宋 蕊，謝白玉

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)從出現(xiàn)至今已經(jīng)有30 多年了。 它廣泛應(yīng)用在消費電子、航空航天、汽車電子、醫(yī)療保健、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域，已經(jīng)被各行各業(yè)的人們所熟悉。 但“嵌入式系統(tǒng)”本身是一個相對模糊的概念，人們很難給其一個確切的定義。 目前，國內(nèi)普遍認(rèn)為：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，適應(yīng)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)[1]。 它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等4 個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

進入21 世紀(jì)后，隨著數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機從以普通PC 機為主流的時代慢慢步入到“后PC(Post-PC)”時代。 在計算機進入后PC 時代以后的幾年，嵌入式系統(tǒng)取得了前所未有的發(fā)展，并在工業(yè)控制、信息家電、智能儀表、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 目前，在世界范圍內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1 萬億美元。 可以毫不夸張地說，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)進入到現(xiàn)代社會中人們生活的方方面面， 它 “無處不在”。 然而，嵌入式系統(tǒng)的巨大發(fā)展和需求必將引起其設(shè)計方法的不斷演變， 加之它具有很強的專用性，可移植性差，這樣，一套完備、高效的設(shè)計體系就顯得十分必要，因而，分析和探討嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法也就有著十分深遠的意義。

1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的發(fā)展背景

應(yīng)用需求的牽引、芯片技術(shù)的發(fā)展以及計算機技術(shù)的推動，使得嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法不斷演化[2]。

1.1 應(yīng)用需求的牽引

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。 也就是說，嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，必須根據(jù)應(yīng)用需求，對軟硬件進行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。 所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎(chǔ)，再在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。

1.2 芯片技術(shù)的發(fā)展

芯片技術(shù)的發(fā)展使得單個芯片具有更強的處理能力，而且使集成多種接口成為可能。 由于對產(chǎn)品可靠性、成本、更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸從純硬件或使用通用計算機實現(xiàn)的應(yīng)用中脫穎而出，成為近年來令人關(guān)注的焦點。

1.3 計算機技術(shù)的推動

（1）計算機硬件平臺性能的大幅度提高使很多復(fù)雜算法和方便使用的界面得以實現(xiàn)，大大提高了工作效率，給復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)輔助設(shè)計提供了物理基礎(chǔ)。

（2）高性能的電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，簡稱EDA）綜合開發(fā)工具得到長足發(fā)展，而且其自動化和智能化程度不斷提高， 為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了不同用途和不同級別的編輯、布局、布線、編譯、綜合、模擬、測試、驗證和器件編程等一體化的、易于學(xué)習(xí)和方便使用的開發(fā)集成環(huán)境。

（3）硬件 描 述 語 言HDL(Hardware Description Language)為復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計提供了建立各種硬件模型的工具媒介。用HDL 來描述集成電路的功能和結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過不同級別的驗證，形成不同級別的IP(Intellectual Property)內(nèi)核模塊，供芯片設(shè)計人員裝配或集成選用。 IP 內(nèi)核模塊是一種預(yù)先設(shè)計并經(jīng)過驗證的、具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。 它按照行為(behavior)、結(jié)構(gòu)(structure)和物理(physical)3 級不同程度進行設(shè)計， 對應(yīng)有描述行為功能的“軟IP 內(nèi)核(Soft IP Core)”、主要描述結(jié)構(gòu)的“固IP 內(nèi)核(Firm IP Core)”和基于物理描述并經(jīng)過驗證的“硬IP 內(nèi)核(Hard IP Core)”3 個層次。 豐富的IP 內(nèi)核模塊庫為快速設(shè)計專用集成電路和單片系統(tǒng)提供了基本保證，也給電子系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域帶來了重大變革。

2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的比較

不同于標(biāo)準(zhǔn)平臺上的應(yīng)用軟件開發(fā)，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)意味著軟件與硬件的并行設(shè)計。 在開發(fā)之前，要明確嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程。 根據(jù)開發(fā)流程，嵌入式系統(tǒng)有以下3 種設(shè)計方法。

2.1 流線型設(shè)計方法

流線型設(shè)計方法又稱硬件優(yōu)先設(shè)計方法[3]，即設(shè)計過程按照從硬件到軟件的流水線進行。 其設(shè)計過程可分為3 步：（1）準(zhǔn)備階段。 依據(jù)功能、能耗、造價等因素進行需求分析，并進行軟、硬件功能分配。（2）軟、硬件設(shè)計實施階段。 軟、硬件的設(shè)計主要基于各系統(tǒng)設(shè)計師的水平，軟件部分的設(shè)計在硬件設(shè)計和測試完成后進行。 （3）測試系統(tǒng)，即評估整個系統(tǒng)的運行情況。 流線型設(shè)計方法的具體過程如圖1所示。

圖1 流線型設(shè)計過程Fig.1 Streamline design process

從圖1 可以看出，采用該方法進行設(shè)計時，任何一個中間環(huán)節(jié)的阻塞都會影響其他環(huán)節(jié)的開發(fā)；軟件設(shè)計者必須等到一個完善的硬件工程完工，才能開始設(shè)計；只有在設(shè)計的最后階段，設(shè)計者才能檢驗軟硬件功能分配的正確性， 如果有任何錯誤，整個設(shè)計流程必須重新開始。 盡管如此，硬件優(yōu)先設(shè)計方法仍是有價值的方法，尤其對于中低復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計，因為開始階段的功能分配所需的時間比別的方法少，在設(shè)計過程中，設(shè)計者可使用成熟的組件流程，利用已有的經(jīng)驗盡量減小設(shè)計錯誤的風(fēng)險。 另外，嵌入式操作系統(tǒng)的引入簡化了設(shè)計過程，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 然而，對于高端的嵌入式系統(tǒng)，需要在早期設(shè)計階段就能識別出錯誤。 因此，流線型設(shè)計方法只適用于小型及中低復(fù)雜度系統(tǒng)，在人力物力資源有限、對開發(fā)周期要求不高的場合比較實用。 在該模式下，要求開發(fā)人員對軟、硬件設(shè)計和制作都比較熟悉。

2.2 V 型設(shè)計方法

V 型設(shè)計方法[4]是一種并行的設(shè)計方法，即硬件設(shè)計和軟件設(shè)計同時獨立進行，最后聯(lián)合調(diào)試。 其設(shè)計過程分為3 步：（1）需求分析，總體設(shè)計。 這與流線型設(shè)計方法相同，依據(jù)規(guī)格要求，通過需求分析，建立對系統(tǒng)功能的完整描述，然后分解軟硬件功能。 （2）軟、硬件設(shè)計。 在此階段，軟、硬件設(shè)計同時獨立進行，互不影響，縮短了開發(fā)周期，這一點不同于流線型設(shè)計方法。 （3）系統(tǒng)集成、測試與驗證。將軟件和硬件集合在一起，編譯測試，并且評估能否符合系統(tǒng)規(guī)格。 若不能，軟硬件功能分配就重新開始。 具體設(shè)計過程如圖2 所示。

圖2 V 型設(shè)計過程Fig.2 V-type design process

由圖2 可以看出，采用V 型設(shè)計方法，硬件設(shè)計與軟件設(shè)計互不影響，縮短了開發(fā)周期，適合于開發(fā)人力物力資源比較豐富、系統(tǒng)比較龐大的場合。但在該模式開發(fā)過程中， 設(shè)備驅(qū)動程序的可移植性差，而驅(qū)動程序與硬件和操作系統(tǒng)均有密切相關(guān)性，這就要求每個驅(qū)動設(shè)計人員都具有軟件和硬件的知識背景。

2.3 軟、硬件協(xié)同設(shè)計方法

V 型設(shè)計方法把軟、硬件分開獨立設(shè)計，只能改善其各自的性能，而不能對系統(tǒng)做出較好的性能集成和優(yōu)化。 針對V 型設(shè)計方法在軟、硬件開發(fā)中的缺陷，軟、硬件協(xié)同設(shè)計方法應(yīng)運而生。 它在V 型設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，增加了硬件抽象層[5]，該層對系統(tǒng)軟、硬件起著隔離作用，從而提高了系統(tǒng)軟件的可移植性，可有效地利用人力資源、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品的可靠性。 軟、硬件協(xié)同設(shè)計方法是以IP 內(nèi)核庫為設(shè)計基礎(chǔ)的，設(shè)計過程可分為4 個步驟：（1）需求分析，總體設(shè)計。 軟、硬件協(xié)同設(shè)計方法的第一步集中在系統(tǒng)設(shè)計的形式化規(guī)格上，即建立一個對系統(tǒng)運行的完整描述體系，結(jié)果是對系統(tǒng)功能的分解。 它采取一套組件的形式，具有全球通用性的功能。 功能性組件能夠用硬件或軟件實現(xiàn)。 因為使用了形式化描述方法，使有選擇地實施這些組件成為可能。 功能分配的目的是評估軟、硬件選擇，即依據(jù)功能組件的屬性， 選擇用硬件還是用軟件最優(yōu)，評估過程是基于不同的條件的。 （2）定義硬件抽象層接口。 以確保軟、硬件設(shè)計和測試工作能夠在相同的接口上進行，從而有利于最終的軟、硬件集成測試。 （3）軟、硬件的實現(xiàn)。 硬件組件能夠用VHDL 語言實現(xiàn)，之后需要做基于硬件抽象層的硬件驅(qū)動程序開發(fā)和硬件調(diào)試。 軟件使用編程語言JAVA，C，C++編碼， 之后需要做基于硬件抽象層的虛擬硬件驅(qū)動程序開發(fā)和軟件調(diào)試。（4）系統(tǒng)集成。它將軟件和硬件集合在一起，并且評估是否能與系統(tǒng)規(guī)格融合編譯。若不能，軟、硬件功能分配就重新開始。軟、硬件協(xié)同設(shè)計過程如圖3 所示。

在軟、硬件協(xié)同設(shè)計方法[6]的開發(fā)過程中，軟、硬件的設(shè)計與調(diào)試具有無關(guān)性，并可完全地并行進行，這樣就大大縮短系統(tǒng)的測試周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。 由于軟、硬件協(xié)同設(shè)計是基于運算法則的，所以系統(tǒng)設(shè)計能夠在早期得到檢驗和修改。 為了執(zhí)行實時的應(yīng)用程序，系統(tǒng)開發(fā)者必須使用可以利用的組件，例如IP 內(nèi)核模塊。 IP 內(nèi)核模塊是單片系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，究竟購買哪一級IP內(nèi)核模塊，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)、時間、資金和其他條件權(quán)衡確定。 購買硬IP 內(nèi)核模塊風(fēng)險最小，但代價最高。 但總的來說，通過購買IP 內(nèi)核模塊不僅可以降低開發(fā)風(fēng)險，還能節(jié)省開發(fā)費用。因為一般購買IP 內(nèi)核模塊的費用要低于自己單獨設(shè)計和驗證的費用。 軟、硬交互法的缺陷是一般用戶不了解硬件組件或IP 內(nèi)核模塊的內(nèi)部機制，限制了選取微處理器組件的自由度。

圖3 軟硬件協(xié)同設(shè)計過程Fig.3 Co-design process of software and hardware

3 結(jié)語

從應(yīng)用開發(fā)的角度看，嵌入式系統(tǒng)的3 種設(shè)計方法在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)會并存，不會簡單地出現(xiàn)“后者取代前者”的現(xiàn)象。 具體設(shè)計方法的選取主要視嵌入式系統(tǒng)的組件數(shù)量、組件復(fù)雜度、開發(fā)難度等參數(shù)而定。 目前，軟、硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)已成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的研究熱點，研究的根本目的是發(fā)現(xiàn)并且優(yōu)化那些用于評估分配功能的規(guī)則，理論上可能使軟、硬件交互設(shè)計成為自動過程。 現(xiàn)在，秉承了軟、 硬件協(xié)同設(shè)計思想的CAD 工具正在被開發(fā)，借助這些工具，會產(chǎn)生有效的解決方案。

[1] 范學(xué)英，張明新，王登磊. 嵌入式系統(tǒng)概述[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27(2)：113-115.

[2] 陸重陽，盧東華，文愛軍. 嵌入式系統(tǒng)及其設(shè)計方法的變化[J]. 中國集成電路，2002，(35)：44-46.

[3] 高筠. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法的分析[J]. 同煤科技，2006，9(3)：121-122.

[4] Mo Guan，Guang Jiehan，Hai Zhao. The Embedded Internet Technology Based on RealTime Kernel for non-PC Devices [J]. Sensing and Control，2004，11 (1)：343-344.

[5] Microsoft. Hardware Abstraction Layer for Microsoft s Windows NT Operating System [R]. US：Microsoft Corporation，1996.

[6] 陳扶辛，康秀光，張彬. 新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué)：軟硬件協(xié)同設(shè)計[J]. 科技資訊，2006，(14)：203.