第3講 設計方法

1、系統(tǒng)設計方法杭州電子科技大學杭州電子科技大學嵌入式系統(tǒng)的設計嵌入式系統(tǒng)的設計問題問題：功 能 、 性能要求等約束約束:價 格 、 開發(fā)周期等設計：設計： 算法方案 選擇 折衷 分析比較 評價嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)方法方法工具工具設計要解決的主要問題設計要解決的主要問題 n需要用什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)？需要用什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)？ n如何滿足時限要求，如何處理多項功能在時間上的協(xié)如何滿足時限要求，如何處理多項功能在時間上的協(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，如何設計美觀且有效的如何滿足系統(tǒng)接口要求，如何設計美觀且有效的UIUI？n如

2、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？如何使系統(tǒng)可升級？ 挑戰(zhàn)性的設計問題挑戰(zhàn)性的設計問題 n成本省和開發(fā)周期短成本省和開發(fā)周期短n軟硬件協(xié)同設計軟硬件協(xié)同設計n代碼優(yōu)化代碼優(yōu)化n嵌入式操作系統(tǒng)優(yōu)化嵌入式操作系統(tǒng)優(yōu)化n功耗的優(yōu)化設計功耗的優(yōu)化設計n如何進行測試如何進行測試 設計流程設計流程自頂向下或自底向上設計自頂向下或自底向上設計需求需求設計說明設計說明體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計構(gòu)件設計系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成自頂向下設計自底向上設計需求分析n作用作用n使用戶和設計者有效交流、溝通，明確設計目標使用戶和設計者有效交流、溝通，明確設計目標n設計者設計者 設計什么？有哪些要求？設計什

3、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目標目標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, ,設計時間，設計時間， 評價標準n正確性n無二義性n完整性n可檢驗性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用例圖等n需求管理工具DOORS例：GPS移動地圖的需求 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

4、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)設計的足夠信息規(guī)格規(guī)格說明說明n需求的精確描述n 描述明確，可理解n UML (Unified Modeling Language) n統(tǒng)一建模語言是可視化的設計說明語言n統(tǒng)一描述系統(tǒng)的硬件和軟件n UML 可對系統(tǒng)的功能建模n 可自動產(chǎn)生實際設計的HDL 或C+ 代碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計n 目的：系統(tǒng)如何實現(xiàn)規(guī)格說明書描述的功能n 目標：形成結(jié)構(gòu)設計文檔n 內(nèi)容：n系統(tǒng)分析與功能模塊確定n軟硬件劃分n系統(tǒng)軟硬件整體結(jié)構(gòu)的設計n標準構(gòu)件和自行設計構(gòu)件的確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計過

5、程及方法n結(jié)構(gòu)化設計方法 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然后逐步細化框架內(nèi)的每個部分，進一步確定內(nèi)部模塊的及模塊之間的關(guān)系n設計過程應該是逐步細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)的設計n結(jié)構(gòu)化方法(SC/SD)，70-80年代占優(yōu)勢n結(jié)構(gòu)化設計方法給出一組幫助設計人員在模塊層次上區(qū)分設計質(zhì)量的原理與技術(shù)。重視數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過程。 n概要設計工具結(jié)構(gòu)圖（SC: Structure Chart ） n結(jié)構(gòu)化設計方法（SD：Structured Design），過程設計語言（PDL） n面

6、向?qū)ο蟮姆椒?OOA/OOD)，90年代開始流行nOOA：Object-Oriented Analysis，主要原則包括：抽象、封裝、繼承、分類、聚合、關(guān)聯(lián)等nOOD：Object-Oriented Design，過程和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都被對象隱藏起來，兩者幾乎是互不相關(guān)的nUML建模結(jié)構(gòu)設計的驗證n結(jié)構(gòu)設計的正確性非常關(guān)鍵n詳細設計和實現(xiàn)的基礎(chǔ)，對開發(fā)周期、成本有很大影響n驗證所關(guān)心的問題n結(jié)構(gòu)設計是否滿足功能、性能要求n能否實現(xiàn)n驗證方法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)引入錯誤和修改錯誤開銷分布系統(tǒng)引入錯誤和修改錯誤開銷分布引入錯誤數(shù)目引入錯誤

7、數(shù)目修改錯誤開銷修改錯誤開銷開發(fā)周期系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計軟硬件詳細設計軟硬件實現(xiàn)軟硬件的劃分 嵌入式系統(tǒng)的設計涉及硬件與軟件部件，設計中必須決定什么功能由硬件實現(xiàn)，什么功能由軟件實現(xiàn)。n硬件和軟件具有雙重性n軟硬件變動對系統(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 軟硬件技術(shù)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n硬軟件設計的趨勢融合、滲透n硬件設計的軟件化，VHDL, VerilognHANDL-Cn軟件實現(xiàn)的硬件化，各種算法的ASICn對系統(tǒng)設計的影響協(xié)同設計n增加靈活性n增加了風險2022-1-30一個簡單的方案設計例子n設計實例n要求設計一個系統(tǒng)，完成圖像顏色空間變換的實時處理

8、，輸入圖像大小為VGA分辨率（640480）圖像的彩色空間變換公式BGRaaaaaaaaavuY333231232221131211系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程Phase 2Phase 1Phase 3輸入接口輸出接口處理器算法分析n每次運算只涉及1個像素n每個像素的運算量是：9次乘法+6次加法BGRaaaaaaaaavuY333231232221131211n根據(jù)每次運算只涉及到1個pixel，可以采用兩種可能的輸入方式n讀入整幅圖像數(shù)據(jù)，然后再進行處理，簡稱Frame-In模式n讀取一個圖像點，就處理一個圖像點，簡稱Pixel-In模式n數(shù)據(jù)的輸出也有方式：n整幅圖像數(shù)據(jù)處理完成后，一次性的存儲到外部

9、緩存中，簡稱Frame-Out模式n逐個像素點的存儲。每處理完一個點就輸出處理結(jié)果，簡稱Pixel-Out模式輸入、輸出性能分析n無論哪種方式（pixel/Frame模式），對IO接口的最低要求是：n每個像素有3bytes的數(shù)據(jù)輸入（RGB），3bytes輸出（YUV），輸入輸出基本對稱n1 pixel = 3次讀操作 + 3次寫操作n每幀圖像：n640*480*1 pixeln每秒種：nPAL制（625線*25）：25*640*480*1 pixelnNTSC制(525線*29.97): 30*640*480*1 pixel2022-1-30算法運算量估計n核心算法的計算量估算n試計算每個像

10、素處理需要的計算量？n處理一幅圖像需要的計算量？n每秒中處理30幀（frame，N制）需要的計算能力？核心算法處理能力要求核心算法處理能力要求1秒秒30幀幀9216000（1pixel）2022-1-30兩種可能的方案n（1）方案1：Pixel方案 Pixel方案Pixel-in Pixel-Out讀像素單像素處理寫像素n方案2：Frame模式 Frame方案Frame-in Frame-Out讀數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)處理寫像素BufBufBufn核心算法處理能力要求核心算法處理能力要求nCompute9216000（1pixel計算）計算）n總的IO性能要求n1個像素3次取，3次存nIO= 921600

11、0（1pixel存?。┐嫒。﹥煞N方案對數(shù)據(jù)處理單元的性能要求如果采用如果采用ARM處理器實現(xiàn)，則處理器的性能需處理器實現(xiàn)，則處理器的性能需求最少滿足上述要求：求最少滿足上述要求：9216000*（9+6+3+3） =193,536,0009216000*（9+6+30+30）=691,200,0002022-1-30n兩種架構(gòu)的對比nPixel方案：n數(shù)據(jù)流程簡單n缺點是：這種IO接口形式，對前后級造成很大壓力。對于ARM系統(tǒng)來說，處理器的效率較低。處理器訪問外存的性能較差。nFrame方案n數(shù)據(jù)流程中加入緩存，盡管增加了實現(xiàn)的復雜性，但有利于保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性n可利用DMA功能進行IO傳輸，從

12、而提高處理器的利用率兩種架構(gòu)的最大區(qū)別在于對兩種架構(gòu)的最大區(qū)別在于對IO接口的性能要求接口的性能要求上上， n經(jīng)過不同架構(gòu)的比較，最終確定系統(tǒng)的設計方案nPixel方案：適合FPGA實現(xiàn)nFrame方案：適合處理器來實現(xiàn)讀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理寫像素BufBufBuf處理器的性能計算接口性能要求接口性能要求嵌入式系統(tǒng)設計工具n明確了系統(tǒng)的體系架構(gòu)和開發(fā)流程以后，接下來就要進行開發(fā)、調(diào)試與測試，包括選擇適當?shù)拈_發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具，例如編譯器、鏈接器、定位器，或者直接使用集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，隨后將編譯好的程序轉(zhuǎn)為映像(Image)，下載到目標平臺上，與開發(fā)平臺連接后進行調(diào)試和測試。編譯器n編譯器(Comp

13、iler)是將一種語言翻譯成另一種語言的計算機程序。它將源程序作為輸入，產(chǎn)生目標語言。通常，源程序采用高級語言編寫，如C/C+，或者是匯編語言。而目標語言則是目標機器的目標代碼(Object Code)，有時也稱為機器代碼(Machine Code)。使用編譯器可以使我們不必直接編寫麻煩的機器代碼，而直接使用便于理解的高級語言或插入了助記符的匯編語言，提高了編程的效率。常見的編譯器有Visual C+、Borland C+以及Linux下的GCC等。鏈接器n編譯完程序后會產(chǎn)生目標代碼，但要執(zhí)行程序還需要對目標代碼進行鏈接，這就要用到鏈接器。鏈接器將所有的目標代碼文件.o或者.obj以及l(fā)ib中

14、的數(shù)據(jù)段區(qū)，包括text、data、bss區(qū)段的數(shù)據(jù)進行合并，并且將尚未決定的函數(shù)和變量調(diào)用對應起來。在嵌入式系統(tǒng)中，要鏈接出一個可以放到ROM中執(zhí)行的程序，開發(fā)人員還必須對啟動代碼進行鏈接，并且制定鏈接關(guān)系地址。集成開發(fā)環(huán)境n集成開發(fā)環(huán)境(Intergrated Development Enviroment，IDE)是用于程序開發(fā)的應用程序，一般包括代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和圖形用戶界面工具。該程序可以獨立運行，也可以和其他程序并用。最典型的例子就是Visual C+，許多的開發(fā)環(huán)境都將其作為模板，并得到了廣泛的應用。集成開發(fā)環(huán)境的好處就是可以方便地管理各種工程項目和函數(shù)庫，特別是當整個系

15、統(tǒng)越來越大的時候，可以省去很多管理和設置上的麻煩，減輕了開發(fā)人員的負擔。實際上，軟件開發(fā)環(huán)境正是朝著IDE的方向發(fā)展。交叉開發(fā)環(huán)境n嵌入式系統(tǒng)通常是一個資源受限的系統(tǒng)，直接在嵌入式系統(tǒng)的目標硬件平臺上編寫軟件是很困難甚至是不可能的，因此，在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中往往用到一個交叉開發(fā)環(huán)境(Cross Development Environment)。所謂交叉開發(fā)，就是在通用計算機(比如PC)上編輯、編譯程序，生成可以在目標平臺上運行的二進制代碼指令，然后再下載到目標平臺上進行調(diào)試的開發(fā)方式。通用計算機一般稱為宿主機，目標平臺稱為目標機。交叉開發(fā)環(huán)境一般由運行于宿主機上的交叉開發(fā)軟件和系統(tǒng)仿真器組成。

16、交叉開發(fā)軟件一般為一個集成開發(fā)環(huán)境。在線仿真器n在線仿真器(In-Circuit Emulator，ICE)是一種模擬CPU的設備，能執(zhí)行CPU的全部動作。采用該方式調(diào)試時，利用仿真頭代替目標板上的CPU，可以完全仿真CPU的行為，并且提供了豐富的調(diào)試功能，但缺點是結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴，通常用于硬件開發(fā)中。在線調(diào)試器n在線調(diào)試器(In-Circuit Debug，ICD)是將CPU的除錯(調(diào)試)功能的引腳引出來，讓外部的硬件直接連接到這些引腳上去監(jiān)控整個CPU的動作，這樣開發(fā)人員就可以很容易地利用比較便宜的除錯(調(diào)試)工具和CPU的除錯(調(diào)試)模塊進行溝通，一般這些CPU上的除錯模塊都提供讀出寫

17、入內(nèi)存、讀出寫入CPU寄存器、單步執(zhí)行、中斷以及觸發(fā)等功能設置。目前，比較流行的是ARM公司開發(fā)板上使用的JTAG(Joint Test Action Group)調(diào)試端口。 ICD調(diào)試方式比ICE便宜得多，因此現(xiàn)在越來越多的開發(fā)人員開始采用這種方式。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計過程傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計過程n傳統(tǒng)軟硬件設計過程的基本特征傳統(tǒng)軟硬件設計過程的基本特征:n系統(tǒng)在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軟件和硬件獨立進行開發(fā)設計軟件和硬件獨立進行開發(fā)設計n“Hardware first” approach often adoptedn隱含的一些問題隱含的一

18、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估軟硬件之間的相互性能影響很難評估n系統(tǒng)集成相對滯后，系統(tǒng)集成相對滯后，NRE較大較大n因此因此:nPoor quality designs（設計質(zhì)量差）（設計質(zhì)量差）nCostly modifications（設計修改難）（設計修改難）nSchedule slippages（研制周期不能有效保障）（研制周期不能有效保障）軟硬件協(xié)同軟硬件協(xié)同快速原型快速原型設計過程設計過程SYSTEMDEF.SWDESIGNVIRTUAL PROTOTYPEREUSE DESIGN LIBRARIES AND DATABASEPrimarilysoftwarePrimarilyhardwareSWCODEFUNCTIONDESIGNHW & SWPART.HWDESIGNHWFABINTEG.& TESTHW & SW CODESIGNHW & SW Partitioning & Codesign軟硬件協(xié)同設計的基本需求軟硬件協(xié)同設計的基本需求n統(tǒng)一的軟硬件描述方式n軟硬件支持統(tǒng)一的設計和