（系统分析与集成专业论文）基于cdm的软硬件协同设计若干关键技术研究.pdf

摘要 基于c d m 的软硬件协同设计若干关键技术研究 摘要 软( 件) 硬件协同设计( h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n ) 是一种在 设计的最初阶段就将软件与硬件两方面结合起来权衡功能的分 配，在软件与硬件的并行设计过程中实现软硬件的交互，以满足 系统的功能与性能要求的设计方法 g d m 9 7 d m 9 1 1 。随着人类 进入新的世纪，由于信息技术的飞速发展，软硬件协同设计技术 已经成为当前学术与产业界研究的热点。 德国d a r m s t a d t 工业大学v l s i 与系统实验室自二十世纪九 十年代以来一直从事软硬件协同设计技术的研究，在系统建模、 设计与验证方面已取得了多项令人瞩目的成果，在国际上享有良 好声誉 d a r 0 0 1 。近年，该实验室又提出了系统建模工具c d m ， 并且已经应用于机器人、m p 3 播放器等多个系统的设计。本文的 基础是在上海市科技发展基金的资助下，与德国d a r m s t a d t 工业 大学合作对软硬件协同设计的若干关键技术展开的研究。 软硬件协同综合技术是软硬件协同设计的一个关键技术。基 于c d m 模型，作者提出了一个软硬件协同综合算法c o s m t 。和 传统的软硬件协同综合算法相比，这一个算法有以下几个特点： 1 1 传统的软硬件协同综合技术包括c o s y n 、c a s p e r 、m o g a c 等研究的对象是分布式硬实时嵌入式系统 b g n 9 7 b n 9 8 1 r n 9 82 ，而本算法研究的对象是具有硬实时与 软实时约束的嵌入式系统。2 ) 采用了一个基于r m a c j 7 3 1 的s l a c k s t e a l 调度策略 r k a 9 3 1 以满足软实时与硬实时约束相混合的要求。 3 ) 本算法中还提出了一个系统的硬件互联结构生成子算法，这一算 法通过减少硬实时通信事件的资源竞争、降低软实时通信事件的 路由复杂性，使得生成的硬件互联结构能够满足系统的硬f 软) 实时 性约束，同时提高系统的可靠性。4 ) 在优化方法中采用了一个近似 华东师范大学博士学位论文 p a r e t o r a n k i n g b g n 9 7 的评级方法，满足了设计的多重性能优化要 求。 如何高效、正确地将高层抽象形态的设计自动转化成设计的 低层实现形态是软硬件协同设计的一大难题。对此，本文给出一 个将设计从高层抽象模型( c d m 模型) 转化成部件的 s y s t e m c s y s 0 2 行为级代码框架的自动生成算法。通过实验验证， 生成的s y s t e m c 代码能够满足系统的功能及软实时、硬实时约束。 详细设计描述技术也是软硬件协同设计的一个重要技术，其 目的是支持设计者建立详细设计的描述模型，直观地描述软件或 者硬件的时间特征、数据流与控制流等信息，以有效地对系统的 详细设计进行分析、研究。c d m 能够用来建立系统模型，但是并 不适合详细设计的描述。对此，作者提出了一个双层定时p e t r in e t d t t p n 及层次化d t t p n ，它能够将数据流与控制流在同一个 模型中分开表示，能够描述系统的时间特征，这样，设计者能够 同时在数据域与控制域分析设计，也能够分析系统的时序特征， 从而为部件的详细设计提供了一个描述工具。 通过上述研究，作者从系统结构的设计、部件的设计与实现 这两个阶段对软硬件协同设计的关键技术进行了系统的探讨，在 c d m 的基础上形成了一套软硬件协同设计的工具与算法。 软硬件协同设计实验平台r o c s 是应用上述技术开发的软硬 协同设讨实验系统。它支持设计者采用文本或图形的方式对系统 采用c d m 进行描述，并根据生成的c d m 模型进行协同综合从而 得到系统结构描述，然后生成系统的行为级s y s t e m c 代码框架。 本文介绍了r o c s 的系统设计，着重分析了上述技术在系统中的 应用。然后以一个p d a 为例进行了实验研究，实验结果表明： r o c s 能够支持设计者进行系统结构的设计；借助于r o c s 生成 的s y s t e m c 代码及s y s t e m c 的开放平台，设计者能够在设计的早 期发现错误，并对设计进行改进。 综上所述，本文的主要工作与创新点归纳为： 摘要 i 提出了一个软硬件协同综合算法c o s m t 。 2 给出了一个将协同综合后的c d m 模型转化为部件的 s y s t e m c 行为级代码框架的自动生成算法。 3 提出了一个详细设计的描述工具d t t p n 及其层次化 d t t p n 。 4 应用上述技术到软硬件协同设计平台r o c s ，对p d a 实例 进行了实验研究，取得了较好的实验效果。 本文的研究成果及软硬件协同设计实验平台r o c s 已用于 “中德软硬件协同设计技术合作研究”项目( 已于2 0 0 4 年1 2 月 1 7 目通过专家鉴定) 。 关键词：软硬件协同设计，系统模型，软硬件协同综合，部件设 计，详细设计描述，软硬件协同设计环境，c d m 1 i i r e s e a r c h e so ns o m ek e y t e c h n i q u e s o fh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n a b s t r a c t h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g ni saf r u i t f u la p p r o a c ht h a tc o m b i n e s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep e r s p e c t i v e sf r o mt h ee a r l i e s ts t a g e so ft h e d e s i g np r o c e s sa n de x p l o i t st h es y n e r g i s mo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h r o u g h t h e i rc o n c u r r e n t d e s i g n t om e e t s y s t e m - l e v e lo b j e c t i v e s d m 91 g d m 9 7 1 w i t h t h ei n f o m a a t i o n t e c h n o l o g yd e v e l o p i n g r a p i d l y , t h e r e s e a r c ho fh a r d w a r e s o f t w a r ec o - d e s i g nt e c h n i q u e sh a s b e c o m eah o t s p o t o ft h ea c a d e m ea n d i n d u s t r y t h ef a c u l t i e sa t v l s i & s y s t e ml a b ( i c sl a b ) o ft h d a r m s t a d t t e c h n i c a l u n i v e r s i t y h a v eb e e n r e s e a r c h i n g o nt h e c o d e s i g n t e c h n i q u e sf o rad e c a d ea n d h a v em a d ee x c e l l e n ta c h i e v e m e n t si nt h e s p e c t r u mo fm o d e l i n g ，d e s i g na n dv a l i d a t i n g d a r 0 0 r e c e n t l yt h e y p u tf o r w a r das y s t e m m o d e l i n g t o o lc d ma n da p p l i e di ti nt h ed e s i g n o fm p 3p l a y e ra n dr o b o t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e c o o p e r a t i v e r e s e a r c ho fs o m eh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n t e c h n i q u e s w i t ht h e d a r m s t a d tt e c h n i c a lu n i v e r s i t y , w h i c hi s s u p p o r t e db yt h er e s e a r c h & d e v e l o p m e n t f o u n d a t i o no f s h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h a r d w a r e s o f t w a r ec o s y n t h e s i st e c h n i q u ei sak e yt e c h n i q u ei n t h e c o d e s i g n a r e a ah a r d w a r e s o f t w a r e c o s y n t h e s i sa l g o r i t h m c o s m ti s p r o p o s e d i nt h i s p a p e r c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a l c o s y n t h e s i st e c h n i q u e s b g n 9 7 b n 9 8 r n 9 8 _ 2 ，t h i s o n eh a s f o l l o w i n g f e a t u r e s ：1 、c o s m tt a r g e t sa tt h e c o s y n t h e s i s o ft h e e m b e d d e ds y s t e m sw h i c ha r ec h a r a c t e r i s t i cw i t ht h em i x t u r eo fh a r d r e a l t i m ea n ds o f tr e a l t i m ec o n s t r a i n t s 2 1as l a c ks t e a ls c h e d u l e p o l i c y r k a 9 3 b a s e d o nr m a 【c j 7 3 】i sa d o p t e dt om e e tt h eh a r da n ds o f t a b s t r a c t t e a lt i m ec o n s t r a i n t s 3 、ah a r d w a r ec o n n e c t i v es t r u c t u r ef c i r m u l a t i o n s u b a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h i ss u b a l g o r i t t u nc a ng e n e r a t eh a r d w a r e t o p o l o g ys t r u c t u r e ，w h i c h m e e t st h er e a l t i m ec o n s t r a i n t s ，a n d e n h a n c e st h e s y s t e mr e l i a b i l i t yb yd e c r e a s i n g t h ec o n t e n t i o no f c o m m u n i c a t i o ne v e n t sw i t hh a r dr e a l t i m ec o n s t r a i n t s ，a n dr e d u c i n g t h er o u t i n gc o m p l e x i t yo fc o m m u n i c a t i o ne v e n t sw i t hs o f tr e a l t i m e c o n s t r a i n t s 4 ) a na p p r o x i m a t ep a r e t o - r a n k i n g 【b g n 9 7 】m e t h o di s p r o p o s e d t om e e tm u l t i o b j e c t s w i t hd i f f e r e n t w e i g h t s i nt h e e v o l v e m e n t s u b a l g o r i t h m i nt h ef i e l do fh a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g n ，i t i sad i f f i c u l t p r o b l e m t ot r a n s f o r mt h ed e s i g nf r o mt h ea b s t r a c td e s c r i p t i o no nh i g h l e v e lt o a n i m p l e m e n t a t i o n o nl o w e rl e v e l i nt h i s p a p e r , a n a u t o g e n e r a t i n ga l g o r i t h mi sd e v e l o p e d t oc o n v e r tt h ed e s i g nf r o mi t s a b s t r a c th i g h l e v e lm o d e l ( c d mm o d e l ) i n t ot h ef r a m e w o r ko ft h e b e h a v i o r l e v e ls y s t e m cc o d eo f c o m p o n e n t s a ne x p e r i m e n ti n d i c a t e s t h a tt h eg e n e r a t e ds y s t e m cc o d ec a nm e e tt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ， h a r dr e a l t i m ec o n s t r a i n t sa n ds o f tr e a l t i m ec o n s t r m n t s i n t e r n a l d e s i g nr e p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u e i sa l s oa l l i m p o r t a n t t e c h n i q u eo fc o d e s i g nt h a tc a ns u p p o r td e s i g n e r s t oe s t a b l i s ht h e r e p r e s e n t a t i o nm o d e lo f t h ei n t e r n a ld e s i g na n d e x p l i c i t l yd e s c r i b et h e c o n t r o lf l o w , d a t af l o wa n dt i m e f e a t u r eo ft h ed e s i g ni no r d e rt o a n a l y z ea n de x p l o r et h e i n t e r n a ld e s i g nc a r e f u l l y i nt h i s p a p e r ，t h e a u t h o rp r o p o s e sad o u b l et r a n s i t i o nt i m e dp e t r in e t ( d t t p n ) a n d h i e r a r c h i c a ld t t p n ( h d t t p n ) ，w h i c hc a nn o to n l yr e p r e s e n tt h e d a t af l o wa n dc o n t r o lf l o ws e p a r a t e l y ，b u ta l s o r e p r e s e n t t h et i m e f e a t u r e si nt h es a m em o d e l w i t ht h es u p p o r to ft h ed t t p n ，d e s i g n e r s c a ne x p l o r et h ed e s i g ni nt h ec o n t r o la n dd a t af i e l ds i m u l t a n e o u s l y ， a n d i n v e s t i g a t e t h et i m i n g p r o p e r t y a sw e l l a st h ea b o v er e s e a r c h e ss h o w , t h ea u t h o rh a ss t u d i e dt h ek e y t e c h n i q u e ss y s t e m a t i c a l l y i nt h e d e s i g np h a s e si n c l u d i n gs y s t e m a r c h i t e c t u r ed e s i g n ，a n dc o m p o n e n t d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n a n d a s e r i e so f c o d e s i g nt o o l sa n da l g o r i t h m sa r ep r o p o s e do nt h eb a s i so f v c d m t h eh a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g np l a t f b r m r o c si sa n e x p e r i m e n t a ls y s t e mw i t ht h ef o r e g o i n gt e c h n i q u e s w i t ht h es u p p o r t o fr o c s ，d e s i g n e r sc a n s p e c i f y s y s t e mw i t hc d m i nt e x t u a lo r g r a p h i c a ls t y l e ，c o s y n t h e s i st h ec d m m o d e li m os y s t e ma r c h i t e c t u r e d e s c r i p t i o n ， a n d a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e t h e矗a m e w o no f b e h a v i o r l e v e lc o d ei ns y s t e m c i nt h i st h e s i s ，t h es y s t e md e s i g no f r o c si si n t r o d u c e da n dt h ed e t a i l sa b o u tt h ea p p l i c a t i o no ft h ea b o v e t e c h n i q u e s a r ep r e s e n t e d t h e n ，a ne x p e r i m e n to fp d a d e s i g nw i t h r o c si sm a d e t h e e x p e r i m e n l i l l u s t r a t e s ：r o c sc a n s u p p o r t d e s i g n e r st od e s i g nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ；w i 血t h es u p p o r to ft h e s y s t e m cc o d eg e n e r a t e db yr o c s a n dt h es y s t e m c d e s i g np l a t f o r m ， t h ed e s i g n e r sc a l lf i n dd e s i g ne r r o r si nt h ee a r l ys t a g e so f d e s i g na n d i m p r o v e t h ed e s i g n i ns u m m a r y , t h e m a j o r w o r ka n di n n o v a t i v ec o n t r i b u t i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o na r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 )a c o s y n t h e s i sa l g o r i t h mc o s m t i sp r o p o s e d 2 )a na u t o g e n e r a t i n g a l g o r i t h m i s d e v e l o p e dt ot r a n s f o r m t h ec d mm o d e li n t ot h ef r a m e w o no ft h eb e h a v i o r l e v e l s y s t e m c c o d eo f c o m p o n e n t s 3 )a ni n t e m a l d e s i g nr e p r e s e n t a t i o n t o o ld t t p na n d h i e r a r c h i c a ld t t p ni sg i v e n 4)the f o r e g o i n gt e c h n i q u e s a r e a p p l i e d t ot h e h a r d w a r e s o f t w a r ec o - d e s i g np l a t f o r mr o c s w e e m p l o y r o c si nt h e c o - d e s i g ne x p e r i m e n to f ap d aa n dg e ta g o o d r e s u l t t h ea c h i e v e m e n t sa n dh a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g np l a t f o r m r o c sh a v eb e e nu s e di nt h e p r o j e c t “s i n o g e r m a nc o o p e r a t i v e r e s e a r c ho nh a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g nt e c h n i q u e s ”( a p p r a i s e do n d e c 1 9 m 2 0 0 4 ) k e y w o r d s ：h a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g n ，s y s t e m m o d e l ， v i h a r d w a r e s o f t w a r e c o s y n t h e s i s ，c o m p o n e n td e s i g n ， i n t e r n a l d e s i g nr e p r e s e n t a t i o n ，h a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g ne n v i r o n m e n t ，c d m 葶采印纪元孝 2 0 0 4 届博士学位论文 y 7 2 3 4 8 1 基于c d m 的软硬件协同设计若干关键技术研究 术课题研究受上海市科技发展基金项目“中德软硬件协同设计技术合作研究”资助 项目编号：0 2 5 0 0 7 0 1 4 专业名称垒堕佥盘鱼塞盛 导师姓名顾君忠教授 2 0 0 4 年l o 月 答辩委员会 姓名状称婶俩址否博导备注 诸鸿史l 教授f i 海交通大学是答辩委会员主席 宋削义教授总参5 7 所是 赖宗j ：i救授华东师范大学疋 朱i ：i l 被授f # 东师范大学是 陈树r i i毁授t 仁东师范人学是 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名：嚼：缝 日期：乏型! ! 厶乡， 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名舀拿手 导师签名： 日期： 。 刍。z ， 弘哀七 主要术语对照表 主要术语对照表 a p i ：a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 应用程序编程接口 a s i c ：a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 专用集成电路 c a p ：c l i e n ta p p l i c a t i o np r o x y 客户端鹿用软件代理 c o m p o n e n t 部件 d c o m ：d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e lm i c r o s o f t 。的分布式组件对象模型 d a t af l o wp r o c e s sn e t 数据流处理网 e m b e d d e ds y s t e m ：嵌入式系统 f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 f i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) 有限：伏态机 i u n c t i o n a ls p e c i f i c a t i o n 功能描述 f u n c t i o n a la l l o c a t i o n 功能分配 g e n e t i ca l g o r i t h m 遗传算法 h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n 软硬件协同设计 h a r d w a r e s o f t w a r ec o s y n t h e s i s 软硬件协同综合 h a r d w a r e s o f t w a r ec o s i m u l m i g n 软硬件协司仿真 h a r d w a r e s o f t w a r ep a r t i t i o n 软硬件划分 i n t e r n a ld e i g nr e p r e s e n t a t i o nm o d e l 详细设计捕述模型 i n t e l l i g e n tt e r m i n a l 智能终端设备 i s o ：i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d 国际标准化组织 i t u ：i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n国际电信联盟 p d a ：p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 个人电子助理 p e r f o r m a n c ee s t i m a t i o n 性能估计 q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e 服务质量 r m a ：r a t em o n o t o n i c a l g o r i t h m 速率单涧算法 s o c ：s y s t e mo nc h i p 片上系统 s y s t e mm o d e l 系统模型 s y s t e ms p e c i f i c a t i o n 系统规格说明 t a s kg r a p h 任务图 v i r t u a lp r o t o t y p i n g 虚拟原型 x 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着信息技术的飞速发展与广泛应用，各种数字化产品已经深入到人们的工作、生活的 各个方晰，并日早现m 强健的市场潜力。据权威分析机构国际数据公司i d c ( i n t e l n a t i o n a ld a t a c o r d o 斌i o n ) 预测，全球移动电话的出货量2 0 0 4 年将达到5 0 4 亿部，而且从2 0 0 5 年至2 0 0 7 年将一直保持7 的增长率。全球m p 3 播放器的市场也将从2 0 0 2 年的1 1 8 亿美元增加到2 0 0 7 年的4 4 0 亿美元。同样，信息家电、车载智能终端等多种数字化产品也具有相当可观的市场 港j j c h l 0 2 i c n w 0 3 电0 4 。毫无疑问，这些数字化产品将给人们的生活带来日新月异的 变化，在未来的信息化社会中将扮演非常重要的角色。 在数字化产品的设计中，设计方法是决定产品的质量与成本的一个关键因素。软硬件协 同设计是种在设计的最初阶段就将软件与硬件两方面结合起来权衡软硬件分配，在软件与 硬件的并行设计过程中实现软硬件的交互，以满足系统的性能与功能要求的设计方法。这种 方法可以“泛应用于各种数字化产品的设计，与传统的设计方法相比较，它能够减少设计的 错误，提高系统的可靠性，缩短设计的周期，降低产品的成本 d m 9 1 【g d m 9 7 。所以，软 硬件协同发计是未来数字化产品设计的一项核心技术。随着数字化产品市场的不断增长，软 硬件协同设计技术的研究日益受到国际学术界的广泛关注。 自二十世纪九十年代以来，国际上许多著名的研究机构都一直在从事软硬件协同设计技 术的研究。德国d a r m s t a d t 工业大学v l s i 与系统实验室是其中非常突出的一个。在长达十 多年的软硬件协同设计的研究过程中该实验室在系统建模技术、软件与硬件的实现技术、验 证技术等方面进行了广泛的研究，取得了丰硕的成果，在国际上享有很高的声誉。近年，该 实验室又提出了系统建模工具c d m ，并且已经应用于机器人、m p 3 播放器等多个系统的设 计。 在上海市科技发展基金的支持下，华东师大计算机应用研究所与d a r m s t a d t 工业大学 v l s i 与系统实验室合作开始了软硬件协同设计技术的研究。作为主要研发人员，作者有幸 参与了这一项目的全过程，在c d m 的基础上就软硬件协同设计的若干关键技术展开了深入 的研究。 华东师范大学博士学位论文 1 2 软硬件协同设计的定义 软硬件协同设计的定义至今仍没有完全一致的表述，主要有以下几种： d a v i dw f r a n k e 与m a r t i nk p u r v i s 认为 d m 9 1 ：“c o d e s i g n i saf r u i t f u l a p p r o a c h t o c o m p u t e rs y s t e md e s i g nt oc o m b i n et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep e r s p e c t i v e sf r o mt h ee a r l i e s t s t a g e so ft h ed e s i g np r o c e s sa n de x p l o i tt h ed e s i g nf l e x i b i l i t ya n de f f i c i e n ta l l o c a t i o no ff u n c t i o n t h a ts u c ha na p p r o a c ho f f e r s t h i si sc a l l e d h a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g n o rs o m e t i m e ss i m p l y ， c o 。d e s i g n ”即软硬件协同设计是一种在设计过程的箍初阶段就将软件与硬件两个方面结 合起来考虑， 以获得设计的灵活性与功能的有效分配的种设计方法，有时简称为协同设 计。 g i o v a n n id e m i c h e l i 认为 g d m 9 7 ：“h a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g n m e a n s m e e t i n g s y s t e m l e v e lo b j e c t i v e sb y e x p l o i t i n gt h es y n e r g i s mo fh m d w a r ea n ds o f t w a r et h r o u g ht h e i l c o n c u r ! e n t d e s i g n ”a 即软硬件协同设计是指通过在软硬件的并行设计过程中研究软硬件之 间的交互以满足系统级的目标。 东北大学的郭东晓等认为 郭刘文0 1 ：软硬件协同设计关注硬件开发与软件开发的协作 性， 可以有效地避免传统嵌入式系统设计方法所引发的一系列问题。 复旦大学的赵川等认为 赵徐孙0 3 ：软硬件协同设计一般是从一个给定的任务描述入 手，通过有效地分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则自动生 成符合系统功能要求，符台实现代价约束的硬件和软件结构。 东南大学的唐守龙等认为 唐刘陆0 2 ：在软硬件协同设计方法中，软件和硬件设计不再 是两个独立的设计单元，而是在设计之初便交织在一起，相互提供设计平台相互作用，真 正实现了二者的并行性。 以上几个定义表述方式不同，但都有以下两个特点： 交互性：在设计之初就将软硬件两方面结合起来考虑，决定哪些功能用软件来实现，哪 些功能用硬件来实现以得到一个满足系统功能与性能要求的设计。另一方面是硬件的设计与 软件的设计进行交互，互相提供设计平台，在交互的过程中优化设计。 并行性：是指软件与硬件两个部分同时设计，一方面使得交互性得以实现，y j - - n n n 短设计周期。 综上所述，可以认为：软硬件协同设计是一种在设计的最初阶段就将软件与硬件两方面 结合起来权衡功能的分配，在软件与硬件的并行设计过程中实现软硬件的交互，以满足系统 的功能与性能要求的设计方法。 1 3 软硬件协同设计过程 i 软硬件协同设计过程 2 第1 章绪论 目前，软硬件协同设计过程已有很多，典型的有以下几种： 如图卜1 是由s t e p h a ns c h u l z ，j e r z yw r o z e n b l i t ，m i c h a e lm r v a n k l a u sb u c h e n r i e d e r 等e q 人提出的基丁二模型的软硬件协同设计过程 s j m 9 4 。 图1 - 1 软硬件协同设计过程( 一) f s j m 9 4 在这一个过程中，设计人员首先基于系统规格说明对系统的功能进行细化，将其中相 同的功能进行归并，建立并确定系统模型。然后在模型的修改与分解这一步，将模型划分为 多个子模型，并给每一个子模型分配一组软件或硬件来实现这一子模型所表示的功能，如果 找不到现成的相应软件或硬件，则用一个待定的软件或硬件来实现，并且将这一子模型进 步细化直到能够直接转化为软件的高级语言代码( 如c 代码) 或者硬件的描述语言( ! n v h d l ) 代码。这一个待定的软件或硬件将在模型的映射以及系统的实现这两步实现。每次修改或分 解以后，通过基于模型的仿真验证修改与分解的结果是否满足系统的需求。经过验证后，将 各个子模型映射到具体的软件或硬件，并估计系统的性能。其中，如果某一子模型对应的软 件或硬件是待定的，则将这一子模型映射为硬件的描述语言( 如v h d l ) 代码或者软件的高级 语言代码( 如c 代码) 。然后设计过程进入系统实现与原型制作阶段，在这一阶段主要完成的 工作是将软件与硬件实现，并集成为一个原型系统。其中硬件的实现分为两种情况对待： 如果子模型对应的软件或硬件是待定的，则将其待定硬件的描述语言( 女d v h d l ) 代码进行综 合，将综合结果( 如逻辑网表) 进行必要的转化( 如将逻辑网表转化为f p g a 的配置信息) 输入到 硬件仿真器件( 女i f p g a 开发板上的f p g a 芯片) ：如果子模型对应的软件或硬件是现成的， 则根据与这些子模型相对应的硬件信息设计电路，制作硬件电路板；软件部分的实现同样地 分为两种情况：如果子模型对应的软件或硬件是待定的，则将其待定软件的高级语言代码 ( 如c 代码) 用多目标编译器进行编译，得到可执行代码，并下载到硬件电路板上；如果予 华东师范人学博士学位论文 模型对应的软件或硬件是现成的，则利用这一软件进一步开发，并用多目标编译器进行编译， 得到可执行代码，并下载到硬件电路板上。并具体实现硬件电路板与硬件仿真器件开发板( 如 f p g a 开发板) 的连接( 如采用总线连接) ，从而得到一个初步的系统原型。然后，通过仿真系 统的运行、测试运行结果，判断设计结果是否满足系统的需求。如果设计结果不能满足系统 的需求将回到前面的菜一步进行改进，直到得到满足系统需求的系统原型。 从上述过程可见，在这一过程中不仅要通过基于模型的逐步分解、模型与软件或硬件 的匹配以及与某一具体的软件或硬件的映射完成了系统结构的设计，而且要将不能利用现成 的软件或硬件实现的子模型细化直到可以直接转化为相应的软件代码( 如c 代码) 或者硬件的 描述语言代码( 如v h d l e 码) ，所以系统模型要能够在各个抽象层面上描述系统的行为，赢 到最终模型的各个部分能够转化为软件与硬件描述语言代码。因此，这个设计过程对于系统 模型以及基于模型的自动化设计技术都提出了很高的要求，是一种比较理想化的软硬件协同 设训过程。 如图l2 所示是东北大学郭东晓等提出的软硬件协同设计过程 郭刘文0 1 。与过程一相 比，这一个过程采用e s d l 与e h g l 对嵌入式系统进行描述，然后通过一个翻译器将其翻译 成c d f g 图。这样利用了现成的描述语言进行描述然后直接得到一个形式化c d f g 模型。然 后基于这一个c d f g 模型对系统进行软硬件的划分，得到软件与硬件的功能说明( c d f g 图描 述) 。进一步以软件与硬件的功能说明作为输入实现软件与硬件，并在一个虚拟调试环境中 进行调试。其中的虚拟调试环境包括虚拟的硬件仿真器与软件调试器两个部分，虚拟硬件仿 真器是一个用c + t 实现的软件，用来仿真硬件的运行。软件调试器也是基于c + 十的，被调试 的软件可以在这一个软件调试器中调用一个指向相关处理器指令集的调试函数与硬件部分 一起进行调试。这一个虚拟调试环境能够在软件与硬件的开发过程中进行软件与硬件之间的 交互与调试，以减少在硬件电路制作时的错误。 图1 - 2 软硬件协同设计过程( 二) 郭刘文0 1 第1 章绪论 在文献 吴彭j 1 5 0 3 _ 1 中，复旦大学吴百锋教授将软硬件协同设计过程分成系统描述与早 期分析、系统综合、实现综合与验证运行四个主要的步骤。系统描述与早期分析是指设计人 员用系统描述语言对所要设计的嵌入式系统进行功能和性能描述，并且对描述结果进行分 析，使得