（系统分析与集成专业论文）模型驱动的系统级软硬件协同设计若干关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着微电子技术和超大规模集成电路的快速发展，软硬件协同设计的应用 范围越来越广，硬件的异构程度和软件的复杂性都达到了前所未有的程度。技 术上的不断进步和成熟，使研究人员正逐步由r t l 级设计向系统级设计转移。 然而目前这一设计领域对系统的高层设计仍然研究不足，较多注重于r t l 级和 底层芯片的设计，对系统设计规范描述不够，传统的建模技术不能满足系统级 设计的要求，结果使设计周期变长，设计修改困难。因此提高设计的抽象层次， 采用模型驱动架构( m d a ) 的设计技术，在整个开发过程中以系统的建模行为驱 动设计，已经成为解决问题的有效途径。本文尝试在系统级软硬件协同设计中 融合先进的m d a 的技术成果，探索出一种模型驱动的软硬件协同设计方案，解 决系统功能建模、不同模型( e c d m 到s y s t e m c 模型) 间的自动转换等关键技 术问题，使之能有效地分离功能设计与软硬件的具体实现；通过重用已有的组 件，扩大设计空间；在不同抽象层次上进行综合与验证，改善设计性能，提高 设计效率。作者完成的研究工作和贡献主要有以下几点： 一针对消费类数字应用产品的更新换代快、设计周期短的特点，提出了一种基 于模型驱动的系统级设计方案。该方案采用具有实时处理的e c d m ( e x t e n d e d c o d e s i g nm o d e l ) 模型作为系统功能描述模型，以软硬件协同设计为主要特 征的s y s t e m c 模型作为实现模型，从而有效地分离了功能设计与具体实现； 在设计初期能够对系统功能进行验证，纠正设计错误，因此可降低设计成 本；通过自动化的模型变换来实现系统级综合，利用组件重用来优化设计 空间搜索，因此能够提高系统设计的性能和开发效率。 _ 扩展了已有c d m ( c o d e s i g nm o d e l ) 模型的实时响应特性，使之能有效地 提高设计方案中系统建模的能力。扩展后的模型称为e c d m 模型。c d m 模型 作为系统级功能描述模型，能够在高层描述和调度执行系统功能、允许不 同模块并发处理，但是它没有衡量不同时间约束对于系统实现的影响程度， 并且同一模块不能对多个并发条件i o 关系进行响应。e c d m 模型通过扩展条 件i o 关系的响应时限，增强模块处理的外壳功能，解决了c d m 模型的不足， 使e c d m 模型具有更广泛的应用范围。 _ 提出了相应的模型转换的映射规则和算法，其特点为可灵活设置约束参数， 重用已有组件等，从而可以达到设计空间优化搜索、提高设计性能的目的。 华东帅范大学博士学位论文 由于e c d m 模型缺乏详细的行为描述能力，阻碍了e c d m 可执行模型的创建， 而s y s t e m c 可在系统缴、算法级和r t l 级描述和验证系统，因此作者将e c d m 模型映射到s y s t e m c 环境中，提出了e c d m 到s y s t e m c 的映射规则和m o d m a 算法，并依此开发了模型转换及代码生成工具 i o d c t ，达到自动化地进行模 型映射的目的。本文用实例设计跟踪相关信号的波形，验证了模型映射的 正确性。 - 基于模型驱动的设计理念，我们开发了设计与测试平台i e c d m d t ( i n t e g r a t e d e c d md e s i g na i l dt e s t ) 。在该平台上能够完成设计系统的需求描述、系统 功能建模、不同模型间的映射、自动生成s y s t e m c 行为级代码的全过程， 且使同步生成的测试平台与设计系统联合验证，提高了设计性能。作者利 用i e c d m d t 平台进行数字电话应答机的全程实例设计，通过实验证明了实 例设计的有效性和j 下确性，同时也说明了i e c d m d t 为系统级软硬件协同设 计提供了新的方法和平台支持。 本文提出的系统描述模型e c d m 、不同模型的转换算法及代码生成工具 m o d c t ，以及开发的软硬件协同设计与测试平台i e c d m d t 已在上海市科技攻关 项目“中德合作协同设计技术研究”中得到实际应用。该项目已正式通过鉴定， 并得到鉴定专家的肯定，其成果获得2 0 0 5 年计算机软件著作权登记证书( 登记 号：2 0 0 5 s r 0 3 7 1 5 ) 和2 0 0 5 年上海市科学技术进步三等奖。 关键词：软硬件协同设计，e c d m 模型，模型驱动架构，模型映射，s y s t e m c 验证平台，协同综合与验证 i i a b s t r a c t w i t h 也eh i 曲一s p e e dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o l l i c sa n dv e d rl 哪es c a l e i n t e 删e dc i r c u i t s ( v l s i ) ，h a r d 、张r e s o f i 、v a r ec o d e s i 弘口w s wc o d e s i g l l ) i so f w i d e ra 1 1 d谢d e r a p p l i c a t i o l l s t h e c o m p l e x 埘 a r i d h e t e r o g e n e o u s n 砒u r eo f h a r d w a r e ，s o f h v a r er e p r e s e n tt 1 1 ed e g r e e0 fn e v e rh e a r d o fb e f b r e a n d 、j v i mt l l e c o n t i l l u e da d v a n c e m e n ta 1 1 dm a t u r i 毋i nt e c h n o l o g i e s ，m ed e s i g ni s 扛a 芏l s f 色玎i i l g 丘o m r t ll c v e lt os y s t e ml e v e l b u tn o wn l er e s e a r c ho f m eh i g h _ l e v e ld e s 峥i n 也i sf i e l d i ss t i l li m d e q u a t e n er e s e a r c h e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt om ed e s i 印o f r t ll e v e la i l d l o w e r 1 e v e lc m p m e a i l w h i l e ，t h es y s 钯md e s i 趴l a c k ss p e c i 矗c 撕o n sa i l dt h e t r a d m o n a lm o d e l i i l gt e c l l i l o l o g i e sc a n ts a t i s 匆t h er e q u e s t so fs y s t e m l e v e ld e s i g n ， 、池i c hr e s u l t si nal o n g e r p e r i o do fd e s i 印a 1 1 dd i 历c u l t yi nm a m t e n a n c e s 1 1 1 e e 日e c t i v es 0 1 u t i o nt ot h e s ep r o b l e m si st oi m p r o v ea b s t r a c tl e v e l so fd e s i g n ，a d o p tm e t e c l m o l o g yo fm d aa n du s et h e m o d e l d r i v e nm e m o dmt 1 1 ew b o l ed e v e l o p i n g p r o c e s s t h i sp a p e ra i l i l e dt or e s o l v es o m ek e yt e c h o l o g i c a lp r o b l e m s ，s u c ha s s y s t e mf h n c t i o n a lm o d e l i n g ，a u t o m a t i cm a p p i n gb e “v e e nd i 丘b r c n tm o d e l s ( f r o m e c d mt os y s t e m c ) b ym e r g i n gt h c 栅to fm ea d v a l l c e dm d at e c h n o l o g yi n h w s wc o - d e s i g na 1 1 de x p l o r eam o d e i d r i v e ns w h wc o d e s i g na p p r o a c h s ot h e p a p e re 恐c t i v e l ys e p a r a t c dh w s wi m p l e m e m 劬m 也e 斯1 c t i o n a ls p e c i f i c a t i o na 1 1 d e n l a 碍e dt h ed e s 塘ns p a c eb yr c u s i n gc o m p o n e m s a tt h es a m et i m e ，i te n h a n c e d d e s i g ne 伍c i e n c yo n 【h eb 髂i so fc o s ”也e s i sa n dv a l i d a t i o no fd i 虢r e n ta b s t r a c t l e v e l s t h em a j o rw o r ka n di n n o t i v ec o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e n a t i o na r e c o n c l u d e da sf b l l o w s ： t h ea u t h o rp r o p o s e das y s t e m l e v e ld e s i g nf l o wb a s e do nm o d e l d r i v e n c o n s i d e r i n gt h em p i du p d a t ea n ds h o n e rd e s i g np e r i o do fc o n s u m 矗b l ed i g i t a l a p p l i c a t i o np r o d u c t s t h e 丘m c t i o ns p e c i f l c a t i o nu s e sar e a l t i m ep r o c e s sm o d e l ， e c d m ( e x t e n d e dc o d e s i g t lm o d e l ) ，a n dt h er e a l i z a t i o nm o d e li ss y s t e m c m o d e lw i mt h ep r i n c i p a lc h a r a c t e r i s t i co fs w h wc o d e s i g n a c c o r d i n g l y t l l i s a p p r o a c h c a ne f 传c t i v e l y s e p a r a t e m c t i o nd e s i g nf 如md e t a i l e dh w s w r e a l i z a t i o n ，a tm ei n i t i a ls 诅g e so fd e s i g n ，t h en o wc a nv a l i d a t es y s t e m a t i c f u n c t i o n s ，c o r r e c td e s i g ne r r o r sa i l dr e d u c ed e s i g nc o s t t 1 1 i sp a p e ra d o p t s a u t o m a t i cm o d e im 印p i n gt or e a l i z es y s t e m 一1 e v e ls y n t h e s i sa i l dm a k eu s eo f c o m p o n e n tr e u s et oo p t i m i z et h ed e s i g ns p a c e s om es o l u t i o nc 趾i m p r o v et 1 1 e e m c i e n c yo fd e s i g na n dd e v e l o p m e m 一 t h ep a p e re x t e n d e dt h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 ee x i s t e dc d m ( c o d e s i g n m o d e l ) a n dt 1 1 e nm a d ei tt oe 血a i l c et l l ea b i l 畸o fs y s t e mm o d e l i n ge 圩c c t i v e l y t h ee x t e n d e dm o d e l i sn 锄e da se c d mm o d e i t h ec d m ，a sas y s t e m 1 e v e l i i i 华求师范大学博士学位论j 文= f 妇c t i o nd e s c r i p t i o nm o d e l ，c a nd e s c r l b ea n de x e c u t es y s t e m a d c 矗m c t i o n si n 址麝l e v e la n dp r o e e s se o a c u r r e n to p e r 越。珏i nd i 疰e f e 壬l l 糙o d 啦e s ，b 越至l n e g l e c t e dm ee 娲c t 硝d i 脑e n t t i m er e s t r i c t i o nu p o ns y s t e mr e a l i z a t 溉a n dt h e m o d e lc a i l n o tc o i n s t a 毗a n e o u s l yr e s p o n dt os e v e r 出c o n d i t i o n 啦i or e l a t i o n s ， 1 飞e 嚣c d m 黼h a n c e 8 也ee c d m s h 蠡黼c t i o n so f i n o d e lp r o c e s sa n dm 威e su pt h e d e m e “t so fc d mb ye x t c n d 妣gt i m el i m i to fr e s p o n s ec o n d i t i o n a li or e l a t i o n ， 荫i c h 致l 农e s 氇e 诚d 龆a 卵l 主e a t i 雌o e e d 醚料a 至硒l e 一m o d e lm a p p i n gr u l e 8a i l di m p l e m e n ta l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e di n 也ep a p e r i t e 戤s e t 强r c 蹦g 垃。纛p & r a m e t e f 曩e x 主b 垮矗n 硅f e 璐ee x i s 专e de o m o 珏e 嫩s 。s oi tb a s t h ea b i l i t yo fo p t i m i z i n gd e s i g ns p a c ea n di m p r o v i n gd e s i g np e r f b n n t h l c e t h o s 酏哆o fe x e c u t a b l eb c d m 搬o d e li sb l o c k 。db e 。a u s e 状d mi ss h o no fd e t a i l e d b e h a v i o r a ld e s c r i p t i o na b i l h y _ a n ds y s t e m cc a nd e s c 渤ea n dv a i i d a f es y s t 啪i n s y s t e m 撕cl e v e l ，a l g o r i t h m i c1 e v e la l l dr t ll e v e l s o t 圭1 i s p a p e rc o m b i n i n g e c d ma n ds y s t e m ce 潮n m e n p 霉口p o s e d 斑em o d e l 礤a p p i n gn l i e s 盎d m e c d mt o s y s t e m c a 1 1 dm o d m aa l g o r i 搬m s ，f 帆h e rd e v e l o p e dm o d e l 拄秘s f o 滟s 嬲dc 。矗eg o n e 撼i o 菝铅o l 一婚d c 鼍氇e f e 稻f e 撞臻蠢i mo fa 堪。氆蕊i c m o d e lm a p p i n gi sa c h i e v e d t h ew a v e so fr e l a t i v es i g l l a l sw e r et r a c e db y d e s i 辨西g 默a m p l e 糕dv a l i d a t e dt h ev 融i d 毋鼹趣o d e lm a p p 趣鬈+ 一 b a s c do nt 1 1 ec o n c e p to fm o d e l 一拍v e n ，w ed e v e l o p e dt h ei n t e 盯a t e dd e s i g n 甜d t e s tp l a t f o r m i e c d m d t ，o nt h ep l a t f o n n ，a 重1w o r k sc o n c e 删n gr e q 试f e m e n t d e s c f i p t i o no fs y s t e m ，f h n c t i o nm o d e l i n 岛m a p p i n gb e 撕e e nd 谤融r e n lm o d e l s a n da u t o m a t i cg e n e r a t i o no fs y s t e m cb e h a v i o r a l l e v e lc o d e sc a nb ef i n i s h e d a 熊氇e 把s tp l a t 岛勰b 渡l ts y n c h r o n o u s l yc a n _ v 采瓣a 电氆e & s i 辨s y s t e 辩， w h i c h 血p r o v e s m e d e s i g np 耐b r i n a l l c e t h ea u t h o ra d o p t e di e c d m d tp l a t f o h n t o 娃糕逗拄氆ee x 鑫m p l e 娃i 疼基圭e l e 露o n e 勰s w e r 至藏gm 鑫c 毯鬏e 塞x p e r 呈m e 珏姆 i n d i c a t e d 也ev a i i d i 甜a n dc o r r e c n l e s so fe x a m p l ed e s i g n a tm es 舡n et i m e ，也e i e c d m d tp r o v i d e d 妓辖n e wm e t h o d s 勰d 蹦鞠o r t e dp l a t f o r mf o rs y 姒黯一l 。v e l s w 小wc o d e s i g n t h ea e h i e v e l n e n t so ft 量l i sd i s s e n 皱i o na n dh w ，s we o d e s i g 拄 p l 矗t f l o 融 i e c d m d th a v eb e e nu s e di nt h ep r o j e c t “s i n o g e r n l a nc o o p e r a t i v er e s e a l c ho n e o - d e s i g nt e c 王l i l i q u e s ”t kp r o j e c tw a sa w a r d e dt 1 1 et h j r d g r a d es h a n 曲a is c i e 越蛀c a 豹d 了色c b n o l o g i c a lp r o g f e s sp r i z ei n2 0 0 5 k e y w o r d s ： h a r d w a r e ，8 0 最w a r e c o d e s i g n ， e c d m m o d e l ，m i o d e l d r i v e n a r c 珐t e c t 疆e ，m o 娃畦m 鸳疼l 培，s y s t e m c ，s t i n gp l 器蘧) r 瓣，c o s y 珏圭h e s i s a n dv e r i f i c a t i o n 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 璃采。獬我所辩，除文中已经滚翳弓| 震静内容辨，奉论文不毽含其德个入已经 发表或撰霉过懿簪 究藏莱。对零文趣磋究擞爨熬要羹漱瓣令人秘集嚣，均已凌 文中作了明确说明并表：瑟谢意。 作者签名：盟日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了瓣华东娜范大学有关傺鳃、使髑学位论文魄裁定，学搜有投绦 留学位论文并向圈家主镑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q e 赢利髓的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 投将学佼论文麓内容缡入有关数据痒逡行硷索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位涂文在鼹密居送罔本燕定。 学位皱俸者签名- 袭静一名：施聚p 日期：_ 2 1 嘭。f ! f 口日期：z 壁竺& ：! ! ：如 第1 章绪论 第1 章绪论 本章简要地概述软硬件协同设计技术研究的历史背景和现状，讨论软硬件 协同设计的概念和研究内容，概括介绍了全文研究的主要内容，并给出后续章 节的安排。 1 1 软硬件协同设计研究的背景与现状分析 软硬件协同设计的研究背景 传统的软硬件系统设计过程【f p 9 1 的基本特征是在一开始系统就被划分为 软件和硬件两部分，软件和硬件独立开发和设计，先开发硬件，然后再开发与 此相适应的软件。这种方式隐含着一些问题：软硬件之间的交互受到很大的限 制，软硬件之间的相互影响很难评估，系统集成相对滞后。随着设计复杂程度 的提高，这种软硬件设计方法中的一些错误将使开发过程付出昂贵的代价，为 此研究者寻求新的解决方案，软件设计与硬件设计相互分离的现象必须改变。 针对传统软硬件设计过程的弊端，研究者们转向了软硬件协同设计方面，并积 极开展了各项研究工作。 软硬件协同设计( h w s wc o - d e s i g l l ) 是一种从系统功能描述开始，在设 计的最初阶段就将软件和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，以满足系统功能和性能要求的设计方法。 这种方法主要有2 个特点： 一交互性：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，一方面使得软硬件间的 交互性得以实现，另一方面缩短整个设计周期。 在1 9 9 3 年，s t a n f b r d 大学的v u l c a n 【g m 9 3 项目与b r a u i l s c h w e i g 大学的 c o s y m a 【e h b 9 3 项目就对软硬件协同设计技术进行了研究，这两个项目都将设 计映射到由c p u 与a s i c 组成的目标系统结构中。v u l c a i l 先将所有的功能用硬 件来实现，考虑代价后将一些功能转用软件实现以降低成本。c o s y m a 则先将所 有功能用软件来实现，然后找出影响性能的瓶颈问题将其转换成用硬件实现以 毕东师范大学博士学位论文 提高性能。两个系统的设计者都评价了系统的性能。硬件的性能估计相对容易， 嚣为露硬 孛元臀鹁支持。对较 孛缝能 薅言，在c o s y 撇中嗣袋矮实例溺试豹方 法对软件性能进行估计，而v u l c a l l 则通过分析受控数据流图估计软件性能。 1 9 9 4 年，趣矧绉夷弱势校夔p 幻l e 疆y 矮鏊也开发了个软硬传秘窝仿真器，这 个仿真器是基于多种舜构模型的，对于后来理解多种异构模魁的关系起到了很 好豹佟瘸整h 酣9 4 】。1 9 9 6 年s 弦o p s y s 公司开发静e o w a 【r v b + 9 翻软硬传渗 同设计系统，而p r i n c e t o 】1 d 大学的c a s p e r 【b n 9 8 嵌入式综合工具，以周期性 与嚣粥期蛙或混合任务圈为擦述模蛩，主要鲻予慰嵌入式系绫鹅矮系絮褐遽萼亍 综合。这一时期的软硬件协同设计系统，虽然各自研究的重点不同，但它们的 设计避程大致是耀同的，都在扶系统接述、软硬件划分嚣系统集袋等方法积援 尝试软硬件协同的方法，以期望很好地达到设计目的。 软硬箨协嗣设计鲍发最 早期的软硬件协嘲设计过程【r b 9 4 】f a j k 9 镪如图l l 赝示。 a n o t h 瞎r h w f s w p a 一鞋o n 图l 一1续典的软磺件协同设计方法 在这种设计方案中，整个设计过程可分为系统描述，即用有向图戚模型来 描述系统的功趟；软硬件划分，确定功能模块是由软l 牟还是嫒俘来实瑷；软、 硬件及接口的综合设计；系统的集成与设计评价等步骤。随着集成电路的快速 发展移设计应明复杂发的不断提高，这葶孛较磺传协露设计方法越寒熬不2 逶废 现代设计的要求。它存在着如下的不足：( 1 ) 设计过程胡期对系统规范搦述不够， 造成设计维护圈难：软 粤积硬馋描述浆用了不民的设诗语言，缺乏绞一故表示 方法，难以发现软硬件边界的不兼容问题，导数软硬件集成潮难；( 2 ) 较多注麓 r t l 级和底层j 卷片的设计，不能有效地重用已有的设计成果；( 3 ) 隧凑设计复 杂度的提高，硬件的费用越采越高，不能在设计初期进行验证。设计完成后发 第1 章绪论 现错误进行更改困难，设计周期延长。 为了克服早期软硬件设计中的各种缺陷和不足，越来越多的研究趋向于系 统级的综合设计，即在设计的初期阶段，将更多的努力投入到对系统的描述上， 将软硬件完成的功能作全盘考虑并均衡，采用模型驱动的设计技术，在设计空 间搜索技术的支持下，设计出不同的软硬件体系结构并进行评估，最终找到理 想的目标系统的软硬件体系结构，然后使用软硬件划分理论进行软硬件划分并 设计实现。在设计实现过程中，始终保持软件和硬件设计的并行推进，不仅关 注软件和硬件之间的划分，而且把系统体系结构和划分问题放在了同等重要的 位置，使系统级设计与软硬件协同设计两者互相影响，并提供相互通信的支持。 在设计后期对整个系统进行验证，最终设计出满足条件限制的目标系统。即可 以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标，缩短开发周期，同时还 能满足苛刻的设计限制。 软硬件协同设计的内容 h w s wc o d e s i 卫n 的目的是为h a r d w a r e 和s o f t 、v a r e 的协同描述、验证和综 合提供一个集成环境。目前系统级软硬件协同设计主要涉及到以下内容：系统 功能描述方法、设计空间搜索支持、资源使用最优化的评估方法、软硬件划分 理论、软硬件详细设计、硬件综合和软件编译、代码优化、软硬件协同仿真和 验证等方面。 系统功能描述方法解决系统的统一描述问题，这种描述应当是对软硬件通 用的，目前一般采用系统建模的方式。系统模型有多种表现形式，如形式化描 述模型f s m ，p e t r in e t ，图形描述模型c f d ( c o n _ 【r o lf 1 0 wd i a g r 啪) ，u m l ，e c d m 等；在软硬件划分后，它们能被编译并映射成为硬件描述语言和软件实现语言， 为目标系统的软硬件协同工作提供强有力的保障。设计空间搜索提供了一种实 现不同设计方式、理解目标系统的机制，设计出不同的软硬件体系结构，使最 优化的设计实现成为可能。最优化的评估方法解决软硬件的计量和评估指标， 从而能够对不同的设计进行资源占用评估，并进而选出最优设计。 软硬件划分理论从成本和性能出发，决定软硬件的划分依据和方法。基本 原则是高速、低功耗的模块由硬件实现；多品种、小批量由软件实现：处理器 和专用硬件并用以提高处理速度和降低功耗。划分的原则从两方面入手：一是 面向软件，从软件到硬件满足时序要求；二是面向硬件，从硬件到软件降低成 本。在划分时，要考虑目标体系结构、粒度、软硬件实现所占用的成本等各种 因素。划分完成后，产生软硬件分割界面，供软硬件沟通、验证和测试使用。 软硬件详细设计具体完成划分后的软件算法和硬件设计的实现。硬件综合 华东筛范大学博士学位论文 是在厂家综合霹的支持下，完成行为缀、焱琵缀耱综合。代码霞纯完畿辩设计 实现后的系统进行优化，主要是与处理器相关的优化和与处理器无关的优化。 与处理器稻关酶伉纯受不阖静筵壤器类型影嫡缀丈，一般撮据处疆器进行代码 选择、主溪是指令的选择：指令的调度( 并行、流水线等) 、寄存器的分配策略 等；与楚建器无关豹往稼主要专常羹优化、变薰貔纯释伐抉、表达式後纯、港 除无用变蹩、控制流优化和循环内优化等。 软疆传协溺穆囊帮验谖是嚣竣诗完成豹嚣标系统邃露验 歪，像证萁穗实理 功能要求的前提下，具有良好的性能，并尽可能地降低设计代价。 1 2 本文研究的主要内容 本文的研究工作可以归纳为：在分祈软硬件协同设计的方法、建模的基础 上探索一孝孛蘑蠹淤费类数字应用产晶豹系统级软硬 孛协躺设计的方寨，它能够 解决系统功能建模、不同模型之间的映射、设计的协同综合与验证等关键技术 润题，达到在系绕设计初期检验设计缺陷，实现设计的行为级代码框架的自动 生成，通过选择不同的软硬件实现来扩大设计空间探索的目的。作者利用模型 瓤动的建模技术，通过对各类模溅的分孝厅比较，最终选定具有实时处理特性的 e c d m 横澄作为系统功髋描述模攒，用s y s t e m c 软硬件阱同设计环境作为设计 实现的平套，围绕着系统级设计的县标，对其中的若干关键技术闯题展开了研 究，提出了解决方法，并通过实例进行了验证。本文具体的研究内容主娶体现 在以下几个方面： - 研究了系统级软硬件协间设计的历史和发展现状，分析了软硬件协同 设计的方法、使用的各种模型和语言特点，通过比较确定了本文采用 的系统模型和软硬俸实戮语言；分析了系统缀软硬件协同设计领域的 研究范畴和目前越待解决的问题，提出了本文拟解决的关键技术； _ 提出了一个面向消费数字产品设计静系统级软硬件协同设计方策。它 椴据i e e e8 3 0 标准分析系统需求、根据设计的性能要求和时间约束条 件，建立平台独立的功熊摇透模瀣e c d m 模型，并以s v s t e m c 软硬斧 协同设计模型为系统实现模型，从而有效地分离功能描述与系统实现， 达到著行设计，优佬设计空闻援索静磊豹。在设诗裙期捡验稀消除设 计缺陷，有效地降低设计成本；通过组件重用和自动生成s v s t o m c 行 为缀代弱框架及验 | 正平台，著在不露 彘象层次上进行验证，可缩短设 计周期，提高开发效率。 对功能搭透模羹e d 磁邀行了磷究，扩展了c d m 模型麴实辩楚毽能力。 4 第l 章缝论 枣予e d 醚摸鍪存在下列不是：在令薄黪嫡应翼重黻上采攥霆定瓣瓣终 柬，限制了处理对条件1 0 关系的判断能力；c d m 模型允许不同模块 著发处理，毽嚣一模块不然对多个并发蕊象律1 0 关系进行瞧应；懑蘧 本文对其进行扩展，形成e c d m 模型。e c d m 模型扩展了对条件i o 关系嚣昀黩污阕溺疆，增艇了熟璞模块豹羚壳动能，虽熬够对令牌进 行选择与分支处理，从而提高e c d m 模型的建模能力，使其具有更广 泛戆应矮蕊疆。 - 模涎映射烧系统级设计中的一个关键技术问题，它直接影响着实现模 型豹功藐、牲自2 和设诗豹效率。本文依据m d a 鲍设计理念，提出了由 e c d m 摸裂到s y s t e m c 模型的映射规则和m o d m a 算法，进而开发了 摸型转换秘代码生戏工具m o d c t ，达到将e c d m 模型囊动地转换成 s y s f e m c 表示的行为级代码框架的目的。分离功能描述与其体软硬件实 现，以及模型映射过程中邋过选撵不同的软硬 牛鳃馋，达到设计宅阀 的优化搜索的目的；自动生成的行为级代码对时滴约束留有接口，在 实例化设计中可根据需要灵活设寇，因此提高了设计的w 扩展性。本 文通过实例验证说明了模挺映射的正确性。 - 综会设计与验证也是整个设计流税中的关键部分，软件和硬件部分的 综合，尤冀是软硬件之间的通道练合，对设计系统时间响应、通信性 能影响很大。作者研究了软硬 牛模块互遗的拓扑结构，搬出影响通信 ，陡能的困索，给瞄了优纯拓扑的生成算法，改善了设计的通信髋能； 提出了组件包装，软硬件之问的接口综合算法，通过设计系统与验证 平台的联食验证，分析和优亿往能参数，黻菇提离设计斡性能。 一根据上述研究成果，实现了一个支持系统级软硬件协同设计与测试平 台i e c d m m 。在该平台上能够完成设计系统静需求描述、系统功能建 模、不同模型间的映射、自动生成s y s t n l e c 行为级代码并进行验证分 桥的全过程。通过数字电话应答税实镪静研究，诞明了本文提漱瓣设 计方案及关键实现技术是藏确可行的，i e c d m d t 环境能够为系统设计 提供支持。 总之，瀵费数字应臻产鑫豹设诗过程魏是扶系统描述入手，充分考虑疰翅 产晶的功能及通信特征，进行系统功能建模；将功能描述与具体实现分离，从 瑟馊设计系统具鸯筵大戆蹙闼援素：壹动送行不瓣模型之瓣熬映瓣，选择不同 的软硬件实现，优化软硬件之间的通信拓扑结构和协议选择，并使设计系统在 多令抽象鼷次上遴 亍验诬，绣短了设计时瓣，改势了设计系统载燃戆。本文结 臻末师范大学博士学位论文 合i c a 实验室“中德合作协同设计技术研究”项屋，通过实例检验了设计方案 的正确性和有效性。 1 3 论文缳织结构 零论文总体上共分为七举，各章的绣织魏下： 第1 章绪论，介绍了软硬件协同设计的背景与研究现状，说明本文研究工 车翦主要内窑； 第2 章作为全文的理论纂础，在分析了软硬件协同设计的方法和研究范畴 之磊，对理有模鍪与软硬俘语言特熹送行对魄、对冀爱蓼境与工具遴行跑较蕊 提出本文系统级软硬件协同设计的方索，并指出具体解决的关键技术问题； 繁3 章磷究平台无关模篓- 嚣c d 功筢接述模型，扩疆已有e d m 模霾 对条件i o 关系的实时响应能力，增强了外壳的处理能力，使e c d m 能在一定 薅疆内响应著发条孝 ；提出功g 接述模型鲍一致性捡测算法； 第4 章研究不f 司模型映射的原理和方法，提出了e c d m 模型到s y s t e m c 模型懿狡辩褒粼、绘出了m o 揪a 获舷算法豹实袈，运震醚o d e t 伐褥生残工 具可生成设计系统的行为级代码及验证平台，为优化设计空间、提高设计性能 羹定綦疆； 第5 章对软硬件模块进行综合设计，提出了重用组件的包装算法；研究了 影响逶痿性能豹因素，绘出软硬譬缀l 拳闻互遣豹遥遵按 续搀鲍生残算法季鞋协 议选择方法，使设计能在不同抽象层次上进行验证。 第6 章应用上述磺究鲍关键技术，开发了软硬件协弼设计与溅试乎螽 i e c d m d t ，利用该环境进行实例设计研究，取得了很好的实验效果。 第7 章总结全文躲工 乍，黉提出今蜃进步的磷究方惫。 6 第2 章系统级软硬件协同设计 第2 章系统级软硬件协同设计 本章首先介绍软硬件协网设计的系统抽象层次。划分抽浆层次可以降低设 计戆笈杂牲，蚨恧方便在不潮层次上重点矮决不霹方瑟豹溜题。其次，溺遮软 硬件协同设计的研究范畴和方法；分析了在软硬件协同设计过程中系统描述使 用懿器类模型，比较了它们的特点秘逶题蓖鼷，对不露类型麴系统设计语衰皴 了介绍后，确定本文设计使闵的描述模型和软硬件描述语言；针对阐内外的相 关磅究残果，重点分枣嚣了三个典型的软硬件协同设计系统，提出本文硬究懿系 统级软硬件协同设计方案。该方案利用模型驱动的设计技术，能自动化地避行 模型映射，并在多个层次上遴行验诞，实现了在设计初期进孳亍系统检验，及旱 消除设计缺陷。功能设计与软硬件的具体实现相分离，方便组件重用及设计空 闯的优化，可提赢设计的开发效率。 2 1 系统抽象层次 2 1 1 。y c h a r t 一般来说，由于系统设计过程舱复杂性不可能鼹单一步骤完成。在文献 f g k 8 3 】中提出的_ c b a r t 首次以不同领域的视角和不同的拙象层次来描述系统 设计过程，它与不同域中的抽象层次楣适应，可用于比较和分类不同设计工具 和方法。如2 1 图所示，y - c h a r t 用三个轴来袭示可酝分的三个领域：行为、结 构和物理实现。同心圃表示一个系统不同的抽象层次。它起始于y c h a n 的中 心，从最内滕的函环开始，扶内至4 外依次为晶体管、门电路、a 盯和寄存嚣、 硬件梗块到处理器。y c h a r t 能够说明系统的设计流和设计任务 g d w + 9 1 】。例 如，一个完整豹系统设计流觚行为辅的系统级开始，逐步转内结构稻述；缭构 描述中的物理构造实体又被细化到下一个较低抽象层次，最届在物理实现领域 静晶体管瑶上结束。翔一擒缀层次豹行灸擒述是戳拯象功鬣的数据模型及英控 制来描述系统功能，而结构描述则是实现相应功能的物理组件之间的互连及通 信。在y c h a n 上，模型裁楚这些正交辘上的点，麓通过设计描述的实现缩节 来定义的。系统级设计 g g 0 2 1 的过稷通过图上的箭头线表示，是从行为描述到 结梅滋透的一个动态簸理过疆，它受一个终寒集的裁约。行为对象绉述系统的 纯行为而不包含任何实现细节，以普通程序嫡数和数学等式的形式袭示系统， 7 牮衷簿范大学簿士学位论空 络稿对象蹙一些簸臻单元，妇凳灌嚣、定铡硬绺、| 憝窝慧线等，将行为撼述获 鹫裂缝掏对蒙上豹处理蛙程稼为系统综台。y - c h a r t 澍系统设计撼象层次的划分 恶广泛瘦溺翻嚣蛰a 、集成邀鼹泼计等秘关领域，其它划分抽象层次约方法与 y e h 娥没有本壤酝别。如文献【w d o l 】中说盟系统高层设计是揩系统级、芯片 缀( 算法缓，毒魂是熬模型实豁) 、毒存嚣级；露系统熊朦设t 是指f 1 级、电 路级和舨图设计。 蕞缝缍描谜 抒 褥理几何特性 蹒2 一 y e h a r t ，系统搽述簇凌奖臻【z l 0 2 】 综上所述，由于复杂的系统设计不可能用单一步骤完成，需求与实现之间 的匿大鸿沟导致了系统设计过禚需要划分多个襁象层次。在不间事由象艨次上重 点解决不同的问题，是降低设计复杂度的有效方法。俸者采用y ，c h a r t 对设计 孛盎象层次酌划分方法，重点磅究系统级的软硬伟协同设计褶关的技术，同时对 行为缓和r t l 缴的设计实现，本文也开展了榻荚的研究工作。 2 2 ，系统缀软硬件协同设计 软硬件协溺设计【c e 0 6 】就楚霜统一豹方法秘工葵协嗣设计软硬件体系结 构，以疆大限黢缝挖掘条绞软矮件能力，避免凌l 予独立设计软硬譬 体系终橡两 带来的静静弊端，得到离性髭低代价豹饶纯设计方案。然褥 w ，s we o d e s i g n 霹珏杰多个撼象瀑次上涟抒，安韬典型豹扳级软蟆馋按羁设计( 对应y ，繇缀中 酌逻辑稻窀藩瑟或称低矮) 。淹饕设计复杂缝静增大，校级软硬件协鞫设计已 第2 章系统级软骧辞按瓣设计 缀缀难瀵楚要求，瑟谩诗费曩蕊壤热，设诗瘸麓戆延长，更遥嫒没诗蠹泼交设 计方法。攫高设计抽象层次到系统级，从系统的角度进行设计与验证，是一个 有效静瓣决途径。姣菜静程度土漤，系统缀软磴传势弱设诗是在设计鹩最摆蹬 段，在尚未做出任何设计决策之前，将熙多的努力投入刻系统的描述上，特别 是在不露软硬 牟缀裁豹凳鹄系绞熬援莛攘述上。国予在受裹抽象层次，软馋硬 件部分描述的差异性变得越来越小，在单的规范中整个系统的描述变得更灵 逡。缝合y c h 勰熬层次划分，系统级设诗通过分层撼逑来解决软硬 譬按民设 计中日益复杂的问题，分离功能设计与具体实现，采用模型驱动的方法，探索 设计空间，以提麓设计蠛能。由就可见，从系统角度进行软硬传貉同设计是一 个逐层实现过程，每一层都会涉及到描述、验证及到下一朦的转换( 或称综合) 。 与毒亍为级算法的癸现比较，系统级设计主要聚焦在不同模型的映射技术上，即 将完整设计的抽黧模型映射到一个目标构造上，以此来扩大设计空间，构建灵 滔的系统结构。本文约定：文中提到豹软硬件协阉设计郄是指从系统级角度研 究的软硬件协同设计