（延安大學物理與電子信息學院 陜西 延安 716000）

1.嵌入式系統(tǒng)介紹

如今，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應用于各個領域，據有關調查表明，嵌入式系統(tǒng)每年的增長率達到了18%，發(fā)展勢頭極為迅猛，成為本世紀重要的角色。

嵌入式系統(tǒng)是嵌入式計算系統(tǒng)的簡稱，其核心就是微處理器，主要包括8位、16位與32位，在近幾年各類消費及電子產品大量的出現(xiàn)，使得16位與32位架構微處理器得到了全方面的應用?，F(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)，主要就是16位與32位RISC架構的微處理器以及衍生產品。8位微處理器由于年代較早，在我國成為單片機，已較少使用。

嵌入式系統(tǒng)主要分為：單硅片級、單板級以及多板級，單硅片級主要歸為專用芯片系統(tǒng)，單板級屬于通用芯片系統(tǒng)，而多板級是基于x86架構的系統(tǒng)，同樣歸為通用芯片類型。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)設計有以下幾種發(fā)展趨勢：

（1）嵌入式系統(tǒng)的研究與其應用領域會不斷擴大，其設計方向會完成從單一目標到多目標的轉化，設計者要考慮不同領域、不同需求，考慮包括系統(tǒng)功耗、功能、實用性、應用領域等多方面的要求。

（2）用戶基數(shù)不斷增大，嵌入式系統(tǒng)的涉及方面不斷擴大，復雜程度不斷提高，設計規(guī)模逐步擴大，發(fā)展速度不斷加快，完成由原來的單機系統(tǒng)到現(xiàn)在的分布式系統(tǒng)的邁進。

（3）硬件的集成度會顯著提高，因相關技術的不斷發(fā)展，尤其是半導體技術在近幾年的研究速度突飛猛進，系統(tǒng)級芯片的成功研發(fā)使存儲器、CPU等在單個硅片上進行集成提供了可靠的技術保障，并且這種高度集中的硅片正在成為現(xiàn)如今階段嵌入式系統(tǒng)設計的主流系統(tǒng)。

（4）嵌入式技術在手機等移動設備上得到了大量應用，因移動設備的體積、可充電性以及功耗方面的要求，嵌入式系統(tǒng)產品的集成度將會逐步提高，并成為移動設備不可缺少的部分。

（5）嵌入式產品的更新速度不斷加快，在如今的科技背景下，各類科技手段的更新?lián)Q代速度正在不斷地提升，這也要求嵌入式產品的更新速度隨時代要求不斷提升，設計者要減少新產品的研發(fā)時間，縮短設計周期，加快新產品的問世速度，更多地強調對設計的重用，軟件系統(tǒng)更多地強調構件重用。嵌入式系統(tǒng)中，硬件與軟件相互影響，相互聯(lián)系，相互補充，從而達到相互提升的作用。

2.傳統(tǒng)設計方法的局限性

傳統(tǒng)的設計方法，通常采用模塊化、自上而下的設計方法，首先是系統(tǒng)需求描述，然后劃分硬件與軟件，進行硬件設計與實現(xiàn)，最后進行軟件設計與實現(xiàn)。這種設計方法大體上是將硬件與軟件分割成兩個獨立的部分，通過硬件設計師與軟件設計師的設計，按照相關流程完成最后的設計。同時，在設計過程中，反復修改設計方案，并加以測試，最后使設計的產品達到指定設計要求。在硬件與軟件劃分完成時，首先設計硬件部分，之后對軟件進行設計測試，在整個系統(tǒng)中，設計過程基本上可以稱為串行過程，這種設計方式對設計者的經驗技術提出了較高的要求，沒能夠有效利用過去的開發(fā)成果，導致這種設計方案過程拖延，設計周期較長，成本較高，無法滿足當今快節(jié)奏的科技發(fā)展水平與日益復雜的嵌入式系統(tǒng)的設計要求，產品質量也令人堪憂，難以有效地進行全面應用。硬件與軟件的開發(fā)被割裂開來，缺乏有效的溝通交流，不能同步進行優(yōu)化設計。隨著設計系統(tǒng)逐漸復雜，設計規(guī)模不斷提高，僅依賴設計人員手工完成的系統(tǒng)級設計將超出人員的能力范圍，導致設計質量下降，同時導致市場競爭力下降。這種設計方法的局限性也在一定程度上促進了軟硬件協(xié)同設計方法的產生。

3.嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計描述

以軟硬件協(xié)同設計的方法是指在系統(tǒng)功能指標的管理下，通過分析系統(tǒng)軟硬件的情況、功能以及系統(tǒng)要求，全面挖掘軟硬件之間的共通處，并同時分析軟硬件自身結構、性質，尋找它們最優(yōu)的結合點，從而對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，提高系統(tǒng)的工作效率。和傳統(tǒng)的嵌入式方法不同，軟硬件協(xié)同設計更注重軟硬件之間的并行性與協(xié)同性，從而改變了原有的把硬件與軟件分割開來所帶來的弊端，利用軟件與硬件二者之間的影響與相互制約關系協(xié)同設計，使系統(tǒng)高效地工作。軟硬件協(xié)同設計包括系統(tǒng)描述、軟硬件功能劃分、軟硬件綜合技術、協(xié)同仿真和系統(tǒng)測試驗證等多個方面。

3.1 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)描述是從系統(tǒng)的行為功能以及性能兩個方面出發(fā)，并采用一種或多種描述語言，對設計師設計的嵌入式系統(tǒng)進行的全面描述過程，是對系統(tǒng)硬件與軟件模型的建立過程。在這個過程中，系統(tǒng)內的行為需要被反復地測試和驗證，以保證對設計初期所可能出現(xiàn)的錯誤進行及時發(fā)現(xiàn)與糾正，使系統(tǒng)工作更加可靠，效率更高。建立系統(tǒng)模型時，應包含四個元素。第一個是性能描述，這個元素體現(xiàn)了系統(tǒng)的整體結構與面貌，要求對系統(tǒng)輸入或輸出方面以及二者之間的聯(lián)系進行說明。第二個是功能特點，功能特點主要是指系統(tǒng)內所完成的各項功能，并對其各項功能與系統(tǒng)本身輸入與輸出的關系進行明確說明。第三為技術指標，技術指標主要用來判斷這個系統(tǒng)的整體質量好壞，并作出有效的說明，使設計師了解到今后的設計方向。第四是約束條件，約束條件規(guī)定了技術指標的應用方面和系統(tǒng)工作環(huán)境的要求，并同時說明了系統(tǒng)自身性能的缺陷與改進指標。

3.2 軟硬件功能劃分

軟硬件功能劃分主要是對系統(tǒng)功能和軟硬件的關系進行確定，主要依據是成本函數(shù)。成本函數(shù)主要考慮軟件執(zhí)行時間、硬件使用功耗、成本以及模塊之間的并發(fā)性等幾個方面。

3.3 軟硬件綜合技術

軟硬件綜合技術主要是指對軟硬件系統(tǒng)的大體設計，成果經過系統(tǒng)檢測評價之后，進行細致的系統(tǒng)制作，按照相應的系統(tǒng)要求，對軟硬件進行設計，使軟硬件協(xié)調一致地進行工作，保證整個系統(tǒng)的運行效率。

3.4 協(xié)同仿真和系統(tǒng)測試驗證

這個方面主要是應用硬件描述語言對硬件系統(tǒng)完成描述，同時采用軟件來搭配硬件的方法，可以完成相應設計要求，并顯著縮短設計周期，減少設計成本，避免浪費。

4.嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計的具體方法

當前，國際上對于嵌入式系統(tǒng)設計，應用的普遍方案是基于自頂向下理念的軟硬件協(xié)同設計方法，這種方法是一種合乎規(guī)范的軟硬件描述方法，也是最優(yōu)的軟硬件劃分方案。采用這類方法可以有效地滿足相應的設計要求，對相關的問題也能提出最優(yōu)的解決方案。

這種軟硬件協(xié)同設計方法的流程為：確定用戶需求，并根據用戶的需求建立應用系統(tǒng)規(guī)范，之后將軟硬件進行劃分以及性能評估工作，并構建相應的軟/硬件平臺進行測試以及驗證。軟硬件協(xié)同設計具體方法分為以下幾類：

4.1 基于 VHDL 的方法

這類方法將系統(tǒng)功能描述為受到VHDL特性影響的進程，其設計進程被逐步分解，并評估各類系統(tǒng)功能。這類方法對硬件的描述更加方便快捷，保證系統(tǒng)具有良好的可操作性與可靠性。比起其他的軟件描述方法，能更加方便地轉換研究開發(fā)內容。

4.2 基于有限態(tài)自動機的方法

這類方法可以對硬件模型、軟件模型和系統(tǒng)自身行為進行詳盡表述，基于有限態(tài)自動機的方法可以應用在對軟硬件的劃分與整合，非常規(guī)范地說明具體實現(xiàn)的方法及其轉換過程。這種方法的缺點在于，其只適用于小規(guī)模嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)，具有一定的局限性。

4.3 基于遺傳算法的劃分方法

采用這種方法，設計者可以通過對空間編碼、個體選擇、群體局部優(yōu)化等多方面進行詳盡的研究，對各類算法問題進行分析計算，完成對硬件與軟件之間的劃分。這種方法首先對遺傳和局部優(yōu)化參數(shù)進行確定，之后隨機生成滿足相應條件的解，并獲得最優(yōu)解集，利用遺傳操作完成硬件與軟件之間的劃分工作。應用相應的算法解決其劃分問題，高效率地完成系統(tǒng)的調試，降低設計成本，避免浪費的產生。

4.4 形式化的驗證方法

形式化的驗證方法具體實施情況為：建立相應的數(shù)學模型，應用相應算法來判斷系統(tǒng)的正確與否，驗證各項性能指標是否達標。形式化的驗證方法的優(yōu)點在于算法更加精確，但其局限性在于這種方法只針對于軟件，無法考慮硬件方面的要求，也不能直接在嵌入式產品中應用，所以此類方法只是一種系統(tǒng)驗證方法。

4.5 POLIS 方法學

這種方法學是對嵌入式系統(tǒng)協(xié)同設計進行框架結構設計，通過對微控制器和處理器進行組合，形成目標結構。這種方法建立在協(xié)同設計框架形式基礎上，其模型分為全局異步和局部同步，對于硬件和軟件的實現(xiàn)進行相同的計算，同步完成對軟硬件的實現(xiàn)。

5.結語

嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計研究是當今時代一個非常吸引人的研究課題，也是一個應用廣泛的課題，由于各類先進技術在嵌入式系統(tǒng)中的大量應用，各類技術及產品的更新速度越來越快，基于平臺的軟硬件協(xié)同設計方法因其先進性、可靠性和高效性正逐步成為主流嵌入式系統(tǒng)設計方法，并被廣泛應用于各類嵌入式系統(tǒng)中。通過對軟硬件之間關系的研究與分析，挖掘出它們之間的協(xié)同性與并行性，從而使系統(tǒng)更加高效地進行工作完善，降低相應成本；將現(xiàn)有的資源進行整合與充分利用，從而縮短產品的開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的效率。