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1 引 言 當(dāng)今，在嵌入式領(lǐng)域，嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為新的技術(shù)熱點。嵌入式系統(tǒng)的最典型的特點是它同人們的日常生活緊密相關(guān)，小到MP3、PDA等微型數(shù)字化設(shè)備，大到信息家電、智能電器、車載GPS等形形色色運用了嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品和各種新型嵌入式設(shè)備在數(shù)量上現(xiàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通用計算機。在嵌入式設(shè)備發(fā)展的30多年的歷史中，嵌入式技術(shù)從來沒有像現(xiàn)在這樣風(fēng)靡過，人類也從來沒有像現(xiàn)在這樣享受嵌入式技術(shù)帶來的便利。 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。 從整體來看，我們將嵌入式系統(tǒng)分為兩個部分；第一個部分是與應(yīng)用相關(guān)的硬件平臺，它負(fù)責(zé)和外部環(huán)境進(jìn)行交互；第二部分是在這個硬件平臺上運行的功能軟件。在過去的幾年里，微電子技術(shù)的迅速發(fā)展使得硬件部件的花費降低了很多，這使得有很多人將一些原來必須使用軟件的部分用硬件實現(xiàn)了出來，軟件和硬件的區(qū)分也逐漸變得模糊。然而，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者必須在最短的時限內(nèi)和最低的花費設(shè)計出高性能的系統(tǒng)。最重要的步驟是根據(jù)具體需求將整個系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。在通用PC平臺上作開發(fā)，這種軟硬件的劃分是很輕松的；但是，基于嵌入式平臺，需要考慮很多的因素。例如：為了提高運行速度和減少任務(wù)切換的花費，必須將某些功能用硬件來實現(xiàn)。本文重點介紹了兩種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計模型，以及對這兩種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計模型進(jìn)行了分析比較。 2 硬件優(yōu)先的設(shè)計方法 硬件優(yōu)先的設(shè)計方法，即傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法，它是一種依靠順序控制流的做法。 這種方法首先是對整個系統(tǒng)的需求分析，由于嵌入式系統(tǒng)的特殊性，需要仔細(xì)考慮功能性、能耗、成本花費等各個方面。在完成了需求分析以后，下一步要進(jìn)行的就是軟硬件部分的劃分，這一步十分重要，從這個時候起，系統(tǒng)將要被分為軟件和硬件兩個部分： (1) 硬件部分包括系統(tǒng)的硬件平臺以及某些用專用硬件(例如:ASIC和Ip-cores)實現(xiàn)的功能模塊； (2) 軟件部分是指經(jīng)過特殊處理過的操作系統(tǒng)和建立在操作系統(tǒng)之上的一些功能模塊。 第二步是相當(dāng)重要的一個步驟，它通常是由嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者根據(jù)自己的經(jīng)驗和直覺來做的。在這個部分完成以后，就要進(jìn)行硬件的設(shè)計和實現(xiàn)。在硬件部分可用以后，就可以開始軟件部分的實現(xiàn)了。在這個序列化的設(shè)計方法的最后一步就是整合與測試，即將軟件和硬件部分融合到一起來評估整個系統(tǒng)的性能。 圖1硬件優(yōu)先的嵌入式設(shè)計模型 盡管硬件優(yōu)先的設(shè)計模型存在有一些問題（在文中第四部分詳細(xì)說明），但它依然是一種很流行的方案。在一些小型和中型復(fù)雜度的系統(tǒng)中，由于硬件的復(fù)雜度不高，而且技術(shù)也比較成熟，通常都會選擇這種方法；但是在一些大型的系統(tǒng)中，這種方法就不是很適宜了，需要更先進(jìn)的設(shè)計模型。 3 軟硬件協(xié)同設(shè)計方法 軟硬件協(xié)同設(shè)計是在系統(tǒng)目標(biāo)要求的指導(dǎo)下，通過綜合分析系統(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)同設(shè)計軟硬件體系結(jié)構(gòu)，以使系統(tǒng)能夠工作在最佳工作狀態(tài)。它的實質(zhì)就是讓軟件和硬件體系作為一個整體并行設(shè)計、找到軟硬件的最佳結(jié)合點，使它們能夠以最有效的方式相互作用，互相結(jié)合，從而使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。 這種方法的第一步需要用形式化的方法對系統(tǒng)的需求進(jìn)行描述。有幾種方法可以采用：Petri網(wǎng)、數(shù)據(jù)流圖以及狀態(tài)機。這種設(shè)計方式試圖利用這些數(shù)學(xué)上的推理方法來對系統(tǒng)行為做一個全面的描述，在對系統(tǒng)進(jìn)行形式化的描述以后，就可以將系統(tǒng)分解為一些功能模塊，每個模塊都實現(xiàn)整體功能的一部分。 在第一步中得到的功能模塊既可以用硬件也可以用軟件來實現(xiàn)。利用形式化的方法，我們可以采用最佳的選擇。在軟硬件劃分的過程中，通過各方面的評估，例如：時間復(fù)雜度、花費估計等得到一組最佳的選擇。在得到了最優(yōu)解以后，就是實現(xiàn)各模塊了；但是，這里的實現(xiàn)僅僅只是理論上的，例如：硬件模塊用VHDL描述，軟件模塊用C或C++語言表示。 圖2 軟硬件協(xié)同設(shè)計模型 最后一步就是系統(tǒng)整合了。在這個過程中，將所有的模塊組合到一起，然后驗證這些模塊的組合是否符合系統(tǒng)的形式化說明；如果不符合，就要重新進(jìn)行軟硬件的劃分。當(dāng)前的研究熱點之一是對驗證算法的理論研究，利用這些理論算法，完全可以將軟硬件的劃分和模塊的驗證發(fā)展為自動化的過程。 由于軟硬件的劃分是基于理論算法的，這在設(shè)計中可以盡早的暴露問題，以減少損失。但是這種設(shè)計模型也有其局限性(在文中第四部分詳細(xì)說明)。 4 兩種模型的分析與比較 4.1 硬件優(yōu)先設(shè)計模型分析 利用硬件優(yōu)先這種方法設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)一直到最后一步才能驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性。因此，在系統(tǒng)開發(fā)過程中通過反復(fù)修改、反復(fù)試驗的方法使產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計要求，這在很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗；而且設(shè)計周期長、費用開支大，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證；這是因為在反復(fù)修改過程中，常會在某些方面背離原始設(shè)計的要求。因此，為了降低設(shè)計的風(fēng)險，設(shè)計人員會選擇采用己經(jīng)成熟的模塊，而不是自己重新設(shè)計；與此同時，這種設(shè)計方法還有一個很大的缺點：在硬件部分可用之前是不能實施軟件模塊。由于以上問題，硬件優(yōu)先設(shè)計方法適用于在一些小型和中型復(fù)雜度的系統(tǒng)中；在這些系統(tǒng)中，硬件的復(fù)雜度不高，而且技術(shù)也相對比較成熟；因此通常都會選擇這種方法。 4.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計模型分析 在軟硬件協(xié)同設(shè)計模型中，由于軟硬件的劃分是基于理論算法的，這在設(shè)計中可以盡早的暴露問題，以減少損失；但是，這種設(shè)計模型也有其局限性，具體表現(xiàn)在： (1) 可有的信息是否足夠。若要采用形式化的方法描述整個系統(tǒng)，并且正確的將系統(tǒng)分解為多個功能模塊的組合體；設(shè)計者需要知道整個系統(tǒng)中的功能描述；但是，有些第三方開發(fā)的模塊，設(shè)計者是無法知道其內(nèi)部功能實現(xiàn)的；這種情況可能會導(dǎo)致系統(tǒng)劃分過程的不準(zhǔn)確。 (2) 軟硬件模塊互相替換的自由度。在這種設(shè)計模型中，將系統(tǒng)分為軟硬件模塊后，可認(rèn)為各個模塊都是能夠互相轉(zhuǎn)換的：即原先被劃分為用硬件實現(xiàn)的模塊也可以用軟件來實現(xiàn)，反之亦然。從理論上來看這是沒有問題的，但在實際的應(yīng)用中是不能達(dá)到這么靈活的理論高度的。 4.3 兩種模型的綜合比較 一般來說，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計可以分為系統(tǒng)描述、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)評價與綜合實現(xiàn)四個階段。上述的兩種設(shè)計模型在這四個階段中各有異同： (1) 在系統(tǒng)描述階段，雖然兩種設(shè)計方法都是將系統(tǒng)功能全面表述出來，但軟硬件協(xié)同設(shè)計的方法除了全面描述系統(tǒng)功能外、還深入挖掘軟硬件之間的協(xié)同性，從而使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地工作。 (2) 在系統(tǒng)設(shè)計階段，兩種設(shè)計方法都將完成軟硬件功能的分配，即確定哪些功能由硬件模塊來實現(xiàn)，哪些系統(tǒng)功能由軟件模塊來實現(xiàn)，以及系統(tǒng)映射，即根據(jù)系統(tǒng)描述和功能分配選擇確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。在軟硬件功能分配階段，由于硬件模塊的可編程性和嵌入式系統(tǒng)的變異性，軟硬件的界限已經(jīng)不十分清楚；因此，軟硬件的功能劃分是一個復(fù)雜而艱苦的過程；這一方面是由于軟硬件劃分的研究工作還處在初級階段；另一方面則是由于這一問題內(nèi)在的復(fù)雜性。在進(jìn)行軟硬件功能分配時，既要考慮市場可以提供的資源狀況，又要考慮系統(tǒng)造價、開發(fā)周期等因素。硬件優(yōu)先的設(shè)計方法一般根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗來確定軟硬件的劃分，而軟硬件協(xié)同的設(shè)計方法則利用形式化的方法，通過各方面的評估，例如：時間復(fù)雜度、花費估計等得到一組最佳的選擇。在系統(tǒng)映射階段，就是要確定系統(tǒng)將采用哪些硬件模塊（如微處理器、微控制器、存儲器、FPGA、DSP等部件）、軟件模塊（操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序等）以及軟硬件模塊之間的聯(lián)系媒體（如共享存儲器、總線等），在這一階段，采用硬件優(yōu)先設(shè)計方法的設(shè)計者為了降低設(shè)計的風(fēng)險，通常會選擇采用己經(jīng)成熟的硬件模塊，而不是自己重新設(shè)計；而采用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法的設(shè)計者則需要將軟件和硬件體系作為一個整體并行設(shè)計、找到軟硬件的最佳結(jié)合點；這一過程顯然是一個復(fù)雜而艱苦的過程，但用這種方法可以使軟硬件能夠以最有效的方式相互作用，互相結(jié)合，從而使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。 (3) 在系統(tǒng)評價階段，即檢查確認(rèn)系統(tǒng)設(shè)計的正確性的過程。采用硬件優(yōu)先方法的設(shè)計者在系統(tǒng)開發(fā)過程中通過反復(fù)修改、反復(fù)試驗的方法來對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證評估，這在很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗；而采用軟硬件協(xié)同的設(shè)計者則通過形式化評價技術(shù)，通過建立精確的數(shù)學(xué)模型、利用數(shù)學(xué)手段檢測系統(tǒng)的正確性。因此，對系統(tǒng)中的不確定因素及隱性指標(biāo)的檢查有特殊效果。 (4) 在綜合實現(xiàn)階段，即軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)的具體制作的過程。硬件優(yōu)先的設(shè)計方法是先進(jìn)行硬件部分的實現(xiàn)，在硬件部分完成后再進(jìn)行軟件部分的實現(xiàn)；而軟硬件協(xié)同的設(shè)計方法則是將軟件和硬件體系作為一個整體并行設(shè)計、通過協(xié)同設(shè)計，深入挖掘軟硬件之間的協(xié)同性，從而使設(shè)計出來的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地工作。 通過上述的分析與比較可以看出硬件優(yōu)先的設(shè)計方法適用于一些小型和中型復(fù)雜度的系統(tǒng)中，在這些系統(tǒng)中由于硬件的復(fù)雜度不高，而且技術(shù)也比較成熟，選擇這種方法比較簡單易行；但是在一些大型的系統(tǒng)中，這種方法就不是很適宜了，需要更先進(jìn)的設(shè)計模型。軟硬件協(xié)同的設(shè)計模型比較適合在一些大型的系統(tǒng)中運用，在一些大型的系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計者的主要任務(wù)就是要在系統(tǒng)描述的基礎(chǔ)上確定功能模塊、分配系統(tǒng)功能、建立模塊間的聯(lián)系、規(guī)定模塊之間的作用方式。軟硬件協(xié)同設(shè)計模型與硬件優(yōu)先設(shè)計模型相比，更能有效地解決好這些問題。 5 結(jié) 論 本文介紹了兩種用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計模型：硬件優(yōu)先和軟硬件協(xié)同設(shè)計模型。在硬件優(yōu)先設(shè)計模型中，要求先根據(jù)具體的需求設(shè)計出硬件平臺，然后在這個平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件開發(fā)；通常，硬件平臺的開發(fā)者還要提供相應(yīng)的操作系統(tǒng)。在另外一種設(shè)計模型中，可以利用一些理論算法對劃分的軟硬件模塊進(jìn)行驗證。當(dāng)然，這兩種模型并非完美，它們都有各自的優(yōu)缺點，這需要在實際的應(yīng)用中根據(jù)實際需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇以設(shè)計出合適的滿足需要的嵌入式系統(tǒng)。 |
