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1、嵌入式系统嵌入式系统6 6 主要内容主要内容嵌入式系统面临的挑战嵌入式系统面临的挑战嵌入式系统的设计嵌入式系统的设计嵌入式系统软硬件协同设计嵌入式系统软硬件协同设计嵌入式系统节能设计嵌入式系统节能设计问题问题：功 能 、 性能要求价 格 、 开发 周 期 等约束设计：设计： 选择 折衷 分析比较 计算 评价嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统的设计嵌入式系统的设计方法方法工具工具设计流程设计流程自顶向下或自底向上设计自顶向下或自底向上设计需求需求设计说明设计说明体系结构体系结构构件设计构件设计系统集成系统集成自顶向下设计自底向上设计需求分析作用作用使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标使用户和设
2、计者有效交流、沟通，明确设计目标设计者设计者 设计什么？有哪些要求？设计什么？有哪些要求？用户用户 将得到的系统是什么样的？将得到的系统是什么样的？目标目标形成需求文档形成需求文档内容内容功能性需求功能性需求 做什么？做什么？输入输入, ,输出输出, ,功能，功能，非功能性需求非功能性需求 其他属性其他属性可靠性，速度，功耗，可靠性，速度，功耗，成本成本, ,大小大小, ,重量重量, ,设计时间，设计时间， 评价标准正确性无二义性完整性可检验性一致性可修改性可追踪性需求分析的描述自然语言需求说明书需求分析表形式化描述用例图等DOORS例：GPS移动地图的需求 规格说明规格说明与需求的比较需求的
3、提炼是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、更精确、更一致的描述目标形成规格说明书内容包含系统体系结构设计的足够信息规格说明书的描述自然语言形式化描述UMLRSMLSDL规格规格说明说明需求的精确描述需求的精确描述 描述明确，可理解描述明确，可理解 UML (Unified Modeling Language) UML (Unified Modeling Language) 统一建模语言是可视化的设计说明语言统一建模语言是可视化的设计说明语言统一描述系统的硬件和软件统一描述系统的硬件和软件 UML UML 可对系统的功能建模可对系统的功能建模 可自动产生实际设计的可自动产生实际设计的HDL H
4、DL 或或C+ C+ 代码代码UML的应用的应用I-Logix公司的Rhapsody系列产品基于统一建模语言UML的可视化编程环境把UML各类视图映射为具体目标机程序语言用于复杂实时嵌入式应用软件从分析、设计一直到代码实现和软件测试的开发过程NASA的火星探路者航天器就是运用Rhapsody在VxWorks上开发应用程序。系统结构设计系统结构设计 系统如何实现设计说明书描述的功能系统如何实现设计说明书描述的功能 基于组件的系统结构基于组件的系统结构 软件软件/硬件划分硬件划分 嵌入式系统中软件和硬件协同完成系统的嵌入式系统中软件和硬件协同完成系统的功能功能软件硬件划分通常由速度、灵活性以及开销
5、软件硬件划分通常由速度、灵活性以及开销来决策来决策嵌入式计算机系统基本结构嵌入式计算机系统基本结构嵌入式系统组成嵌入式系统组成系统结构设计系统结构设计系统结构设计作用实现系统的蓝图，系统整体结构的一个计划目标形成结构设计文档内容系统分析系统软硬件整体结构的设计软硬件划分标准构件和自行设计构件的确定 评价标准有弹性简单可实现层次清晰功能分布平衡平衡技术和经济约束满足功能需求和非功能需求可重用系统结构的描述非形式化方式自然语言结构框图形式化方法UML建模系统结构的设计过程及方法结构化设计方法 以算法为中心，从处理到处理的数据流从输入、输出入手，根据操作和数据流，形成比较粗的系统大框架；然后逐步细化
6、框架内的每个部分，进一步确定内部模块的及模块之间的关系设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程面向对象的方法 以类及交互模式为中心系统软件结构的设计结构化方法(SA/SD)面向对象的方法(OOA/OOD)UML建模结构设计的验证结构设计的正确性非常关键详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响验证所关心的问题结构设计是否满足功能、性能要求能否实现验证方法形式化方法仿真系统结构软件结构硬件结构其他方法如基于开发板的原型系统系统引入错误和修改错误开销分布系统引入错误和修改错误开销分布引入错误数目引入错误数目修改错误开销修改错误开销开发周期系统结构设计软硬件详细设计软硬件实现软硬件的划分 嵌入式
7、系统的设计涉及硬件与软件部件，设计中必须决定什么功能由硬件实现，什么功能由软件实现。硬件和软件具有双重性软硬件变动对系统的决策造成影响划分和选择需要考虑多种因素硬件和软件的双重性是划分决策的前提通常由软件实现的部分操作系统功能任务调度资源管理设备驱动协议栈TCPIP应用软件框架除基本系统、物理接口、基本逻辑电路，许多由硬件实现的功能都可以由软件实现。双重性部分算法加密解密编码解码压缩解压数学运算浮点运算， FFT， 标准构件和自行设计构件 构件的实现选择标准自行设计标准构件 ？现成构件已经产品化形成规模生产标准构件 自行设计构件 用户系统构件包括了硬件构件和软件构件构件本身可以是层次性的，可以
8、由子构件组成标准硬构件硬构件的形式：硬构件的形式：IC：集成电路：集成电路PCB：印刷电路板：印刷电路板IP：Intellectual Property标准 IC CPU, DSP, RAM, ROM, 接口控制器，ASIC,标准 IP CPU核，标准模块GPRS模块,GSM模块,蓝牙模块, 显示模块，标准计算平台基于PC104的嵌入式计算机基于Compact PCI的嵌入式计算机SOC,标准软构件OS / RTOS协议栈TCP/IP路由协议H.323图形开发包VxWorks的ZINK驱动程序自研硬构件内容逻辑电路，专用加速器，实现方式PCB： IC：PLD FPGA ASIC,EDA设计工具
9、板级： 原理图设计工具PCB设计工具IC硬件描述语言: VHDL,Verilog原理图描述工具综合仿真工具布线器, 自研软构件BSP驱动程序应用程序 软硬件技术对系统结构的影响硬软件设计的趋势融合、渗透硬件设计的软件化VHDL, VerilogHANDL-C软件实现的硬件化各种算法的ASIC对系统设计的影响协同设计增加灵活性增加了风险嵌入式系统设计者要求嵌入式系统设计者要求 懂得系统的整个构架懂得系统的整个构架 详细了解硬件的细节详细了解硬件的细节 软件设计满足：软件设计满足： 实时要求实时要求 低功耗低功耗 代码量小代码量小 详细了解领域知识详细了解领域知识嵌入式系统软硬件协同设计嵌入式系统
10、软硬件协同设计 软硬件协同设计软硬件协同设计软硬件协同设计软硬件协同设计硬件设计工具（EDA工具）系统级设计工具系统级设计工具Cadence的的SPWSystem View模拟电路系统仿真工具模拟电路系统仿真工具PspiceEWBPCB设计工具设计工具ProtelPADs 的的Power PCB & Tool KitMentor的的Expedition & Tool Kit可编程逻辑器件设计工具可编程逻辑器件设计工具Mentor FPGA Advantage & ModelSimXilinx Foundation ISE & Tool Kit各种综合和仿真第三方工具各种综合和仿真第三方工具软硬
11、件协同设计定义与主要概念软硬件协同设计定义与主要概念软硬件协同设计定义The meeting of system-level objectives by exploiting the trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent design主要概念Concurrent（并发）（并发）: hardware and software developed at the same time on parallel pathsIntegrated（一体化）（一体化）: interaction
12、between hardware and software developments to produce designs that meet performance criteria and functional specifications嵌入式系统嵌入式系统快速原型快速原型设计过程设计过程SYSTEMDEF.SWDESIGNVIRTUAL PROTOTYPEREUSE DESIGN LIBRARIES AND DATABASEPrimarilysoftwarePrimarilyhardwareSWCODEFUNCTIONDESIGNHW & SWPART.HWDESIGNHWFABINT
13、EG.& TESTHW & SW CODESIGNHW & SW Partitioning & Codesign嵌入式系统快速原型开发的基本要素嵌入式系统快速原型开发的基本要素系统定义（需求分析）系统定义（需求分析）软硬件划分软硬件划分结构规划结构规划 处理器类型处理器类型, 软硬件之间的接口类型软硬件之间的接口类型, 等等.划分目的划分目的 满足系统速度满足系统速度,延迟延迟, 体积体积,成本等方面的要求成本等方面的要求.划分策略划分策略 - high level partitioning by hand, automated partitioning using various techn
14、iques, etc.调度调度Operation scheduling in hardwareInstruction scheduling in compilersProcess scheduling in operating systems软硬件设计过程中的建模软硬件设计过程中的建模传统的嵌入式系统设计模型传统的嵌入式系统设计模型SystemSystemConceptsConceptsSys/HWSys/HWRequire.Require.AnalysisAnalysisSys/SWSys/SWRequire.Require.AnalysisAnalysisOperation.Operati
15、on.Testing and Testing and Eval.Eval.SoftwareSoftwareRequire.Require.AnalysisAnalysisPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignCoding,Coding,Unit test.,Unit test.,Integ. testInteg. testSW DevelopmentSW DevelopmentHWCIHWCITestingTestingCSCICSCITestingTestingSystemSystemInteg. and Integ. a
16、nd testtestHardwareHardwareRequire.Require.AnalysisAnalysisPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignFabric.Fabric.HW DevelopmentHW DevelopmentDOD-STD-2167A传统的嵌入式系统设计过程传统的嵌入式系统设计过程传统软硬件设计过程的基本特征传统软硬件设计过程的基本特征:系统在一开始就被划分为软件和硬件两大部分系统在一开始就被划分为软件和硬件两大部分软件和硬件独立进行开发设计软件和硬件独立进行开发设计“Hardware fir
17、st” approach often adopted隐含的一些问题隐含的一些问题:软硬件之间的交互受到很大限制软硬件之间的交互受到很大限制软硬件之间的相互性能影响很难评估软硬件之间的相互性能影响很难评估系统集成相对滞后，系统集成相对滞后，NRE较大较大因此因此:Poor quality designs（设计质量差）（设计质量差）Costly modifications（设计修改难）（设计修改难）Schedule slippages（研制周期不能有效保障）（研制周期不能有效保障）传统设计过程中的尖锐矛盾随着设计复杂程度的提高，软硬件设计中随着设计复杂程度的提高，软硬件设计中的一些错误将使开发过程
18、付出昂贵的代价的一些错误将使开发过程付出昂贵的代价 “Hardware first” approach often compounds（混合） software cost because software must compensate for（补偿） hardware inadequacies（不充分）软硬件设计过程发展方向协同设计软硬件设计过程发展方向协同设计SystemSystemConceptsConceptsSys/HWSys/HWRequire.Require.AnalysisAnalysisSys/SWSys/SWRequire.Require.AnalysisAnalysisH
19、ardwareHardwareRequire.Require.AnalysisAnalysisSoftwareSoftwareRequire.Require.AnalysisAnalysisOperation.Operation.Testing and Testing and EvaluationEvaluationSW DevelopmentSW DevelopmentHW DevelopmentHW DevelopmentSystemSystemInteg. and Integ. and testtestHWCIHWCITestingTestingCSCICSCITestingTestin
20、gFranke91Integrated Modeling SubstrateIntegrated Modeling Substrate（一体化建模底层）（一体化建模底层）Prelim.Prelim.DesignDesignPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignDetailedDetailedDesignDesignFabric.Fabric.Coding,Coding,Unit test.,Unit test.,Integ. testInteg. test IEEE 1991嵌入式软件的开发过程（瀑布模型）嵌入式软件的开发过
21、程（瀑布模型）Requirement AnalysisSoftware DesignCodingTestingRelease软硬件协同设计的基本需求软硬件协同设计的基本需求统一的软硬件描述方式软硬件支持统一的设计和分析工具（技术）允许在一个集成环境中仿真（评估）系统软硬件设计支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植交互式软硬件划分技术允许多个不同的软硬件划分设计进行仿真和比较辅助最优系统实现方式决策将软硬件划分应用到模块设计，以便最佳地实现系统的设计指标。Partitioning applied to modules to best meet design criteria (功能和性能目标
22、)软硬件协同设计的基本需求软硬件协同设计的基本需求 (续续)完整的软硬件模型基础支持在设计过程中的几个阶段的综合评价支持软硬件逐步的开发和集成正确的验证方法确保系统设计达到的目标要求典型的软硬件协同设计过程典型的软硬件协同设计过程 SystemIntegrationInstruction set levelHW/SW evaluationUnified representation(Data/control flow) HW/SWPartitioning Interface Synthesis Software SynthesisSWHardware SynthesisHW System De
23、scription(Functional)Concurrent processesProgramming languages FSM-directed graphs Another HW/SWpartition经典的软硬件协同设计方法经典的软硬件协同设计方法Analysis of Constraintsand RequirementsSystem Specs.HW/SWPartitioningHardware Descript.Software Descript.HW Synth. andConfigurationInterface SynthesisSoftware Gen.& Parame
24、terizationConfigurationModulesHardwareComponentsHW/SWInterfacesSoftwareModulesHW/SW Integrationand CosimulationIntegratedSystemSystem EvaluationDesign VerificationRozenblit94 IEEE 1994软硬件协同设计的优势软硬件协同设计的优势在设计初始阶段就可进行软硬件交互设计和调整Provides continual verification throughout the design cycle（贯穿整个设计周期）Separa
25、te HW/SW development paths（开发路线） can lead to costly modifications and schedule slippages（导致代价昂贵的纠错成本和开发进度的下降）关键技术（如可编程逻辑综合技术、器件接口和功能模型描述）的进步使得软硬件交互设计变得简单起来软硬件协同设计技术的现状软硬件协同设计技术的现状主要问题:缺乏标准化的表示方法缺乏好的验证和评价方法可能的解决方案:扩展已有的硬件/软件语言工具并应用到不同种类情况扩展形式验证技术并应用到硬件/软件领域基于FPGA的嵌入式系统设计SOPC设计软硬件协同设计基本步骤软硬件协同设计基本步骤HW
26、-SW system involvesSpecification（设计描述）（设计描述）modeling （设计建模）（设计建模）design space exploration and partitioningsynthesis and optimization（综合与优化）Validation（设计验证）（设计验证）implementation （设计实现）（设计实现）软硬件协同设计基本步骤软硬件协同设计基本步骤Specification（设计描述）List the functions of a system that describe the behavior of an abstrac
27、tion clearly with out ambiguity.Modeling（设计建模）Process of conceptualizing and refining the specifications, and producing a hardware and software model.软硬件协同设计基本步骤软硬件协同设计基本步骤Validation:Process of achieving a reasonable level of confidence（置信度） that the system will work as designed.Takes different flav
28、ors per application domain（根据应用领域而不同）: cosimulation for performance and correctness（性能与功能的协同仿真）软硬件协同设计基本步骤软硬件协同设计基本步骤Implementation:Physical realization of the hardware (through synthesis) and of executable software (through compilation).协同设计中的软硬件划分与调度协同设计中的软硬件划分与调度 (where and when)A hardware/softwa
29、re partitioning represents a physical partition of system functionality into application-specific hardware and software.Scheduling is to assign an execution start time to each task in a set, where tasks are linked by some relations. 嵌入式系统的节能设计嵌入式系统的节能设计 （硬件节能、软件节能）（硬件节能、软件节能）嵌入式系统的节能设计嵌入式系统的节能设计节能计算
30、成为嵌入式系统设计、系统软件重点考虑的基本方面：节能计算包括：硬件体系结构支持在小巧外形尺寸下，如何实现所需电源性能的工艺和技术热管理、降噪、电池管理和功能整合软件支持节能编译操作系统节能策略现状现状电源管理策略面向PC、笔记本电脑、服务器、通信设备的刀片服务器APM：高级电源管理方案 ACPI：高级配置和电源接口 根据嵌入式系统模型定制节能技术非常缺乏，甚至在某些方面是空白 手持设备电源管理手持设备电源管理电池寿命不等同于电源管理的成效性能、多媒体系统、数码摄像新增功能增加系统的耗电量缩短电池寿命 影响因素CPU 功能系统软件中间件管理策略传统手持设备管理策略传统手持设备管理策略处理器时钟变
31、慢操作系统转入待机、睡眠状态动态电源管理 (DPM) 调整内核电压和频率 高性能存储器彩色显示器无线接口 固化为通用电源管理IC 软件节能策略软件节能策略预测什么时候设备的未来使用状况或者使用率 “time-out”策略预测特定的时间长度 基于GSPN网络和HMM的技术 Montavista 基于linux通用性强，但是嵌入式系统定制性强，效果不佳能耗测试能耗测试测试出每条指令的能耗，估计测试程序运行完的总能耗测试出每个函数的能耗，然后利用这些函数作为标准去估计其他函数运行的能耗节能操作系统节能操作系统目的保证操作系统实时性的前提下，完成能耗计算调度算法的节能优化中断处理优化低功耗文件系统CP
32、U 电压和频率调节会给实时性能带来了严峻挑战可能造成不稳定“重新锁定”锁相环路和其它动态时钟机制需要时间，造成了很长的等待时间（有时是毫秒级别）锁定期间 CPU 既不能执行计算操作，又不能响应外部事件（中断） 每一软件相应的手机最低电压CPU频率相应设备通过动态的调节CPU的内核频率与内核电压，以及动态的关闭系统的某些设备和调整某些设备的状态 外设驱动外设驱动针对不同功能部件的能耗，进行合理的功耗优化从电池开始，严格和精确地电量测量根据外设特征研究不同的电源管理策略下的驱动现有情况硬件产品有几种状态定义状态提供不同的服务质量和消耗的能量 提供各种状态之间的转换接口 算法目标实现状态转换的节能策略 减少待机能耗人工智能技术的应用通过软件来动态的预测和控制某些部件的开关节能通讯协议栈节能通讯协议栈连接干预节能的传输调度算法缓冲区技术局部性原理与预取低功耗压缩算法节能编译节能编译对每条指令的能耗进行测试对函数编译结果的能耗进行估计错误处理代码的能耗设计基于ICE进行函数执行代码统计
