的描述n目標(biāo)n形成規(guī)格說明書n內(nèi)容n包含系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的足夠信息規(guī)格說明書的描述n自然語言n形式化描述nUMLnRSMLnSDL規(guī)格規(guī)格說明說明n需求的精確描述需求的精確描述n 描述明確，可理解描述明確，可理解n UML (Unified Modeling Language) UML (Unified Modeling Language) n統(tǒng)一建模語言是可視化的設(shè)計(jì)說明語言統(tǒng)一建模語言是可視化的設(shè)計(jì)說明語言n統(tǒng)一描述系統(tǒng)的硬件和軟件統(tǒng)一描述系統(tǒng)的硬

9、件和軟件n UML UML 可對(duì)系統(tǒng)的功能建?？蓪?duì)系統(tǒng)的功能建模n 可自動(dòng)產(chǎn)生實(shí)際設(shè)計(jì)的可自動(dòng)產(chǎn)生實(shí)際設(shè)計(jì)的HDL HDL 或或C+ C+ 代碼代碼UML的應(yīng)用的應(yīng)用nI-Logix公司的Rhapsody系列產(chǎn)品n基于統(tǒng)一建模語言UML的可視化編程環(huán)境n把UML各類視圖映射為具體目標(biāo)機(jī)程序語言n用于復(fù)雜實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用軟件從分析、設(shè)計(jì)一直到代碼實(shí)現(xiàn)和軟件測(cè)試的開發(fā)過程nNASA的火星探路者航天器就是運(yùn)用Rhapsody在VxWorks上開發(fā)應(yīng)用程序。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n 系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)說明書描述的功能系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)說明書描述的功能n 基于組件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于組件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n 軟件軟件/硬

10、件劃分硬件劃分n 嵌入式系統(tǒng)中軟件和硬件協(xié)同完成系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中軟件和硬件協(xié)同完成系統(tǒng)的功能功能n軟件硬件劃分通常由速度、靈活性以及開銷軟件硬件劃分通常由速度、靈活性以及開銷來決策來決策硬件硬件單片機(jī)單片機(jī), X86, PowerPC, ARM, MIPS,板級(jí)支持程序板級(jí)支持程序嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件監(jiān)控程序監(jiān)控程序嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式系統(tǒng)組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n作用n實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的藍(lán)圖，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的一個(gè)計(jì)劃n目標(biāo)n形成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文檔n內(nèi)容n系統(tǒng)分析n系統(tǒng)軟硬件整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)n軟硬件劃分n標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和自行設(shè)計(jì)

11、構(gòu)件的確定 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)n有彈性n簡(jiǎn)單n可實(shí)現(xiàn)n層次清晰n功能分布平衡n平衡技術(shù)和經(jīng)濟(jì)約束n滿足功能需求和非功能需求n可重用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述n非形式化方式n自然語言n結(jié)構(gòu)框圖n形式化方法nUML建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程及方法n結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法 以算法為中心，從處理到處理的數(shù)據(jù)流n從輸入、輸出入手，根據(jù)操作和數(shù)據(jù)流，形成比較粗的系統(tǒng)大框架；n然后逐步細(xì)化框架內(nèi)的每個(gè)部分，進(jìn)一步確定內(nèi)部模塊的及模塊之間的關(guān)系n設(shè)計(jì)過程應(yīng)該是逐步細(xì)化和逐步完善的過程n面向?qū)ο蟮姆椒?以類及交互模式為中心系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)n結(jié)構(gòu)化方法(SA/SD)n面向?qū)ο蟮姆椒?OOA/OOD)nUML建模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證n結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性非

12、常關(guān)鍵n詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，對(duì)開發(fā)周期、成本有很大影響n驗(yàn)證所關(guān)心的問題n結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足功能、性能要求n能否實(shí)現(xiàn)n驗(yàn)證方法n形式化方法n仿真n系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n軟件結(jié)構(gòu)n硬件結(jié)構(gòu)n其他方法n如基于開發(fā)板的原型系統(tǒng)系統(tǒng)引入錯(cuò)誤和修改錯(cuò)誤開銷分布系統(tǒng)引入錯(cuò)誤和修改錯(cuò)誤開銷分布引入錯(cuò)誤數(shù)目引入錯(cuò)誤數(shù)目修改錯(cuò)誤開銷修改錯(cuò)誤開銷開發(fā)周期系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)軟硬件實(shí)現(xiàn)軟硬件的劃分 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及硬件與軟件部件，設(shè)計(jì)中必須決定什么功能由硬件實(shí)現(xiàn)，什么功能由軟件實(shí)現(xiàn)。n硬件和軟件具有雙重性n軟硬件變動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的決策造成影響n劃分和選擇需要考慮多種因素n硬件和軟件的雙重性是劃分決策的前提通常由軟件實(shí)現(xiàn)的部

13、分n操作系統(tǒng)功能n任務(wù)調(diào)度n資源管理n設(shè)備驅(qū)動(dòng)n協(xié)議棧nTCPIPn應(yīng)用軟件框架n除基本系統(tǒng)、物理接口、基本邏輯電路，許多由硬件實(shí)現(xiàn)的功能都可以由軟件實(shí)現(xiàn)。雙重性部分n算法n加密解密n編碼解碼n壓縮解壓nn數(shù)學(xué)運(yùn)算n浮點(diǎn)運(yùn)算， FFT， n標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和自行設(shè)計(jì)構(gòu)件 n構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)n選擇標(biāo)準(zhǔn)n自行設(shè)計(jì)n標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件 ？現(xiàn)成構(gòu)件n已經(jīng)產(chǎn)品化n形成規(guī)模生產(chǎn)n標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件 自行設(shè)計(jì)構(gòu)件 用戶系統(tǒng)n構(gòu)件包括了硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件n構(gòu)件本身可以是層次性的，可以由子構(gòu)件組成標(biāo)準(zhǔn)硬構(gòu)件n硬構(gòu)件的形式：硬構(gòu)件的形式：nIC：集成電路：集成電路nPCB：印刷電路板：印刷電路板nIP：Intellectual Propertyn

14、標(biāo)準(zhǔn) IC nCPU, DSP, nRAM, ROM, 接口控制器，nASIC,n標(biāo)準(zhǔn) IPn CPU核，n標(biāo)準(zhǔn)模塊nGPRS模塊,GSM模塊,藍(lán)牙模塊, n顯示模塊，n標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算平臺(tái)n基于PC104的嵌入式計(jì)算機(jī)n基于Compact PCI的嵌入式計(jì)算機(jī)nSOC,標(biāo)準(zhǔn)軟構(gòu)件nOS / RTOSn協(xié)議棧nTCP/IPn路由協(xié)議nH.323nn圖形開發(fā)包nVxWorks的ZINKnn驅(qū)動(dòng)程序自研硬構(gòu)件n內(nèi)容n邏輯電路，專用加速器，n實(shí)現(xiàn)方式nPCB： nIC：PLD FPGA ASIC,nEDA設(shè)計(jì)工具n板級(jí)： n原理圖設(shè)計(jì)工具nPCB設(shè)計(jì)工具nICn硬件描述語言: VHDL,Verilogn原理

15、圖描述工具n綜合仿真工具n布線器, 自研軟構(gòu)件nBSPn驅(qū)動(dòng)程序n應(yīng)用程序n 軟硬件技術(shù)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n硬軟件設(shè)計(jì)的趨勢(shì)融合、滲透n硬件設(shè)計(jì)的軟件化nVHDL, VerilognHANDL-Cn軟件實(shí)現(xiàn)的硬件化n各種算法的ASICn對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響協(xié)同設(shè)計(jì)n增加靈活性n增加了風(fēng)險(xiǎn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要求嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要求n 懂得系統(tǒng)的整個(gè)構(gòu)架懂得系統(tǒng)的整個(gè)構(gòu)架n 詳細(xì)了解硬件的細(xì)節(jié)詳細(xì)了解硬件的細(xì)節(jié)n 軟件設(shè)計(jì)滿足：軟件設(shè)計(jì)滿足：n 實(shí)時(shí)要求實(shí)時(shí)要求n 低功耗低功耗n 代碼量小代碼量小n 詳細(xì)了解領(lǐng)域知識(shí)詳細(xì)了解領(lǐng)域知識(shí)嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件協(xié)同

16、設(shè)計(jì)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)n 硬件設(shè)計(jì)工具（EDA工具）n 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具n Cadence的的SPWn System Viewn 模擬電路系統(tǒng)仿真工具模擬電路系統(tǒng)仿真工具n Pspicen EWBn PCB設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)工具n Proteln PADs 的的Power PCB & Tool Kitn Mentor的的Expedition & Tool Kitn 可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具n Mentor FPGA Advantage & ModelSimn Xilinx Foundation ISE & Tool Kitn

17、各種綜合和仿真第三方工具各種綜合和仿真第三方工具軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)定義與主要概念軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)定義與主要概念n 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)定義nThe meeting of system-level objectives by exploiting the trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent designn 主要概念nConcurrent（并發(fā)）（并發(fā)）: hardware and software developed at the same time on parallel pathsnI

18、ntegrated（一體化）（一體化）: interaction between hardware and software developments to produce designs that meet performance criteria and functional specifications嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)快速原型快速原型設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)過程SYSTEMDEF.SWDESIGNVIRTUAL PROTOTYPEREUSE DESIGN LIBRARIES AND DATABASEPrimarilysoftwarePrimarilyhardwareSWCODEFUNCTIOND

19、ESIGNHW & SWPART.HWDESIGNHWFABINTEG.& TESTHW & SW CODESIGNHW & SW Partitioning & Codesign嵌入式系統(tǒng)快速原型開發(fā)的基本要素嵌入式系統(tǒng)快速原型開發(fā)的基本要素n 系統(tǒng)定義（需求分析）系統(tǒng)定義（需求分析）n 軟硬件劃分軟硬件劃分n 結(jié)構(gòu)規(guī)劃結(jié)構(gòu)規(guī)劃 處理器類型處理器類型, 軟硬件之間的接口類型軟硬件之間的接口類型, 等等.n 劃分目的劃分目的 滿足系統(tǒng)速度滿足系統(tǒng)速度,延遲延遲, 體積體積,成本等方面的要求成本等方面的要求.n 劃分策略劃分策略 - high level p

20、artitioning by hand, automated partitioning using various techniques, etc.n 調(diào)度調(diào)度n Operation scheduling in hardwaren Instruction scheduling in compilersn Process scheduling in operating systemsn 軟硬件設(shè)計(jì)過程中的建模軟硬件設(shè)計(jì)過程中的建模傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型SystemSystemConceptsConceptsSys/HWSys/HWRequire.Require.Anal

21、ysisAnalysisSys/SWSys/SWRequire.Require.AnalysisAnalysisOperation.Operation.Testing and Testing and EvalEval. .SoftwareSoftwareRequire.Require.AnalysisAnalysisPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignCoding,Coding,Unit test.,Unit test.,IntegInteg. test. testSW DevelopmentSW DevelopmentH

22、WCIHWCITestingTestingCSCICSCITestingTestingSystemSystemIntegInteg. and . and testtestHardwareHardwareRequire.Require.AnalysisAnalysisPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignFabric.Fabric.HW DevelopmentHW DevelopmentDOD-STD-2167A傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程n傳統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)過程的基本特征傳統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)過程的基本特征:n系統(tǒng)在

23、一開始就被劃分為軟件和硬件兩大部分系統(tǒng)在一開始就被劃分為軟件和硬件兩大部分n軟件和硬件獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)軟件和硬件獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)n“Hardware first” approach often adoptedn隱含的一些問題隱含的一些問題:n軟硬件之間的交互受到很大限制軟硬件之間的交互受到很大限制n軟硬件之間的相互性能影響很難評(píng)估軟硬件之間的相互性能影響很難評(píng)估n系統(tǒng)集成相對(duì)滯后，系統(tǒng)集成相對(duì)滯后，NRE較大較大n因此因此:nPoor quality designs（設(shè)計(jì)質(zhì)量差）（設(shè)計(jì)質(zhì)量差）nCostly modifications（設(shè)計(jì)修改難）（設(shè)計(jì)修改難）nSchedule slippa

24、ges（研制周期不能有效保障）（研制周期不能有效保障）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的尖銳矛盾n隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的提高，軟硬件設(shè)計(jì)中隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的提高，軟硬件設(shè)計(jì)中的一些錯(cuò)誤將使開發(fā)過程付出昂貴的代價(jià)的一些錯(cuò)誤將使開發(fā)過程付出昂貴的代價(jià) n“Hardware first” approach often compounds（混合） software cost because software must compensate for（補(bǔ)償） hardware inadequacies（不充分）軟硬件設(shè)計(jì)過程發(fā)展方向協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)過程發(fā)展方向協(xié)同設(shè)計(jì)SystemSystemConceptsConceptsS

25、ys/HWSys/HWRequire.Require.AnalysisAnalysisSys/SWSys/SWRequire.Require.AnalysisAnalysisHardwareHardwareRequire.Require.AnalysisAnalysisSoftwareSoftwareRequire.Require.AnalysisAnalysisOperation.Operation.Testing and Testing and EvaluationEvaluationSW DevelopmentSW DevelopmentHW DevelopmentHW Developm

26、entSystemSystemIntegInteg. and . and testtestHWCIHWCITestingTestingCSCICSCITestingTestingFranke91Integrated Modeling SubstrateIntegrated Modeling Substrate（一體化建模底層）（一體化建模底層）Prelim.Prelim.DesignDesignPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignDetailedDetailedDesignDesignFabric.Fabric.Codin

27、g,Coding,Unit test.,Unit test.,IntegInteg. test. test IEEE 1991嵌入式軟件的開發(fā)過程（瀑布模型）嵌入式軟件的開發(fā)過程（瀑布模型）Requirement AnalysisSoftware DesignCodingTestingRelease軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本需求軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本需求n 統(tǒng)一的軟硬件描述方式n軟硬件支持統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和分析工具（技術(shù)）n允許在一個(gè)集成環(huán)境中仿真（評(píng)估）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)n支持系統(tǒng)任務(wù)在軟件和硬件設(shè)計(jì)之間的相互移植n 交互式軟硬件劃分技術(shù)n允許多個(gè)不同的軟硬件劃分設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和比較n輔助最優(yōu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q策n

28、將軟硬件劃分應(yīng)用到模塊設(shè)計(jì)，以便最佳地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。Partitioning applied to modules to best meet design criteria (功能和性能目標(biāo))軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本需求軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本需求 (續(xù)續(xù))n完整的軟硬件模型基礎(chǔ)n支持在設(shè)計(jì)過程中的幾個(gè)階段的綜合評(píng)價(jià)n支持軟硬件逐步的開發(fā)和集成n正確的驗(yàn)證方法n確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)要求典型的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程典型的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程 SystemIntegrationInstruction set levelHW/SW evaluationUnified representation(Data

29、/control flow) HW/SWPartitioning Interface Synthesis Software SynthesisSWHardware SynthesisHW System Description(Functional)Concurrent processesProgramming languages FSM-directed graphs Another HW/SWpartition經(jīng)典的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法經(jīng)典的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法Analysis of Constraintsand RequirementsSystem Specs.HW/SWPartitionin

30、gHardware Descript.Software Descript.HW Synth. andConfigurationInterface SynthesisSoftware Gen.& ParameterizationConfigurationModulesHardwareComponentsHW/SWInterfacesSoftwareModulesHW/SW Integrationand CosimulationIntegratedSystemSystem EvaluationDesign VerificationRozenblit94 IEEE 1994軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)

31、勢(shì)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)n 在設(shè)計(jì)初始階段就可進(jìn)行軟硬件交互設(shè)計(jì)和調(diào)整nProvides continual verification throughout the design cycle（貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)周期）nSeparate HW/SW development paths（開發(fā)路線） can lead to costly modifications and schedule slippages（導(dǎo)致代價(jià)昂貴的糾錯(cuò)成本和開發(fā)進(jìn)度的下降）n 關(guān)鍵技術(shù)（如可編程邏輯綜合技術(shù)、器件接口和功能模型描述）的進(jìn)步使得軟硬件交互設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單起來軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀n 主要問題:n

32、缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的表示方法n缺乏好的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)方法n 可能的解決方案:n擴(kuò)展已有的硬件/軟件語言工具并應(yīng)用到不同種類情況n擴(kuò)展形式驗(yàn)證技術(shù)并應(yīng)用到硬件/軟件領(lǐng)域n基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)SOPC設(shè)計(jì)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟HW-SW system involvesnSpecification（設(shè)計(jì)描述）（設(shè)計(jì)描述）nmodeling （設(shè)計(jì)建模）（設(shè)計(jì)建模）ndesign space exploration and partitioningnsynthesis and optimization（綜合與優(yōu)化）nValidation（設(shè)計(jì)驗(yàn)證）（設(shè)計(jì)驗(yàn)證）nimplementat

33、ion （設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)）（設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)）軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟Specification（設(shè)計(jì)描述）nList the functions of a system that describe the behavior of an abstraction clearly with out ambiguity.Modeling（設(shè)計(jì)建模）nProcess of conceptualizing and refining the specifications, and producing a hardware and software model.軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本

34、步驟Validation:Process of achieving a reasonable level of confidence（置信度） that the system will work as designed.nTakes different flavors per application domain（根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域而不同）: cosimulation for performance and correctness（性能與功能的協(xié)同仿真）軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟Implementation:nPhysical realization of the hardware

35、 (through synthesis) nand of executable software (through compilation).協(xié)同設(shè)計(jì)中的軟硬件劃分與調(diào)度協(xié)同設(shè)計(jì)中的軟硬件劃分與調(diào)度 (where and when)nA hardware/software partitioning represents a physical partition of system functionality into application-specific hardware and software.nScheduling is to assign an execution start time to each task in a set, where tasks are linked by some relations. 嵌入式系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì) （硬件節(jié)能