（计算机系统结构专业论文）基于uml的嵌入式系统系统级设计方法研究.pdf

摘要 随着微电子技术和超大规模集成电路的高速发展，嵌入式系统的规模越来越 大，硬件部分的异构程度和软件部分的功能复杂程度都达到了历史最高点。在更 高的设计复杂度和更短的面市时间压力下，提高抽象层次，采用软硬件协同设计 方法，进行系统级设计已成为解决问题的有效途径。模型驱动构架( m d a ) 是目 前软件工程领域内重要的战略方向，它以若干的标准定义了一个软件开发框架。 u m l 模型是m d a 中的核心任务，整个开发过程以系统的建模行为为驱动。比较m d a 与嵌入式系统软硬件协同设计方法可以发现，它们在任务和目标上非常一致，如 系统软硬件无关的统一建模，系统综合和验证等等。嵌入式系统的设计方法一直 和软件开发方法保持相对的距离，本文尝试在嵌入式系统设计中融合先进的软件 工程成果，促进嵌入式系统设计方法的新发展。 本文的重点是基于u m l 的嵌入式系统系统级设计方法研究。主要围绕模型驱 动构架( m d a ) ，研究嵌入式系统的平台无关模型( p i m ) ，平台相关模型( p s m ) ， 模型转换方法，以及模型验证等方面。论文主要进行了以下四个方面的工作： 1 ) 以u m l 2 0 版本的最终草案为依据，对u m l 和采用面向对象技术的实时嵌 入式系统建模进行了介绍。提出以m d a 为主要框架的嵌入式系统设计新流程，该 流程的主要特点是：以u m l 模型为系统的主要设计模型，分别包括平台无关和平 台相关两种不同抽象层次的模型，从而有效分离系统功能和实现描述；系统综合 通过自动化的模型变换来实现，因此能够提高开发效率，支持设计空间的快速搜 索。 2 ) s y s t e m c 语言通过扩展c + + 类库来提供对系统硬件结构的描述能力，且支 持从寄存器级到系统级等不同的抽象层次，是目前重要的嵌入式系统级设计语言 之一。本文采用它作为系统实现的目标平台语言，一方面用来对系统目标平台的 特定软硬件结构进行描述，另一方面用来表示系统综合后的系统实现。扩展的 u m l f o r s y s t e m c 语言是m d a 中平台相关建模的基础，也是实现自动化模型变换的 ( 系统综合) 的重要形式化基础。在进行模型映射规则分析后，本文提供了自动 的模型变换实现。 3 ) u m l 可视化建模的运用为良好的设计奠定了基础，然而u m l 模型仍然缺乏 细节的行为描述能力，阻碍了u m l 可执行模型的创建。本文首先以u m l 的子集为 基础，然后结合自定义的模型动作语言( a c t i o ni a n g u a g e ，a l ) 。模型动作语言 包含了普通可执行语言的特点，并增加了对模型元素的操作能力和嵌入式系统的 并发特征，为u m l 模型提供了细节的行为描述手段，从而支持系统平台无关的完 整模型描述。本文提供了动作语言的词法和语法分析，并基于模板变换实现了动 第1 页 摘要 作语言描述到s y s t e m c 代码的自动生成。 4 ) 设计验证仍然是整个设计流程中的瓶颈。在系统级和体系结构级，模拟 仍然是主要的验证手段。本文基于u m l 和s y s t e m c 的嵌入式系统系统级验证主要 采用模拟的方法。提出借鉴面向方面编程技术( a o p ) 的面向方面的模型设计。 a o p 的核心是分离关注点，封装关注点为方面，然后通过方面编织器自动地将分 离的关注点集成起来。本文将a o p 技术从代码的层次提高到模型层，通过定义模 型方面来实现对原模型的一种非侵入性的改写，从而可灵活地增加或删除相应验 证的功能，满足系统级模型重复验证和评估的要求。本文实现了u m l 的面向方面 扩展和模型方面编织算法，然后提出了基于a o p 的功能覆盖率自动化分析和自动 化验证方法。 实时嵌入式u m l 建模，芷在成为新一代实时嵌入式系统分析和开发工具的重 要基础。本文以u m l 和s y s t e m c 语言为主要平台的嵌入式系统级设计和验证方法 研究，提供了较为完整的基于u m l 的系统建模手段和自动的模型变换技术，开发 了部分用户工具原型，为嵌入式系统的建模、设计空间搜索和验证等提供了新的 方法和途径。 关键词：嵌入式系统，软硬件协同设计 构架，动作语言，模型转换，模型验证 系统级设计，u m l ，s y s t e m c ，模型驱动 面向方面 第1 i 页 a b s t r a c t _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ - _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ 。一 a b s t r a c t a st h e h i g h s p e e dd e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dv e r y l a r g e s c a l e i n t e g r a t e dc i r c u i t s ( v l s i ) ，m o d e me m b e d d e ds y s t e m sn o wr e p r e s e n tt h ea p e xo f c o m p l e x i t ya n dh e t e r o g e n e o u sn a t u r e t oc o p ew i t ht h ei n c r e a s i n gd e s i g nc o m p l e x i t y a n ds h o r t e nt h et i m et om a r k e t ，t h es y s t e m l e v e ld e s i g nm e t h o d o l o g yh a sb e c o m et h e k e ya p p r o a c hw h i c hi sc o m b i n e dw i t hh 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 sa n d w i l lr a i s ed e s i g na c t i v i t i e st oa h i g h l e v e lo fa b s t r a c t i o n t h em o d e ld r i v e n a r c h i t e c t u r e ( m d a ) i s c u r r e n tm o m e n t o u ss t r a t e g i co r i e n t a t i o no fs o f t w a r e e n g i n e e r i n g i td e f i n e saf r a m e w o r kf o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do nf l s e r i e so f s p e c i f i c a t i o n sd e f i n e db yt h eo b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ( o m g ) k e yt om d a i st h e i m p o r t a n c eo fm o d e l si nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s w i t h i nm d a t h ed e v e l o p m e n t p r o c e s s i sd r i v e nb yt h ea c t i v i t yo fm o d e l i n gs y s t e m c o m p a r i n gm d aw i t h h 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 s ，s i g n i f i c a n ts i m i l a r i t i e se x i s tb e t w e e nt h e m ， s u c ha st h ea b s g a c th o m o g e n e o u sb e h a v i o r a ld e s c d p t i o n ，s y s t e ms y n t h e s i sa n ds y s t e m v e r i f i c a t i o n e m b e d d e ds y s t e m sd e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nm a ys e e ml i k es e p a r a t e d i s c i p l i n e s i nt h i sp a p e r ，w et r yt oa d o p tt h ea d v a n c e dt e c h n i q u e so fs o f t w a r ef i e l dt o p r o m o t et h ep r o g r e s so fe m b e d d e ds y s t e m sd e s i g n t h i sp a p e rp r e s e n t e da nu m l - b a s e d s y s t e m - - l e v e ld e s i g nm e t h o d o l o g yf o r e m b e d d e ds y s t e m s i tf o e u s e do nm o d e ld r i v e na r c h i t e c t u r e ( m d a ) ，p l a t f o r m i n d e p e n d e n tm o d e l s ( p l m s ) ，p l a t f o r ms p e c i f i cm o d e l s ( p s m s ) ，m o d e lt r a n s f o r m a t i o n a n dm o d e lv e r i f i c a t i o n i tm a i n l yc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gf o u rp a r t so f c o n t r i b u t i o n s ： 1 ) a c c o r d i n gt ot h ef i n a la d o p t e dd r a f ts p e c i f i c a t i o no fu m l 2 0 ，u m la n di t s m o d e l i n ga b i l i t i e so fe m b e d d e ds y s t e m sw e r ei n t r o d u c e d w ep r e s e n t e da n e w m d a - b a s ed e s i g nf l o wf o re m b e d d e ds y s t e m s t h e r ea r et w oi m p o r t a n tf e a t u r e so f t h i sn e wd e s i g nf l o w f i r s ti t s e p a r a t e st h ef u n c t i o n a l i t ys p e c i f i c a t i o nf r o mt h e i m p l e m e n t a t i o ns p e c i f i c a t i o n ，p i m sf o rs y s t e mf u n c t i o n a l i t i e sa n dp s m sf o rs y s t e m i m p l e m e n t a t i o n s t h e ns y s t e ms y n t h e s i si ss u p p o s e db ya na u t o m a t e dm o d e l t r a n s f o r m a t i o ns ot h a tt h e r ec a nb ea l li n c r e a s e de f f i c i e n c yo f d e s i g na n ds y s t e ms p a c e e x p l o r a t i o n 2 ) s y s t e m cl a n g u a g eh a st h ea b i l i t yt om o d e lt h es y s t e mh a r d w a r eb ye x t e n d i n g t h ec + + c l a s sl i b r a r ya n ds u p p o r td i f f e r e n ta b s t r a c tl e v e l sf r o mr e g i s t e r - t r a n s f e r - l e v e l t os y s t e m l e v e l i ti so nt h es t e po fb e c o m i n gad ef a c t os t a n d a r di n i n d u s t r i a l 第1 i i 页 a b s t r a c t s y s t e m l e v e ld e s i g n s y s t e m c w a ss e l e c t e da s o u r s p e c i f i cl a n g u a g e f o r i m p l e m e n t a t i o n w eu s e di tn o to n l yf o rm eh a r d w a r e s o f t w a r et a r g e ta r c h i t e c t u r e s p e c i f i c a t i o nb u ta l s o f o rt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o na f t e rs y s t e ms y n t h e s i s t h e u m l f o r s y s t e m cw a se s t a b l i s h e dt op r o v i d et h eb a s ef o rp s mm o d e l i n ga n dt h e f o r m a lf o u n d a t i o no ft h ea u t o m a t e dm o d e lt r a n s f o r m a t i o n b a s e do nm o d e lm a p p i n g r u l e s ，t h i sp a p e rp r o v i d e dt h ei m p l e m e n t a t i o no f m o d e lt r a n s f o r m a t i o n 3 1 a p p l y i n gu m lv i s u a l i z e dm o d e l i n gc a nb eag o o db a s ef o rs y s t e md e s i g n b u t n o wu m lm o d e l ss t i l la r ei n c o m p l e t ea n dc a nn o tb ev e r i f i e dw i t hd y n a m i ce x e c u t i o n b e c a u s eu m ll a c k st h ea b i l i t yt os p e c i f yt h ed e t a i l e dd y n a m i cb e h a v i o r s i nt h i sp a p e r w ec r e a t e dan e wm o d e la c t i o nl a n g u a g e ( a l ) w h i c he n h a n c e dt h ec o m p l e t e dm o d e l s p e c i f i c a t i o nf o ru m l t h ea c t i o nl a n g u a g ei sl i k et h en o r m a le x e c u t a b l el a n g u a g e w h i l ei n d e p e n d e n to fa n ye x i s t i n go n e i ta d d st h ea b i l i t yt oa c c e s sm o d e le l e m e n t s a n dd e s c r i b ec o n c u r r e n c y t h i sp a p e rp r o v i d e dt h es y n t a xp a r s e ra n dt h et e m p l a t e t r a n s f o r m a t i o nf o rt h ea c t i o nl a n g u a g es ot h a tt h es y s t e m cc o d e sw e r eg e n e r a t e df r o m a c t i o nd e s c r i p t i o n s 4 ) c o n s i d e r i n gt h a tf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o nh a sb e c o m ear e a lb o t t l e n e c ko ft 1 1 e e n t i r ed e s i g np r o c e s s ，a c c u r a t ev e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g i e sa r en e e d e d i nt h i sp a p e r , w ep r e s e n t e dan e wm o d e ld e s i g nm e t h o d o l o g yf o rv e r i f i c a t i o nt a s kb yu s i n gt h e a s p e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( a o p ) t e c h n i q u e t h ec o r eo fa o pi st h es e p a r a t i o n o fc o n c e r n s a o pa i m st oe n c a p s u l a t ec o n c e m sa sa s p e c t sa n dt h e ni n t e g r a t et h e s e p a r a t e dc o n c e r n st oaw h o l eo n eb yaa s p e c tw e a v e r w ea p p l i e dt h ea o pf r o mc o d e l e v e lt oa h i g h e rm o d e ll e v e la n di m p l e m e n t e dt h eu m le x t e n d i n ga n dm o d e la s p e c t w e a v e nt h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r eu s i n gt h ea s p e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yh e r ei st h a t a l l o w sc h e c k i n gf u n c t i o n sa c r o s sc l a s s e st ob ea d d e do rr e p l a c e dw i t h o u tm o d i f y i n g t h eo r i g i n a lm o d e l f i n a l l y , b a s e do na o p t e c h n i q u e ，w ep r o p o s e da p p r o a c h e st o a u t o m a t et h ef u n c t i o n a lc o v e r a g ea n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o np r o c e d u r e r e a l - t i m ee m b e d d e du m lm o d e l i n gi s b e c o m i n gt h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o no f n e wg e n e r a t i o no fs y s t e ma n a l y s i sa n dd e v e l o pt o o l s w ee s t a b l i s h e dau m l a n d s y s t e m cb a s e dd e s i g ne n v i r o n m e n tt h a ts u p p o r t so u rm e t h o da n di m p l e m e n t e dt h e p a r tp r o t o t y p eo f o u rt o o l s k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ，h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n ，s y s t e m 1 e v e ld e s i g n ， u m l ，s y s t e m c ，m o d e ld r i v e na r c h i t e c t u r e ，a c t i o nl a n g u a g e ，m o d e lt r a n s f o r m a t i o n ， m o d e l v e r i f i c a t i o n ，a s p e c t o r i e n t e d 第1 v 页 第1 章绪论 本章主要概述嵌入式系统以及目前的设计现状，讨论嵌入式系统软硬件协同 设计和系统级设计的概念、任务和目标，总结全文工作并给出了后续章节的安排。 1 1 嵌入式系统设计现状 嵌入式系统指以应用为中心，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。 嵌入式系统如今已被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医疗仪器、信息家 电、通信设备等众多领域中，对国民经济和国防各个部门产生了越来越重要的影 响。目前嵌入式系统带来的工业年产值已超过了l 万亿美元，成为了信息技术产 业争夺的重点之一。针对如此巨大的市场，国内外计算机软硬件研究机构和公司 一直围绕嵌入式系统展开了各式各样的研究和开发。 嵌入式系统的设计比较复杂，一般要涉及硬件和软件，以及功能和性能等多 个方面。硬件要包括处理器、存储器、接口控制器和模拟电路等多种要素，软件 又可分为实时操作系统、板级支持包、设备驱动、协议栈和应用程序等。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、体积和安全性等多种 非功能性约束。近二十年来集成电路制造技术的迅猛发展，使得在一块芯片上集 成包括软件和硬件在内的一个完整系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 成为可能。s o c 应用集成了多个功能，使整机成本和体积都大大下降，加快了整机更新换代的速 度，顺应了向高性能、低功耗和低成本方法发展的趋势。s o c 芯片中可能包含的 各种功能模块如图1 1 所示 1 ，可以说，现代嵌入式系统在功能复杂程度和异 构程度( h e t e r o g e n e o u s ) 方面都达到了历史最高点。 图1 i s o c 芯片中的功能模块 第1 页 基于u m l 的嵌入式系统系统级设计方法研究 目前与嵌入式系统设计相关的研究主要集中在设计自动化和计算机辅助设 计工具等方面，旨在提高设计水平、缩短设计周期和降低设计费用。从现有的各 种嵌入式系统设计自动化的研究来看，虽然它们之间存在着一些差异，但是从原 理上可以将它们归纳成几个方面，如系统描述、系统综合、系统评测和样机平台 实现等等。然而要真正地理解嵌入式系统和嵌入式系统设计方法，需要明确不同 的抽象层次和领域视角，这是因为随着应用需求的日趋复杂和硬软件各自技术 的不断发展，在不同的抽象层次以及不同的领域视角上，嵌入式系统的设计方法 也在不断的变化。 y c h a r t 2 ，3 首次以不同的领域视角和不同的抽象层次来描述嵌入式系统， 如图l - 2 所示。在y - c h a r t 中，三个轴向分别表示系统的不同的领域视角：行为、 结构和物理实现；而同心圆表示一个系统不同的抽象层次，从最里层开始，由低 至高分别为：电路级、逻辑门级、寄存器传输级和系统级。抽象层次通常以每一 层结构方面主要的组成对象来定义，并且高一层的组成对象以低一层的组成对象 的组合来构成。例如，从结构领域看，一个嵌入式系统在系统级包含处理器、 a s i c s 、存储器和总线等，而在逻辑门级，系统由门电路和触发器等构成。同一 抽象层次的行为描述以掰象功髓实缮的逻辑组合来描述系统的功能，而结构描述 则是实现相应功能的物：碧_ 前结实缮的互连描述。嵌入式系统设计方法学主要是在 较高抽象层次上，由行为描述开始，逐渐转向结构描述。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。 图1 2y c h a r t 第2 页 基于u m l 的嵌入式系统系绕级馒计方法研究 系统从行为和结构两个视角分别描述，体现了关注点的有效分离，即系统功 能描述的实现无关性 4 ，一方面可以有效提高开发效率，另一方面具体的实现 技术可以变化，从而延长设计生命周期。一般地，同一抽象层次从行为描述自动 或半自动地转换到结构描述的过程称为综合。由于不同视角关注的特征不同，并 且结构描述趋于实现，要处理的细节更多，因而在综合的过程中需要细化和添加 设计决策等等，同时要满足特定应用的各种非功能性约束。所以为了实现一个嵌 入式系统，设计者需要在不同抽象层次上自上而下反复地细化和验证直到最后的 实现，因此随着复杂性的增长，设计成本也在急剧地增长。 在集成电路制造工艺提高的同时，与之相辅的嵌入式系统设计能力和设计方 法学也在不断地提升和改进。计算机辅助设计工具的出现，尤其是硬件e d a 技术， 如硬件描述语言和高级综合、仿真工具等，使嵌入式系统的设计能力一下从门级 提高到寄存器传输级，有效地缩小了与集成电路制造工艺能力的差距。但与按摩 尔定律呈指数级连续增长的半导体技术相比，嵌入式系统设计生产率和计算机辅 助设计工具的增长趋势还是保持相对较慢的水平，因而使得它们之间的差距在近 年来表现得越来越大 5 。目前嵌入式系统更新换代的速度越来越快，在复杂性 迅速增长和面市时间的压力下，传统的嵌入式系统设计方法已不能适应现代嵌入 式系统发展的需要，面临着设计方法的革新。 纵观无论是软件技术还是硬件技术发展的历史，无疑都是不断提升抽象层次 的过程。当不断增长的需求触及当前开发方法的极限时，总会在提高抽象层次的 方向上出现新的设计方法来替代或补充已经存在的方法，一开始很缓慢，然后势 头越来越猛。目前，在嵌入式系统设计革新当中，系统级设计方法正是充满希望 的一个，在面临数百万门系统设计时，原有的寄存器传输级设计方法已经捉襟见 肘，提高抽象层次，提出系统级设计新方法己成为解决问题复杂性的必然手段。 如图1 3 的“抽象金字塔”所示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： 在更高的抽象层次上，设计者面临的设计对象的个数要大大减少，使设计者 能够更容易地处理主要阀题，从雨提高开发效率，降低建模和验证的成本： 增加了抽象层次，使得设计空间搜索的有效性可以大大提高，可以通过多层 渐进的方法来确定和优化最后的设计结果； 抽象层次的抬高，使得系统远离实现的细节，能推迟系统实现决策，对系统 而言，增加了系统实现的灵活性。 第3 页 a i t e r n a t i v e 肥a l i z a t i o n s 图1 3 抽象金字塔 1 2 软硬件协同设计方法v s 系统级设计方法 目前软硬件协同设计方法研究和系统级设计方法研究都很活跃，并且两者互 为交织，相辅相成互为促进。因此本文首先介绍软硬件协同设计方法，然后介 绍系统级设计方法。 1 2 1 软硬件协同设计方法 现代嵌入式系统一般要求具备强大的数据处理能力，嵌入式微处理器和数字 信号处理器的使用是必须的，同时这也是s o c 系统的一个重要标志，因而从根本 上来讲，嵌入式系统的设计应该是一个软件一硬件协同设计的过程。然而传统的 嵌入式系统设计方法都是首先将系统划分为硬件部分和软件部分，然后进行相对 独立的软件设计和硬件设计，尤其普遍采用的是“硬件先行”，即只能等到样机 或硬件完成之后才能开始进行软件测试和系统集成，大大延长了设计的进程。传 统的设计方法使得在软件和硬件之间很难进行早期的平衡和优化，并且如果在设 计集成的后期阶段再来修改设计则会严重影响开发成本和开发周期。 在设计压力下，软硬件协同设计方法学应运而生并且获得了越来越多的重视 6 ，7 。嵌入式系统软硬件协同设计一般是从一个与软硬件实现无关的统一系统 级描述开始，通过有效分析系统任务和所需的资源，采用逐层变换的方法自动生 成符合系统功能要求、符合实现约束的系统软硬件设计。按照软硬件协同设计的 思想，设计过程的最早期就同时考虑与权衡系统的硬件与软件，以利于系统的整 第4 页 。葛ni暑。q_冀ul一p0旨。崩。u 嘞 曲 g口m口 m h l 体性能优化和排错，因而可以大大降低成本，缩短开发周期 8 。 在过去的十多年里，软硬件协同设计有了多方面的蓬勃发展 9 a 嵌入式软 硬件协同设计流程如图1 4 所示，虽然软硬件协同设计流程的表述各有差异，但 总的来说，软硬件协同设计的主要任务集中在以下三个方面： 图1 4嵌入式系统软硬件协同设计流程 1 ) 在系统结构的选定和软硬件划分之前，对系统进行一个充分的认识和验 证是十分必要的，赛纺的贸礤弹纺一掰2 述正是解决这一问题的主要技术，也是嵌 入式系统协同设计方法中的苜要问题。一般要求基于某种越象膨与霎兜丢关膨描 述方堪，以突出其主要因素而忽略其次要因素，这样对于复杂系统，才能够快速 有效地进行系统完整行为的描述。 在系统抽象建模的过程中，既能充分地掌握各种系统需求和约束，又能基于 模拟的方法或形式化方法进行系统功能的验证，从而在设计早期排除了各种错误 的可能。系统行为模型实际上也是系统实现的一种简化，因而在分析的过程中也 可用于渐进地构造系统，支持自上而下的设计方法流程。 2 ) 软硬件协同设计的第二个主要任务是系统结构生成和软硬件划分。这一 部分的重点是基于设计约束的蒹统霎刃毋争诺纪攫赛，设计空间的自动化搜索是实 现提高设计质量，缩短开发周期和减少设计成本的必要手段。主要任务包括系统 实现特征( 成本、时间性能、功耗等) 的早期估计；基于设计约束的系统结构生 成和软硬件划分的优化算法：调度策略的选定和调度器的实现等等。 尽管协同设计的首要步骤是对系统进行与实现无关的抽象描述，但完全分离 第5 页 摹 基于u m l 的嵌入式系统系统级设计方法研究 描述和实现往往是不可能，也是不可取的 1 0 ，例如系统行为的任务划分，如果 由硬件实现则可以划分较多的并发任务，但如果改由软件实现，则过多的任务使 得任务间的通信开销大幅增多，因此系统行为描述和系统实现之间是相互影响和 相互制约的。一个较好的设计过程是以系统行为描述到系统结构选定以及软硬件 划分的反复循环和迭代来实现的，如图1 4 中所示部分。 3 ) 软硬件协同模拟和协同验证，其目的是尽量在进行相对独立的软硬件详 细设计之前，对系统进行软硬件集成模拟和验证。软硬件协同模拟可以分为高层 次模拟、低层次模拟和混合层次模拟三种情况。目前低层次模拟的研究比较成熟， 其一般模式是软件调试环境、微处理器i s s ( i n s t r u c t i o ns e ts i m u l a t o r ) 模 型和硬件r t l 描述的协同模拟，便于进行早期的软件调试。高层次模拟一般作为 软硬件划分后的系统验证和设计空间的优化搜索。实际上抽象层次越高，模拟速 度越快，但反映的细节也越少，因此混合层次模拟是其中考虑比较全面的一种方 法 “ 。 实际上，上述软硬件协同设计方法中的多项任务，都与系统级设计方法所要 求的任务相类似，因此在下一节中，会对其中部分内容进行更进一步的阐述。 1 2 2 系统级设计方法 系统级设计方法目前没有明确的定义，但按前述的y - c h a r t 模型，嵌入式系 统的设计是一个由高抽象级到低抽象级的逐层实现的过程，每一层都会涉及到描 述、验证以及到下一层的转换( 综合) ，系统级是较r t l 级更高的抽象层次，会 包含硬件和软件等多种实现，该层次的主要组成对象是微处理器、a s i c s 、可编 程逻辑和存储器等等，因此系统级设计方法是与该层次相关的各种描述、验证和 综合技术的总称。本文把它们称为系统级描述、系统级综合和系统级验证。 1 系统级描述 系统级描述的主要任务与软硬件协同设计中的软硬件统一描述完全一致，是 在与实现无关的抽象层次上描述整个系统的行为，分析和验证系统，为后续设计 打下基础。 可以用多种不同的方法来描述系统的不同方面每种特定的方法都可以叫 做一种模型。典型地，基于形式化( 数学表示) 的模型称为计算模型( m o d e l so f c o m p u t a t i o n ，m o c s ) 。实际上很难有一种单独的计算模型能支持嵌入式系统中的 所有应用问题，因而大量的计算模型发展起来了，目前适用于嵌入式系统的不同 计算模型及其变种有：有限状态机模型 1 2 ，1 3 ，1 4 ，离散事件模型 1 5 ，p e t r i 网模型 1 6 ，1 7 ，进程网络模型 1 8 ，1 9 ，控制数据流图模型 2 0 ，2 1 等等。 第6 页 基于u m l 的嵌入式系统系统级设计方法研究 其中每一种计算模型都能较好地解决某一特定的问题领域( 即在某一方面胜出) ， 例如适于信号处理的模型常常对于控制领域的系统行为支持较弱a 现在仍然有较 多的工作集中在创建和扩展合适的计算模型上，另外很多研究认为同时采用多种 计算模型对嵌入式系统建模更加合适，因而推出了支持多种计算模型协同模拟的 异构的建模环境，如p t o l e m y 2 2 ，p e a c e 2 3 等。对各种计算模型进行理论分 析，并较为全面地总结各种计算模型的特点，可以参考文献 2 4 。 一般来说，在选择计算模型时，结合嵌入式系统的特性，需要考虑一个计算 模型是否具备相应的表达能力，例如能够对层次化结构、状态转换、行为的并发、 通信和同步、时间特征、约束条件、非确定性和环境特征等方面进行描述，另外 要考虑计算模型的适用领域。 典型地，计算模型( m o c s ) 是由特定的语言及其语义来实现的，描述语言及 其配套的计算机辅助工具为嵌入式系统设计者提供了具体的系统描述手段。一种 计算模型，可以被多种语言支持；而一种语言，也可以同时支持多种计算模型。 对于系统级描述语言的要求，除了前述的表达能力外，还应该包括分析验证 方面的能力，如形式化支持或可执行性等，以及向后续抽象层次良好的转换和衔 接的能力。同样，描述语言商业方面的特征也非常重要，其中包括：支持工具( 模 拟器、调试器、编译器和综合器等) 的可用性、标准化程度和简明性等等，它们 在很大程度上会影响开发者最终的接受程度。 目前，嵌入式领域内使用的描述语言很多，大致可以分为：形式化描述语言， 如l o t o s 2 5 ，s d l 2 6 ，m s c 2 7 等；实时系统语言，如e s t e r e l 2 8 ：硬件描 述语言，如v h d l ，v e r i l o gh d l ，s y s t e m v e r i l o g 2 9 等；软硬件协同设计语言， 如s y s t e m c 3 0 和s p e c c 3 1 等；以及编程语言c + + ，j a v a 等。虽然它们都不同 程度地被用作了系统级描述语言，但实际上还没有一种语言能够满足和胜任系统 级描述语言的全部要求。 2 系统级综合 在软硬件协同设计的早期研究中，软硬件划分一度成为热点，也被称为软硬 件协同综合( c o s y s t h e s i s ) ，其主要任务是假定一个固定的系统体系结构，然后 将系统功能划分为软件实现部分和硬件实现部分，划分结果力求提高速度、缩小 面积、降低成本与功耗。在这里，硬件往往指的就是a s i c 或f p c - a 等包含了特定 功能的专用硬件，实际上，象存储器、总线结构等体系结构的其他方面，都会对 系统的整体性能、成本产生影响，更为甚者，过分集中在精细粒度的软硬件划分 上，会使软硬件间的相互耦合非常紧密，造成难以维护和修改的后果 3 2 。 由于软硬件协同综合的局限性，越来越多的研究趋向于系统级综合，即不仅 第7 页 基于u m l 的嵌入式系统系统级发计方法研究 仅关注在软件和a s i c 之间的划分问题，而是把系统体系结构和划分问题放在了 同等的位置上，两者并发进行，互相影响，反复迭代和循环。目前普通采用的系 统级综合方法也可以称为一个y c h a r t 方法 3 3 ，3 4 ，如图1 5 所示。y - c h a r t 方法首先要求分离系统功能的行为描述和系统实现的体系结构描述，使得同一个 系统功能可以在不同的体系结构上实现，通过映射( 或综合) 技术快速生成具体 系统结构相关的系统实现，然后通过验证和性能分析反复迭代，最后得到优化结 果。 m 图1 5y c h a r t 系统综合方法 y c h a r t 方法要求有一个快速有效的映射或综合技术以及高效的模拟速度， 否则系统的优化搜索变得不可行。在s e s a m e 3 5 中，提出协同模拟应用模型和 结构模型的方法，能较快地实现系统设计空间搜索而不必要求得到综合后的完整 系统模型。 系统性能参数是下一次自动化综合的依据，一般通过两种方法来实现，一是 系统性能的预估，二是通过软硬件协同模拟。系统性能的预估，一般采用分析系 统模型或分析编译后的中间模型的方法，中间模型越接近实现，则估计的结果越 好，而花费的时间也越多，反之则精确度差而速度快。目前较好的方法是以与实 现相关的评估技术为主，以实现无关的评估技术作补充尽可能在早期先去除一 些不可行的方案 3 6 。 3 系统级验证 随着设计复杂度的不断增大，设计验证变得越来越困难，验证所花的时间和 精力已占整个设计过程的7 0 3 7 ，设计验证已经成为整个设计过程中的瓶颈。 应该讲，系统级验证的内容和目标与其他层次的验证没有什么差别，但是系统级 面临设计空间优化搜索的任务，所以在验证的效率方面要求更高。 第8 页 基于u m l 的嵌入式系统系统级设计方法研究 目前设计验证的方法主要有两种，一是形式化验证方法，另一个是模拟验证 方法。形式化方法就是采用数学和逻辑的方法，描述和证明设计实现部分或全部 满足系统所要求的性质。从描述上讲，一方面是系统的描述，另一方面是性质的 描述。从验证来讲，主要有两类方法，一类以逻辑推理为基础，称为定理证明 3 8 ； 另一类则以穷尽搜索为基础，称为模型检测( m o d e lc h e c k i n g ) 3 9 。形式化方 法的应用在电路设计和协议设计上都取得了很大的成绩。但是对于软件来讲还有 很多没有解决的问题，因为软件的描述一般要比电路和协议复杂，而且所包含的 状态空间通常来讲可以是无限的。 模拟验证方法分联合模拟和自检查模拟两种，联合模拟指的是，用一个基准 的黄金模型来比较两个模型的输出以判断系统模型是否正确，其难点的是黄金模 型的编写和同步两个模型的执行等。自检查模拟方法需要设计者自己对提供的模 拟输入准备预期模拟输出，对比进行验证。该方法是用得比较普遍的模拟验证方 法。但准备模拟激励以及自动生成模拟矢量成为该方法的瓶颈。模拟验证存在的 另一个问题是如何度量模拟验证的程度，即何时可以停止模拟。由于不能穷尽模 拟，一般都采用覆盖率分析方法来检验测试的全面性。 形式化验证和模拟验证方法各有优缺点，单独使用一种方法都难以高效地完 成整个系统的验证任务，实际上这两种方法是可以互为补充的。目前流行的方法 之一，就是使用结合了形式化验证和模拟验证方法优点的覆盖率驱动的验证方法 4 0 。 1 3 系统级设计方法学 前面讨论了系统级设计方法中的三个主要任务，围绕这三个主要任务就形成 了一定的系统级设计方法学，在系统级设计方法学中，系统描述占据了非常重要 的位置，选择什么样的系统描述语言会影响甚至决定综合和验证方面的具体技 术。一个系统描述语言，相当于一个具体的设计开发平台，所以下面介绍的系统 级设计方法学都是以不同的系统级描述语言为核心来展开的。 美国i r v i n e 大学g a j s k i 等开发的s p e c c 语言及其方法学是目前较成功且较 活跃的系统级设计方法之一