（计算机应用技术专业论文）基于poosl的系统级建模及性能分析研究.pdf

摘要摘要嵌入式系统设计面临着系统复杂性的不断增加以及设计周期的逐渐缩短等问题的挑战，这类挑战来自于设计初期模糊的设计参数及非功能性需求( 低成本、低功耗等) 的不断增加等。传统的嵌入式系统设计方法仅凭个人经验取舍，无法保证产品设计的正确性及合理性，不能适应嵌入式系统同趋复杂的需要。系统级设计方法在嵌入式系统的软硬件实现之前，通过建立系统的可执行模型，定性和定量地分析系统的性能，对系统的需求及规格说明进行有效的评估，从而确定最初设计方案的可行性，并及时发现设计错误，避免了设计过程的反复，降低了开发成本。系统级设计方法的核心是系统级建模及性能分析，面向对象的形式化建模语言( p a r a l l e lo b j e c t o r i e n t e ds p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ，p o o s l ) 是荷兰爱因霍芬( e i n d h o v e n ) 大学研究和设计的专门针对复杂实时软硬件系统开发而设计的，基于严密的数学语义，能精确地描述系统的并发性、分布性、时间、通讯和功能特性，已经被证明是一种非常高效的分析和评估工业级复杂系统的建模语言。本文以p o o s l 作为系统级建模语言，通过实例分析，研究复杂嵌入式系统的系统级建模及性能分析方法。本文针对复杂嵌入式系统的特点，从系统级设计流程、系统级建模的指导原则和方法、性能分析的数学技术和p o o s l 性能分析库的扩展、工业级实例的系统级建模和性能分析4 个方面进行研究，形成了一套复杂嵌入式系统的系统级建模及性能分析方法。( 1 ) 详细分析了基于p o o s l 的系统级设计方法- - s h e ( s o f t w a r e h a r d w a r ee n g i n e e r i n g ) 方法，针对复杂嵌入式系统的特点对其设计流程进行了改进，提出了复杂嵌入式系统的系统级设计流程。在此基础上，提出了基于p o o s l 的系统级建模方法( p o o s l b a s e dh i e r a r c h ym o d e l i n gm e t h o d s ，p b h m m ) ，包括层次化建模、“t o p d o w n ”建模方法、面向对象建模技术和基于y - c h a r t 的资源建模方法。实践表明，p b h m m 满足了复杂嵌入式系统系统级建模的需要。( 2 ) 为了使建模过程工程化，提高模块的可重用性和可维护性，针对系统级建模中反复出现的数据抽象、信号原语抽象、异步并发处理和进程间通讯等机制的实现过程，提出了通用建模模式( m o d e l i n gp a t t e r n s ) 和构件式建模方法，以指导具体的建模实现过程，并构建了典型的嵌入式系统构件的模型库。( 3 ) 为了定量分析嵌入式系统的吞吐量、平均延时和处理器的平均利用率等性能指标，本文运用再生周期技术分析计算这类指标的点估计值和置信区间，：i 匕京f ：业人。学- - l ：。学博+ 学位论文并扩展了建模工具s h e s i m 的构件库，以方便嵌入式系统建模时重用。为了验证性能分析库的币确性，建立了选择重传渭动窗口协议的性能分析模型，定量地分析了窗口大小、包大小和超时间隔等参数对协议性能的影响。分析结果表明，扩展的性能分析库能有效地应用于系统性能指标的定量分析。( 4 ) 以i e e e8 0 2 1 1 协议栈和无线接入系统的系统级建模和性能分析为例，进一步验证了所提出的系统级建模方法和性能分析技术的有效性。建立了i e e e8 0 2 1 1 协议栈的抽象模型，从行为和数学分析两方面验证了模型的正确性，分析了最小竞争窗口c w l n i 【1 等参数对有效吞i j 土量、平均延时等性能指标的影响，并确定了关键参数的最优取值。另外，还建立了基于i e e e8 0 2 1l b 协议的无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 系统的系统级模型，分析了a p 中相关参数如c w l n i 。对系统性能的影响，确定了a p 系统设计中待确定的c p u 处理速度。本文针对复杂嵌入式系统的特点，提出了系统级设计流程和系统级建模的方法；针对建模的具体实现过程，提出了通用的建模模式和构件式建模方法，方便了快速建模和模型构件的重用；通过p o o s l 性能分析库的扩展，完善了系统级建模和性能分析的工具平台；以i e e e8 0 2 1 l 协议栈和无线接入系统为例，验证了系统级建模及性能分析方法的正确性。形成了一套复杂嵌入式系统的系统级建模及性能分析方法，包括系统概念与需求的获取、模型的建立和验证、关键参数的提取和系统瓶颈的确定、设计方案的分析和修改等方面，以便在复杂嵌入式系统设计的早期阶段，对设计空间进行充分搜索，确定功能属性和非功能属性是否满足系统需求，在系统设计的顶层调整设计方案。本文的研究成果为嵌入式系统开发者的建模、设计空间搜索和设计方案的确定提供了新的方法和途径。关键词p o o s l ；嵌入式系统；系统级设计；性能分析；i e e e8 0 2 1 1a b s t r a c ta b s t r a c th a r d w a r e s o f t w a r ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mf a c e st h ec h a l l e n g eo fg r o w i n gc o m p l e x i t yu n d e rt h ep r e s s u r e so fat i m e t o - m a r k e ti m p e r a t i v e t h ec h a l l e n g ei n c l u d e st h eu n c l e a rp a r a m e t e r sa n dt h ei n c r e a s i n gn o n f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t ss u c ha sl o wc o s ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，e t c t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d so fe m b e d d e ds y s t e mc a nn o tm e e tt h ei n c r e a s i n gc o m p l e xn e e d s ，b e c a u s et h e yd e t e r m i n et h ed e s i g ns c h e m eo nt h eb a s i so fp e r s o n a le x p e r i e n c e sa n de , a nn o tg u a r a n t e et h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo fp r o d u c td e s i g n s y s t e m l e v e ld e s i g nm e t h o d se n a b l e dt h ed e v e l o p m e n to fa na b s 仃a c te x e c u t a b l em o d e lw h i c ha l l o w sq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i m t i v ep r o p e r t i e st ob ea n a l y z e db e f o r ea c t u a l l yr e a l i z i n gas y s t e mw i t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t s t h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n ds p e c i f i c a t i o nc a nb ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n s y s t e m - l e v e ld e s i g nm e t h o d sc a nr e d u c et h ed e s i g nc o s ta n da v o i dt h ei t e r a t i v ed e s i g np r o c e s st h r o u g hf i n d i n gt h ed e s i g ne r r o rp r o m p t l y s y s t e m l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni st h ec o r eo fs y s t e m l e v e ld e s i g nm e t h o d s e i n d h o v e nu n i v e r s i t yd e v i s e dp a r a l l e lo b j e c t o r i e n t e ds p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e( p o o s l ) ，w h i c hi sb a s e do nt h er i g o r o u sm a t h e m a t i c a ls e m a n t i c sa n du s e df o rt h ed e s i g no fc o m p l e xr e a l t i m eh a r d w a r e s o f t w a r es y s t e m p o o s lc a na c c u r a t e l yd e s c r i b et h ec o n c u r r e n c 5d i s t r i b u t i o n ，t i m e ，c o m m u n i c a t i o na n df u n c t i o n a lp r o p e r t i e so ft h es y s t e m i th a sb e e np r o v e nt h a tp o o s li sav e r ye f f i c i e n tm o d e l i n gl a n g u a g ef o ra n a l y s i sa n d a s s e s s m e n t o fi n d u s t r i a l - c o m p l e xs y s t e m s t h i sw o r ks t u d i e st h em e t h o d so fs y s t e m l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nb yt h ea n a l y s i so fs e v e r a le x a m p l e sb a s e do np o o s l t h i sw o r kp u t sf o r w a r dam e t h o do fs y s t e m l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nf o rt h ee m b e d d e ds y s t e md e s i g nt h r o u g hs t u d y i n gt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：s y s t e m l e v e ld e s i g nf l o w ,t h em e t h o d sa n dg u i d e l i n e so fs y s t e m l e v e lm o d e l i n g ，m a t h e m a t i c a lt e c h n i q u e sa n de x t e n d i n go fp o o s lc o m p o n e n tl i b r a r yc l a s s e sf o rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，s y s t e m - l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fi n d u s t r i a le m b e d d e ds y s t e m ( 1 ) t h ep o o s l - b a s e ds y s t e m - l e v e lm e t h o d s h e ( s o f t w a r e h a r d w a r ee n g i n e e r i n g ) m e t h o di sa n a l y z e di nd e t a i l t h ed e s i g nf l o w o fs h em e t h o di si m p r o v e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xe m b e d d e ds y s t e m b a s e do nt h a t ，t h es y s t e m l e v e ld e s i g nf l o wo fc o m p l e xe m b e d d e ds y s t e mi sp u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e ，t om o d e lt h es y s t e me f f e c t i v e l y , t h i sw o r kb r i n g sf o r w a r ds y s t e m l e v e lm o d e l i n gm e t h o d s ( p o o s l b a s e dh i e r a r c h ym o d e l i n gm e t h o d s ，p b h m m ) ，i n c l u d i n gh i e r a r c h i c a lm o d e l i n g ，“t o p d o w n ”m o d e l i n gm e t h o d ，o b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n ga n dr e s o u r c em o d e l i n gm e t h o db a s e do ny - c h a r t p r a c t i c es h o w s：i 匕京f ：业大学| 学博十学位论文t h a tp b h m mc a nm e e tt h en e e d so fs y s t e m l e v e lm o d e l i n go fc o m p l e xe m b e d d e ds y s t e m s ( 2 ) i no r d e rt om a k et h em o d e l i n gp r o c e s se n g i n e e r i n g ，a n di m p r o v et h em o d u l er e u s a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y , a i m i n ga tt h er e c u r r i n gd a t aa b s t r a c t i o n ，p r i m i t i v ea b s t r a c t i o n ，a s y n c h r o n o u sc o n c u r r e n tp r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e np r o c e s s e si nt h em o d e l i n go fe m b e d d e ds y s t e m ，t h i sw o r kp u t sf o r w a r dt h eg e n e r i cm o d e l i n gp a t t e r n sw h i c hp r o v i d eg u i d e l i n e sf o rt h ed e s i g n e r t or e u s et h em o d e l so ft h ec o m p o n e n t sa n dc r e a t et h em o d e lr a p i d l y ,t h i sw o r kb r i n g sf o r w a r dt h ec o m p o n e n t - m o d e l i n ga p p r o a c ha n dc o n s t r u c t sat y p i c a lm o d e ll i b r a r yo fe m b e d d e ds y s t e mc o m p o n e n t s ( 3 ) t oa n a l y z ea n dc o m p u t et h ep e r f o r m a n c em e t r i c ss u c ha st h r o u g h p u t ，a v e r a g el a t e n c ya n da v e r a g eu t i l i z a t i o no fp r o c e s s o ri ne m b e d d e ds y s t e m s ，t h et e c h n i q u eo fr e g e n e r a t i v ec y c l e si sa p p l i e da n dt h ec o m p o n e n tl i b r a r yo fs h e s i mi se x t e n d e db a s e do nt h a t t ov a l i d a t et h ec o m p o n e n tl i b r a r y , t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sm o d e lf o rt h es e l e c t i v er e p e a ts l i d i n gw i n d o wp r o t o c o li sb u i l t r e s u l t so ft h eq u a n t i t a t i v ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so nt h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r ss u c ha st h ew i n d o ws i z e ，t h ep a c k e ts i z ea n dt h et i m e o u tp e r i o da r eg i v e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x t e n d e dc o m p o n e n tl i b r a r yi se f f e c t i v ef o rt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h e s ep e r f o r m a n c em e t r i c s ( 4 ) t of u r t h e rd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o do fs y s t e m l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，t h ea b s t r a c tm o d e lo ft h ei e e e8 0 2 11p r o t o c o ls t a c ki se s t a b l i s h e d t h em o d e li sv a l i d a t e df r o mt h et w oa s p e c t so ff u n c t i o nb e h a v i o ra n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i s r e s u l t so ft h ep e r f o r m a n c em e t r i c ss u c ha st h r o u g hp u ta n da v e r a g el a t e n c yo nt h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e rc w m i n ( t h em i n i m u mc o n t e n t i o nw i n d o w ) a r eg i v e na n dt h eo p t i m i s tv a l u e so ft h ec w m i na r eg a i n e d t h ep r o c e s s i n gs p e e do fc p ui nt h ea c c e s sp o i n t ( a p ) d e s i g ni sa l s od e t e r m i n e d a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xe m b e d d e ds y s t e m s ，t h i sw o r kp u t sf o r w a r ds y s t e m l e v e ld e s i g nf l o wa n dm e t h o d so fs y s t e m - l e v e lm o d e l i n g t h eg e n e r i cm o d e l i n gp a t t e r n s ，w h i c hp r o v i d et h eg u i d e l i n e sf o re m b e d d e ds y s t e mm o d e l i n g ，a r ep u tf o r w a r d c o m p o n e n t - - m o d e l i n gi si n t r o d u c e di n t ot h ep r o c e s s i n go fs y s t e m - l e v e lm o d e l i n ga n dd e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o nf o rt h er e u s i n go fc o m p o n e n t sm o d e l s t h et o o lp l a t f o r mo fs y s t e m l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i si sp e r f e c t e dt h r o u g he x t e n d i n gt h ec o m p o n e n tl i b r a r yo fp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n t h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so fs y s t e m l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o da r ed e m o n s t r a t e db yt h em o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ea n a l y z i n gp r o c e s s i n go fi e e e8 0 2 1ip r o t o c o ls t a c ka n dw i r e l e s sa c c e s sp o i n ts y s t e m i ns u m m a r y , t h i sw o r ka i m st oc r e a t eas e r i e so fm e t h o d so fs y s t e m l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o ri v a b s t r a c tc o m p l e xe m b e d d e ds y s t e m ，i n c l u d i n gt h ea c q u i s i t i o no fs y s t e mc o n c e p ta n dr e q u i r e m e n t s ，m o d e lc r e a t i o na n dv a l i d a t i o n ，t h ee x t r a c t i o no fk e yp a r a m e t e r s ，i d e n t i f i c a t i o no fp e r f o r m a n c eb o t t l e n e c k s ，a n da n a l y s i so ft h es y s t e md e s i g n ，e t c t h r o u g hs y s t e m l e v e lm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，t h es y s t e m l e v e ld e s i g ns p a c ec a nb ec o v e r e de f f e c t i v e l y , s ot h es y s t e ms c h e m ec a nb ea d j u s t e di nt h ee a r l i e s tp h a s e so fe m b e d d e ds y s t e md e s i g n t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d en e wm e t h o d sa n da p p r o a c h e sf o rt h ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p e r si nt h em o d e l i n g ，e x p l o r i n gd e s i g ns p a c ea n dd e t e r m i n i n gt h ed e s i g ns c h e m e k e y w o r d sp o o s l ；e m b e d d e ds y s t e m ；s y s t e m - l e v e ld e s i g n ；p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ；i e e e8 0 2 1 1v 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：蕴盎邀眺兰丑竺塑关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)第1 章绪论第1 章绪论嵌入式系统设计复杂性的不断增加以及设计周期的逐渐缩短，使得系统级设计方法变得越来越重要。在系统的软硬件实现之前，建立系统的抽象模型，分析和评估系统的定性和定量属性，根据分析结果确定设计方案是否满足系统需求，从而在系统设计的早期阶段调整设计方案，避免了设计过程的反复。系统级设计方法的核心是系统级建模和性能分析，即如何建立准确反映系统功能属性的抽象模型，在此基础上对系统的性能进行有效分析。本文基于p o o s l 语言及其建模工具，针对复杂嵌入式系统的系统级建模和性能分析的方法展开研究，提出一套系统级建模和性能分析的方法，以便对实际的建模和性能分析过程进行指导。本章主要分析了嵌入式系统设计的现状和面临的问题，阐述了课题的研究背景、研究意义、主要研究内容及创新性工作，最后给出了论文的组织和后续章节的安排。1 1 课题研究背景嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，并能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统【l ，列。嵌入式系统己渗透到世界的每一个角落，如消费电子、家电、通讯设备、医疗设备、汽车等。嵌入式系统的设计涉及硬件部分和软件部分，以及功能因素和非功能因素等多个方面。硬件包括处理器、存储器、接口控制器和模拟电路等多种要素，软件包括实时操作系统、设备驱动程序、协议栈和应用程序等。另外，作为专用计算机系统，嵌入式系统还需要满足性能、功耗、成本、体积和重量等多种非功能性约束【3 】。随着超大规模集成电路的迅速发展，嵌入式系统的规模与日俱增，硬件部分的异构程度和软件部分的功能复杂程度在逐渐增加。嵌入式系统设计正面临着系统持续增长的设计复杂性问题的挑战，这类挑战来自于设计内容的不断增加、多变的新特性、初期模糊的设计参数和用户不断增长的需求。嵌入式系统的复杂性主要表现在【4 叫：非功能性限制因素在不断增加，如对低成本、低功耗及低辐射的限制，对尺寸及重量要求的限制，系统必须可靠、健壮与安全等；系统集成度以及支持的网络功能在不断地增强，一个嵌入式系统中可以包含多个不同性质的嵌入式子系统，子系统之间通过网络进行连接；产品设计的周期北京n 杠火学r 学博十学位论文越来越短；异构度同益提高，许多嵌入式系统包含很多异构的成分，如通用的计算模块、各种不同的外围设备等。另外，随着集成电路制造技术的迅猛发展，使得在一块芯片上集成包括硬件和软件在内的完整系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c )成为可能，s o c 中包括各种模块，如片上存储、模拟接口、高频部分等。综上所述，现代嵌入式系统在功能复杂程度和异构程度等方面都达到了历史最高点，这些因素使得设计者仅仅依靠手动的方式不可能获得最佳的设计方案。虽然设计者凭借其设计经验能够找到某个子系统的最佳设计，但将这些子系统组成在一起不一定能得到整个大系统的最佳设计方案。传统的嵌入式系统设计分以下几个步骤：需求分析、制定系统规格说明、结构设计、软硬件系统( 协同) 设计、系统模拟与集成。在确定嵌入式系统设计方案时，从被设计产品的概念及需求开始，逐步确定产品的系统规格说明及精确的数学模型等，在设计的过程中缺乏相关工具的支持，更多地依赖于设计者先f j 的设计经验，缺乏严格的系统化设计方法的指导，设计者很难确定正确的设计方案，一旦系统设计失误，只能在系统集成和测试时才能发现，这种传统的嵌入式系统设计方法不能很好地适应嵌入式系统日趋复杂的需求。例如，文献 1 描述了一个网络处理应用方面的例子，多种结构可以完成同样的功能，但采用哪种结构仅仅根据设计者的设计经验和偏好确定，难以保证结构的合理性和正确性。总之，面对日益复杂的嵌入式系统，仅仅凭设计者个人的经验很难制订一个产品的设计方案，即使制定出一套设计方案，也很难保证设计的正确性。图1 1 显示了嵌入式系统设计的发展趋势【7 j ，传统的设计方法局限在v h d l或v e r i l o g 级，省略了中间的行为模型和性能分析模型等设计空间的搜索过程。抽象层次高低传统发展趋势c o n c e p t u a ll e v e l一qle x e c u t a b l eb e h a v i o u r a l、牵m n d e l s7p e r l b r m a n c e、牵m o d e l s7c y c l e a c c u r a t e牵m o d e l s7s y n t s ，i v h d lv e r i l o g 一串、r丫d e v i c e p r o d u c tl e v e l图l 一1 欧入式系统设计的发展趋势f i g 1 - 1d e v e l o p m e n tt r e n do fe m b e d d e ds y s t e md e s i g n低高精确度及成本第1 章绪论这种方法对简单的系统有效，这些系统只需对一些低层的参数进行搜索。但是随着嵌入式系统复杂度的增加，这种方法变得不可行。针对复杂嵌入式系统的设计，需要从高层逐渐搜索设计空间，逐步缩小设计空间的范围，同时确定设计中待定的参数。从图1 1 中可以看出，随着抽象层次的提高，建模的精确度和成本也随着减小。实践表明，由于很多产品设计方案是在没有完全理解系统整体功能的情况下做出的，在设计过程中常常会导致一些设计错误，致使整个系统的设计出现不断的反复。在系统设计的过程中，设计中的错误发现得越晚，要纠正它需要花费的代价越高【8 】。随着软硬件系统的设计复杂性逐步增加，设计周期进一步缩短，停留在较低层次建立多个具体的系统模型的设计空间搜索方法几乎成为不可能，现有的系统设计方法己受到不断增长的系统复杂性需求的严重挑战。虽然这些设计方法能较好地支持在较低层( 如寄存器级、门级) 开展系统设计工作，但它们缺少支持在较高层( 如概念抽象层、系统级层) 的系统设计方法。在较低层次建立多个模型，需要花费较长的时间、较多的人力与物力。因此很多系统设计决定是在没有完全理解系统整体功能以及系统设计空间搜索不充分的情况下做出的，难免在设计过程中会导致一些设计错误，致使整个系统的设计出现不断的反复。大量的研究表明，在集成期间纠正一个错误的花费将是在系统设计初期的1 0 至1 0 0 0 倍。无论是软件技术还是硬件技术的发展，都需要不断地提高系统抽象的层次。当日益增长的需求触及现有开发方法的极限时，就会在提高抽象层次的方向上出现新的设计方法来补充或替代已有方法。在面临复杂嵌入式系统的设计时，已有的寄存器传输级设计方法已经不能满足日益增长的需求，提高系统设计的抽象层次，提出系统级设计方法已成为解决问题复杂性的必然手段【3 】。在嵌入式系统设计方法领域的研究中，系统级设计方法是一个研究热点。1 2 研究意义系统设计抽象金字塔如图1 2 所示【9 m 】，从图中可以分析得出：系统建模层次越低，模型就越具体，建模的精度越高，但建模成本越大，建模所需的时间越长，可以被搜索的系统设计方案反而越少。与之相反，建模层次越靠近顶层，模型就越抽象，建模的精度越低，但建模成本越小，建模所需的时问越短，可以被搜索的系统设计方案却越多。目前从事嵌入式软硬件系统设计空间搜索的研究大多局限在底层【7 】。：i 匕京+ i ：、j l ，人学f ：。学i 礴十。7 - 伊论文蛞 聪霜高绯嚣螯遒低扣- - - - - - p高可选的系统设计方案图1 2 系统设计抽象金字塔f i g 1 2s y s t e md e s i g na b s t r a c t i o n l e v e lp y r a m i d叁芒星螺众越辎蠢| 过嵌入式系统设计方法学研究的是从概念级设计开始，逐步细化系统设计方案，使方案的可选范围逐步缩小，直到最后确定系统的设计方案并实现系统的软硬件。即由概念描述开始，逐渐转向行为描述和结构描述，然后结构描述中的物理构件实体又在下一个较低抽象层再次被转换到相应的结构描述，一直到真正地实现系统，具体的电路被制造出来【2 】。可以从不同的抽象级别描述嵌入式系统的设计层次，如图1 3 所示【3 】。其中，三个轴向表示从不同的角度观察系统：行为、结构和物理实体。行为是实现系统相应层次的功能，结构是实现相应功能的系统实体部件，物理实体是相应层级实现的硬件实体。同心圆表示系统设计的抽象层次，抽象级别由低至高分别为：电路级、逻辑门级、寄存器传输级、系统级和概念级。从结构特性看，嵌入式系统在系统级包含处l 里器( p r o c e s s o r ) 、a s i c 、存储器( m e m o r y ) 和总线( b u s )等；而在逻辑门级，系统由门电路和触发器等构成。从行为和结构两个角度拙述系统的好处是，使得设计者能够从不同的角度关注系统的实现，可以有效提高开发的效率。另一方面，具体的实现技术可以不断变化，从而延长设计的生命周期，也便于系统设计空间的搜索。在同一抽象层次上，从行为描述转换到结构描述的过程称为综合。由于结构描述趋于实现，细节的处理更多，因而在综合的过程中需要进行细化，同时，要满足特定应用的各种非功能性约束( 如体积大小、功耗等) 。因此，设计者在实现一个嵌入式系统时，需要在不同的抽象层次上自上而下反复地细化和验证，直到产品第1 章绪论软硬件的最后实现。因此，随着复杂性的增加，设计成本随之增长。概念级物理划分( p h s i c a l )图1 3 嵌入式系统设计层次示意图f i g 1 - 3t h ei l l u s t r a t i v ef i g u r eo fe m b e d d e ds y s t e md e s i g nl e v e l系统级设计方法目前没有明确的定义，我们采用文献 1 l ，1 2 的定义，系统级设计方法是指：“在复杂系统的最初设计阶段，确定系统级规格和系统各组成部分的需求，并为之建立可执行模型，评估所选的系统设计方案的功能正确性和性能指标参数，以便能够在设计的早期阶段分析可选的设计方案，从而确定系统的最佳设计方案”。从上述定义可以看出，系统级设计是指介于最初的概念层设计和系统软硬件具体划分及低层实现之间的一个阶段，它的主要目的是在设计的早期阶段，通过对多种可选的系统设计方案建立模型，评估方案的性能是否满足系统需求，从而确定一种或几种可行的设计方案。提高抽象层次的系统级设计方法带来的好处主要体现在以下几个方面。( 1 ) 在更高的抽象层次上，设计者能够更容易地处理主要问题，设计者面临的设计对象的个数也大大减少，从而提高开发效率，降低建模和验证的成本；( 2 ) 在较高抽象层次对系统设计的关键问题进行研究，建模和分析的代价较低，能够减少低层设计的错误，避免了设计过程的反复过程，缩短了系统设计时问，降低了开发成本；：l 匕京一r 业人! 孚：一r 。子：博十j ：何论文( 3 ) 抽象层次的抬高，在系统软硬件具体实现前可以分析系统实现的早期方案，可以使系统远离实现的细节，能推迟系统的最终实现决策，从而增加系统实现的灵活性；( 4 ) 随着抽象层次的增加，设计空间搜索的有效性可以大大提高，可以通过层次渐进的方法来确定和优化最后的设计结果。1 3 主要研究内容本文的课题来源于国家自然科学基金“复杂嵌入式系统抽象概念模型及性能分析方法 ( n o ：9 0 4 0 7 0 1 7 ) 和北京市教育委员会科技发展计划重点项目“基于中国安全标准的无线接入系统关键技术及应用研究”( n o ：k z 2 0 0 5 1 0 0 0 5 0 0 6 ) 。课题的目标1 是针对复杂嵌入式系统的设计，提出一套成熟的系统级建模及性能分析方法，以指导实际的系统级设计过程，在实际系统软硬件实现之前评估设计方案是否满足系统需求和规格说明，从而在早期阶段调整设计方案，降低开发成本。课题的目标2 是以我们所提出的系统级建模及性能分析方法为指导，在无线接入系统的设计中，通过i e e e8 0 2 1 1 协议栈的建模，分析确定8 0 2 1 1 b 协议中关键参数的最优值，达到充分利用物理带宽的目的；在i e e e8 0 2 1 1 协议栈模型的基础上，建立无线接入系统的系统级模型，并通过性能分析确定特定需求情况下的低成本的c p u 规格。我们收集和整理了大量国内外相关资料，对系统级设计领域的相关建模语言及设计工具进行了深入的对比研究，确定在p o o s l 语言及其建模工具的基础上展开研究。围绕本课题的两个主要目标，集中选取了以下几个问题进行研究。( 1 ) 针对复杂嵌入式系统的特点，如何科学划分整个系统级设计的阶段，即从概念设计到系统软硬件的实现整个过程的阶段划分，提出一套复杂嵌入式系统的系统级设计流程。另外，针对复杂嵌入式系统的特点，如何系统有效地建立系统级模型。( 2 ) 现有的基于p o o s l 的系统级建模方法存在着许多局限性：缺乏系统的建模指导原则，建模时问长、模型构件的可重用度低，导致许多重复的劳动、性能分析模型太复杂，需要进行有效的抽象以保持系统模型的精确性的基础上提高建模的抽象度。国内外相关资料均没有详细说明如何解决这些问题，本文针对这些问题提出了总的指导原则和具体建模实现过程的解决方法，并通过工业级实例的研究验证了所提原则和方法的有效性，目的是为设计者的建模过程提供指导原则和方法。( 3 ) 建立系统级模型的目的是运用数理统计的相关理论进行性能分析，并第l 章绪论根据分析结果对系统设计方案进行修正。由于工业级系统的状态空间极基庞大，通常采用仿真方法进行性能分析，需要解决两个问题：如何在模型执行过程中根据样本值计算性能指标的估计值；由于仿真执行的分析结果仅仅是真实值的估计，因此，如何确定分析结果与真实值的偏离程度以及估计值的精度是个关键的问题，它关系到分析结果有无参考价值以及当仿真执行达到给定精度时能自动中止。嵌入式系统的建模和性能分析中，经常需要定量分析系统吞吐量、时延