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东北大学硕士学位论文 实时系统中软硬件任务协同调度的研究与实现 摘要 随着嵌入式系统功能和性能要求的不断提高，嵌入式硬件和软件都在寻求 新的设计思想和突破。可编程片上系统( s o p c ) 设计是一个崭新的、富有生机 的嵌入式系统设计技术研究方向。可编程片上系统已经集成了许多构件，包括 内存、f p g a 、一系列外部设备和i p 核，甚至集成了c p u 核。这些资源的管理 和共享问题越来越受到设计者的关心。 本文按照软硬联合设计的思想，提出一个基于可编程片上系统的支持软硬 任务协同调度的实时操作系统框架，帮助设计者建立自己的系统平台。本文讨论 支持软硬协同调度操作系统内核以及它在可重配嵌入式系统中的系统结构；提 出一个实时在线的f p g a 分区模型，并设计和实现相应的分区算法，同时应用 到软硬件任务协同调度的实时操作系统框架中；讨论了可重配硬件资源和内存 的管理；阐述软硬件任务的调度模型，讨论了任务状态转换和任务切换方面的 问题，建立了一套软硬件任务相互间的通信机制，实现了软硬件任务间相互通 信的一致性。 本文叙述了系统框架主要部分的研究与实现，提出了一个研究案例，并验 证了本文提出的系统框架。通过实验验证本文提出的实时操作系统内核可以减 少整个系统的设计成本，提高任务的整体运行速度，有利于实现软硬件的无缝 集成，有利于帮助设计者建立自己的系统平台。最后对整个系统做出总结，并 对系统进一步发展和应用前景进行了展望。 关键词嵌入式系统，片上可编程系统，协同设计，协同调度，实时操作系统 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r e s o f t w a r e c o s c h e d u l i n gi nr e a l - t i m es y s t e m a b s t r a c t a st h er e q u i r e m e n t so fe m b e d d e ds y s t e m sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ei n c r e a s e c o n t i n u a l l y ，b o t ht h e e m b e d d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r es e e kn e wi d e aa n d b r e a k t h r o u g ho fd e s i g n t h es o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) d e s i g ni sa b r a n d n e wa n dp r o m i s i n gr e s e a r c hd i r e c t i o no fe m b e d d e ds y s t e md e s i g nt e c h n o l o g y t h es o p ch a si n t e g r a t e ds om a n yc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gm e m o r y ，f p g a ，as e r i e s o fp e r i p h e r a le q u i p m e n t sa n di pc o r e ，s om u c ha si pp r o c e s s o rc o r e t h ei s s u eo f t h em a n a g e m e n to ft h e s er e s o u r c e sa n at h e i rs h a f i n gw i l lb e c o m em o r eo fac o n c e r n o fd e s i g n e r a st h ei d e ao fh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sak e r n e lo f r t o sw i t ht h ea b i l i t yt oc o s c h e d u l eh w s wa n dd i s c u s s e si t sa r c h i t e c t u r ei n d e t a i lf o rr e c o n f i g u r a b l ee m b e d d e ds y s t e m s i tc a nh e l pt h ed e s i g n e r sb u i l dt h e i r s y s t e mp l a t f o r m t l l i sp a p e ra d d r e s s e sa l le f f i c i e n tr u n t i m ep a r t i t i o n i n gm o d e lf o r b l o c k p a r t i t i o n i n go ff p g aa n dd e s i g na n di m p l e m e n tp a r t i t i o n i n ga l g o r i t h m a tt h e s a m et i m ea p p l yi tt ot h er t o sw i t hh w s wc o s c h e d u l i n g t h ep a p e rd i s c u s s e s t h ei s s u e so ft h em a n a g e m e n to fr e c o n f i g u r a b l er e s o u r c e sa n dm e m o r y t h ep a p e r p u t sf o r w a r dt h em o d e lo fc o s c h e d u l i n gt h eh w s wt a s k s d i s c u s s e si s u s s e so f t a s ks t a t ea n dt a s kc o n t e x ts w i t c h a tl a s t ，t h i s p a p e rp r e s e n t s au n i f i e d c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo fh w s wt a s k st or e a l i z e c o n s i s t e n c y o f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh w s wt a s k s t h ep a p e rs h o w st h ei m p l e m e n to ft h em a i ns y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dp r e s e n t sa r e s e a r c hc a s et ov a l i d a t eo u ra p p r o a c h w ei n v e s t i g a t et h a tt h er t o sc a l ld e c r e a s e s n r ec o s t s ，i n c r e a s e ss p e e do ft a s kr u n n i n go v e r a l l ，f a c i l i t a t e si n t e g r a t i n gh a r d w a r e a n ds o f t w a r es e a m l e s s l y ，a n dh e l pt h ed e s i g n e r sb u i l dt h e i rs y s t e mp l a t f o r m a tl a s t ， t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew h o l es y s t e ma n df u r t h e rp r o s p e c ti t sa p p l i c a t i o n f o r e g r o u n da n df u t u r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ；s o p c ；c o - d e s i g n ；c o - s c h e d u l e ；r t o s i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：南拈瓷 日期：以衫了， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北太学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名：南豳乞7 7 导师签名： 签字日期：“。 签字日期： 。r ! ! 三坠兰璺主兰堡笙查 苎二主堕笙 第一章引言弟一早引i 本章从研究背景和意义方面讨论了我们提出的软硬件任务协同调度的实时 操作系统框架的必要性和可行性。介绍了当前嵌入式领域所面i 临的机遇和挑战， 也对国内嵌入式领域的发展现状进行了讨论。 1 1 研究背景 近年来嵌入式系统的应用越来越普及：其种类小至一个芯片，大到一台独立 的硬件设备，数量繁多。其应用领域从以工业控制为主发展至渗透到人们日常生 活的各个方面：电冰箱、洗衣机、空调、电视机、手机、数码相机，甚至电饭锅、 手表里面都有嵌入式的身影。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿 美元，1 9 9 7 年来自美国嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指 出，未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个 每年1 5 0 0 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特 出售的计算能力已超过了i b m ”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和 广度。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智 能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈 绪榜院士1 9 9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的 发展与技术一文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科 学的阐述和展望。因此，嵌入式系统不仅成为一种不处不在的数字系统，而且成 为后p c 时代的骄子。 正因为嵌入式系统有着如此广泛的应用，所以嵌入式系统的开发也逐渐普 及，但随之而来的问题也渐渐地尖锐起来。首先是国外的嵌入式开发系统价位较 高，对于一般的用户来说很难接受；其次，由于嵌入式开发的特殊性，即使购买 了相关的产品，也有拷贝数量以及授权序列号等等诸多限制。这样对产品开发， 尤其是嵌入式开发的教育工作十分不利，因此迫切地要求有我们国人自主开发的 嵌入式开发系统。同时嵌入式系统的设计和开发存在严重的不足，当前人们正在 寻找一种新的设计思想和方法满足当今各种嵌入式系统的设计尺度要求。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 研究意义 现在我们国家虽然正处在高速发展时期，但是也受到了不小的阻碍：如每年 都有的多起的贸易反倾销案以及对我们国家的贸易歧视等事件，无不说明了这样 的事实。例如微软的视窗操作系统在我国的价格甚至比美国本土的价格还要高得 多。同样的道理适用于嵌入式领域，由于我国在这个领域的涉足较晚，研究水平 有限，所以如果不有所行动的话，难免陷入类似于在操作系统领域的受制于人的 局面。 实时操作系统，比如v x w o r k s ，能够开发基于软件的实时系统。商业实时操作 系统可以大大缩短设计时间，但是他们都不能利用硬件执行他们的任何功能，因 为处理器和通用硬件加速器都局限于独立芯片。虽然对于有限的r i s c d s p 处理 器时足够的，但是这些纯粹的软件内核对于异构、动态可配置设计有使用的局限 性。基于实时可配置平台的设计利用先进技术来改善性能、成本、能源消耗和上 市时间。随着嵌入式设计技术的发展，软硬件协同设计受到越来越大的重视。在 p o l i s 中，划分工作后进行软件综合、硬件综合和接口综合。软件综合包括任务 综合和操作系统综合，在硬件综合中将硬件实现部分的系统描述转换成一种抽象 的硬件描述形式，接口综合在p o l l s 中自动完成，接口可以是硬件电路也可以是 软件。 目前c o d e s i g n 设计技术正在被广泛的研究，尤其是随着f p g a 的不断发展， 这种协同设计的方法越来越重要。协同设计改变了传统的设计反复修改系统方案 的缺点，通过综合分析系统软硬件功能，最大限度地挖掘系统软硬件之间的并发 性，将软硬件开发结合得更紧密，可以大大提高设计效率，使设计出来的系统工 作在最佳工作状态。为更好的支持协同设计的设计理念，更好的提高系统性能， 更好的节省开发成本，软硬件协同设计提供一个软件平台势在必行。根据用户需 求和系统性能要求，优化划分软硬件任务，确定软硬件执行方案，需要一个有操 作系统级别的支持。所以软硬件任务协同调度的实时操作系统是嵌入式系统设计 的需求，是复杂高性能应用的底层支持，是嵌入式系统开发的必然趋势，是嵌入 式系统设计自动化的保障。这会为我国嵌入式技术的发展提出新的机遇和挑战。 1 3 论文的组织 本文主要描述基于可编程片上系统的支持软硬任务协同调度的实时操作系 统框架的设计与实现。全文共分六部分。 第一部分介绍了本文的研究背景和课题研究意义。 第二部分对于嵌入式系统进行简单得概述，包括嵌入式系统的概念和特征。 2 查垩查茎翌主兰堡垄查 茎二主堕望 第三部分从背景、发展过程、内容、结构等几个方面阐述了嵌入式系统设计 技术。 第四部分从软件和硬件两个方面讨论了支持软硬件协同设计的系统平台。 第五部分详细阐述了本文提出的实时操作系统框架，从系统结构、资源管理、 任务调度级通信方面介绍了本文提出的算法和模型。 第六部分介绍了系统的测试及验证，给出了初步的试验结果。 一3 东北大学硕士学住论文 第二章嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统概述 嵌入式系统的应用的无处不在，已经成为当前的新的经济热点。本章从嵌入 式产品特性、嵌入式系统实现、嵌入式系统发展过程和发展趋势等方面进行了阐 述，为进一步讨论嵌入式系统设计技术奠定基础。 2 1 嵌入式系统综述 2 ，1 1 概述 近年来，嵌入式计算系统取得了进一步的成功。无处不在的嵌入式计算系统 已经渗透到我们工作、生活的各个方面，被广泛应用于各种设备当中，大到车、 船和卫星，4 , t l 家用电器，如消费电子产品( 移动电话、数码相机、掌上游戏机、 个人数字助理等) 、商用设备( 收银机、路边收费器、报警系统、读卡器、产品 扫描设备以及自动提款机等) 、办公自动化设各( 传真机、复印机、打印机、扫 摘仪等) 、汽车电子类( 传动控制、定速控制、燃料喷射、防锁死刹车器以及主动 式悬吊) 等。如下图2 1 所示： 图2 1 典型嵌入式产品 f i g 2 1t y p i c a le m b e d d e dp m d u e _ | 到目前为止，嵌入式系统没有一个统一的定义，但是可以通过和通用计算机 系统进行比较来解释这一概念。嵌入式计算机系统和通用型计算机系统相比具有 以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式处理器与通用型处理器最大 的不同是嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有功 的不同是嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有功 5 东北大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统概述 嵌入式系统的应用的无处不在，已经成为当前的新的经济热点。本章从嵌入 式产品特性、嵌入式系统实现、嵌入式系统发展过程和发展趋势等方面进行了阐 述，为进一步讨论嵌入式系统设计技术奠定基础。 2 1 嵌入式系统综述 2 1 1 概述 近年来，嵌入式计算系统取得了进一步的成功。无处不在的嵌入式计算系统 已经渗透到我们工作、生活的各个方面，被广泛应用于各种设备当中，大到车、 船和卫星，小到家用电器，如消费电子产品( 移动电话、数码相机、掌上游戏机、 个人数字助理等) 、商用设备( 收银机、路边收费器、报警系统、读卡器、产品 扫描设备以及自动提款机等) 、办公自动化设备( 传真机、复印机、打印机、扫 描仪等) 、汽车电子类( 传动控制、定速控制、燃料喷射、防锁死刹车器以及主动 式悬吊) 等。如下图2 1 所示： 圈2 1 典型嵌入式产品 f i g 2 1 聊i c a le m b e d d e dp m d u d 到目前为止，嵌入式系统没有一个统一的定义，但是可以通过和通用计算机 系统进行比较来解释这一概念。嵌入式计算机系统和通用型计算机系统相比具有 以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式处理器与通用型处理器最大 的不同是嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有功 5 东北大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集 成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，和 网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选 择更具有竞争力 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 总之，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪 的，适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统“。 嵌入式系统的结构由两大模块组成：硬件平台( 处理器、存储器、输入输 出( i o ) ) 和软件平台( 包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件) ，如图2 2 所 示。 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件平台 嵌入式实时系统的硬件平台通常以紧凑、专用性强的处理器为核心同时结合 少量的外围设备，具有应用相关性，多样性的特点。嵌入式处理器一般具有以下 四个特点： ( a ) 对实时多任务有很强的支持能力，并且有较短的中断响应时间，从而使 内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 ( b ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件已结构 化，为避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储保护功能， 同时也有利于软件的诊断。 ( c ) 可扩展的处理器结构，从而能更迅速地开发出满足应用而且高性能的嵌 入式微处理器。 ( d ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，特别是用于便携式的无线通信及移动设 备中，靠电池供电的嵌入式系统更是如此。 6 塑! 查兰壁主篁堡丝圭 苎三主堂垒堕墨堕塑苎 _ - _ - _ - 一一 软件平 硬件平 嵌入式应用软件 i i 嵌入式操作系统 j i j l 嵌入式处理器 存储器 圈2 2 嵌入式系统组成 f i g 2 2c o m p o s i n go fe m b e d d e ds y s t e m ( 2 ) 嵌入式系统的软件平台 嵌入式系统软件包含嵌入式应用程序和嵌入式操作系统。嵌入式操作系统介 于硬件和应用程序之间，负责调度并管理实时应用程序，并完成对硬件的控制和 操作。实时应用程序是基于嵌入式实时操作系统、利用操作系统提供的实时机制 完成的特定嵌入式系统具体功能的应用程序。 在以上几部分中，嵌入式实时操作系统是嵌入式实时系统的核心，是应用程 序开发和运行的平台，是嵌入式实时系统区别于其他通用计算机系统的集中体 现，也是推动嵌入式实时系统广泛应用的关键因素。 目前，依据操作系统的类型可以把嵌入式系统软件划分为两大类：实时系统 和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。 实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。 其最大的特征就是程序的执行具有确定性。 如果一个系统因未能在指定时间内对某一事件作出响应而导致失败，而该失 败被认为是一种全面的系统失败，即系统设计者认为其不可接受，则该系统是一 个硬实时系统。一个硬实时系统必须能始终满足其任何时限要求。这个要求缘于 这样一个事实：系统的正确性是同其响应时限紧密相关的。 在一个软实时系统中，响应时限虽然重要但不是关键的。可接受的超时限程 度是由设计规定的。一个软实时系统可以容忍在每5 个时限中超时一次；另一个 软实时系统则可能容忍在每5 0 个时限中只能超时一次。软实时系统设计者也必 须考虑系统多少次超时限和延迟多少才是可接受的。例如，如果电视通常在1 2 0 秒内能响应频道切换请求，偶尔要1 1 0 秒，那么电视遥控( 一个典型的软实时系 统) 设计者可能认为其是可接受的。大多数的实时系统是软实时系统。例如多数 的控制家用电器( 如遥控板) 的实时系统都是软实时系统。硬实时系统通常都是很 7 东北大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 复杂的。 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同， 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有 哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场，即便在体系结构上存在着主 流。但各不相同的应用领域决定了不可能由少数公司、少数产品垄断全部市场。 因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业高新技术 公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是不断向前发展的，要求其 中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动 力。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产 品开发。 2 1 2 嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展， 则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、 电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的 热点。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁 衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用 对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯 片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同时还受用户订货量的制约。因 此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能是一般用户，行业用户或单一用户。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统 中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换， 所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的 应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统 中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时间。 一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套 复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 2 1 _ 3 嵌入式系统软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系 8 - 东北大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同，主要有以下几点： 软件要求固态化存储为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件 一般都固化在存储器芯片或嵌入式微控制器本身中，而不是存贮于磁盘等载体 中。 1 ) 软件代码要求高质量、高可靠性尽管半导体技术的发展使处理器速度不 断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是 宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高， 以减小程序二进制代码长度、提高执行速度。 2 ) 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求在多任务嵌入式系统中，对重要 性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关 键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只 能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。 3 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业化标准化道路的基础，嵌入 式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统本身不具备开发能力，即使 设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一 套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机 上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 4 ) 嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台( r t o s )通用计算机 具有完善的操作系统和应用程序接口，是计算机基本组成不可分离的一部 分，应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行，但一般不是 实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运 行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间， 保障软件质量。 5 ) 在嵌入式系统的软件开发过程中，采用c 语言将是最佳和最终的选择由于 汇编语言是一种非结构化的语言，对于大型的结构化程序设计已经不能完 全胜任了。这就要求我们采用更高级的c 语言去完成这一工作。 2 2 嵌入式系统的发展过程 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段。 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器 形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分 应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编 9 查! ! 查堂堑主兰堡堡兰 ： 堑三主塑垒苎墨竺塑垄 语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点 是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户 接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为 普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和 新兴的信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这 一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率 高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专 业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的 嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类 型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块 化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以 及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入 式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展 的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发 展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备 与i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 目前用得最多的还是1 6 位寻址空间的嵌入式操作系统，但是它们的局限性已 经日趋明显。这首先是因为很多嵌入式系统所具有的功能已经相当复杂( 例如当 前炒得很热的3 g 手机就包括了无线通信、访问互联网和处理多媒体等等功能；而 许多控制设备也正在走向多机协调、连网和遥控等) ，需要具备支持3 2 位地址空 间、虚拟存储管理和多进程等特点( 以前只见于大型操作系统) 的嵌入式操作系 统。另外，现在的嵌入式设备需要比以往更丰富的图形界面来操控它们的强大功 能，而昔日的主流产品p s o s 和v x w o r k s 等在这方面正越来越面临压力。 2 3 嵌入式系统的发展趋势 中国的单片机应用和嵌入式系统开发已走过了1 5 年的历程，随着市场对 超微型嵌入式应用技术和产品的要求不断增长一以及半导体技术和系统设计方法 的进步，嵌入式系统在目前的发展形势下，表现出以下几大趋势： 1 ) 可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是一种明显的走向。 2 ) 所集成的部件越来越多，从意义上讲只是单片集成电路，从功能上讲可 以说是万能机了。 f 0 一 东北大学硕士学位论文第二章嵌入式系统概述 3 ) 功耗越来越低，和模拟电路结合越来越多。 2 0 世纪9 0 年代初，电子产品的开发出现两个显著的特点：产品深度复杂化和 上市时限缩短。基于门级描述的电路级设计方法已经赶不上新形势的发展需要， 于是基于系统级的设计方法开始进入人们的视野。随着半导体工艺技术的发展， 特别是超深亚微米( v d s m ， 0 2 5um ) 工艺技术的成熟，使得在一块硅芯片上集成 不同功能模块( 成为系统集成芯片) 成为可能。这种将各种功能模块集成于一块 芯片上的完整系统，就是片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 s o c 是集成电路发展 的必然趋势。s o p c 技术为系统芯片设计提供了一种更为方便、灵活和可靠的实 现方式。在介绍系统级芯片设计技术的发展由来后，重点介绍s o p c 设计系统芯 片中的软硬件协同设计方法，并指出它比s o c 实现方式所具有的优势。 查! ! 查堂塑圭堂堡堕查 堑三主堂垒苎墨竺丝盐垫查 第三章嵌入式系统设计技术 通过对嵌入式系统的讨论，对嵌入式系统及其行业特点有了比较全面地了 解。本章讨论的重点是怎样设计出更好的嵌入式产品。本章介绍了嵌入式设计技 术的发展情况，同时对传统的嵌入式设计思想和软硬件协同设计的思想进行了详 细的对比。协同设计可以更大限度的挖掘系统软件和硬件之间的并发性，是软硬 件结合更紧密。协同设计和平台设计可以充分利用现有的软硬件资源，缩短了系 统开发周期、降低了设计成本。 3 1 嵌入式系统设计技术综述 传统的先硬件后软件嵌入式系统的系统设计模式需要反复修改、反复试验， 整个设计过程在很大程度上依赖于设计者的经验，设计周期长、开发成本高，在 反复修改过程中，常常会在某些方面背离原始设计的要求。 软硬件协同设计是为解决上述问题而提出的一种全新的系统设计思想。他依 据系统目标要求，通过综合分析系统软硬件功能及现有资源，最大限度地挖掘系 统软硬件之间的并发性，协同设计软硬件体系结构，以便系统能工作在最佳工作 状态。这种设计方法，可以充分利用现有的软硬件资源，缩短系统开发周期、降 低开发成本、提高系统性能，避免由于独立设计软硬件体系结构而带来的弊端。 嵌入式系统共同的特点：功能单一，具有很多的约束条件( 执行时间，功率， 成本，体积等) ，实时性。嵌入式系统设计的挑战优化设计尺度。嵌入式系 统设计就是要设计出满足用户要求的产品，其中最困难的就是合理的优化设计的 尺度。嵌入式系统设计中常用的设计尺度有： 1 ) 单价：嵌入式产品的成本，这里不包括n r e 成本。 2 ) n r e 成本( n o n r e c u r r i n ge n g i n e e r i n gc o s t ) ：即是设计成本，设计阶 段的金钱的花费。 3 ) 尺寸：嵌入式产品实际的物理空间的大小，通常用字节描述软件的大小， 用门电路描述描述硬件的的大小。 4 ) 性能：系统的执行时间。 5 ) 功率：系统所消耗的能量，通常决定了电池的使用时间及冷却系统的设 计。 6 ) 适应性：当改变系统功能的时候而不会增加大量的n r e 成本，嵌入式中 软件的适应性是非常好的。 13 东北大学硕士学位论文 第三章嵌入式系统设计技术 7 ) 上市时间：系统从设计到生产到卖到用户手中的时间。 8 ) 原型的时间：系统的原型，它可能比最终产品要大或者是成本比较高， 但是它对于测试及改进系统是非常重要的。 9 ) 正确性：能够正确的实现系统的功能，不出现错误。 l o ) 安全性：系统不会造成可能的破坏。以及其他的设计尺度。 嵌入式设计尺度之间通常是相互竞争的关系，改善某一个方面，就会导致另 一个方面的下降。 嵌入式系统中三种关键技术：处理器技术，i c 技术，设计技术。处理器技术 主要是指处理器的体系结构( 例如指令流水等) 。处理器主要分为三种：单用途 处理器( d s p ，c c d 等，快速，低功率，尺寸小) ，通用处理器( a r m ，p o w e r p c 等， 上市时间短，n r e 成本低，适应性好) ，自定义处理器( n r e 成本高，上市时间长， 适应性差) ；i c 技术主要是指门级电路的制造技术；设计技术是如何利用各种芯 片设计出符合用户要求的产品。以前做嵌入式系统设计的时候，软件人员和硬件 人员几乎是完全分开的设计一开始的时候便决定了系统哪些部分由软件完成，哪 些部分由硬件完成。当设计出来的产品不符合要求的时候只有从头再来，设计效 率非常的低下。近些年，随着设计技术的不断发展，软硬件联合设计产生了，它 要求系统在设计的时候首先进行总体分析，然后统一用一种语言描述( 一般是c 语言) 至于哪些部分用软件和硬件先不考虑。接下来对一种比较合理的软硬件划 分进行模拟，如果不符合要求再重新划分再模拟，直到一个合适的划分。一个比 较成熟的设计方法：p o l i s 。 嵌入式系统设计的平台设计是建立在软硬件联合设计的基础上。我们相信下 一代嵌入式系统的设计能够为设计者提供一个平台，这个平台能够帮助设计置在 设计阶段就能够评估，模拟和编写程序，并且这个平台能够满足各种设计尺度的 限制。 复用是加快设计和减少设计成本的一种非常重要的手段。抽象的程度越高， 可复用的成分就越多。复用的最终目的就是要建立一个功能函数的库，包括软件 和硬件的实现，能够使用该库来进行新的设计。平台设计的方法描述如图3 1 ： 1 4 东北大学硕士学位论文 第三章嵌入式系统设计技术 图3 1 平台设计流程 f i g 3 1t h ef l o wo f p l a t f o r md e s i g n 平台包括硬件平台和软件平台，由这两个平台共同组成了系统平台。一个体 系的宏结构，这样的宏结构能够使软件具有复用性，我们称之为硬件平台。同样， 使应用程序具有复用性的，向用户屏蔽硬件平台的软件部分，我们称之为软件平 台。硬件平台的设计就是要权衡下面两个方面：1 宏结构所支持的应用程序空 间的大小，这个反应了硬件平台的适应性；2 满足各种设计尺度的宏结构空间 的的大小，这个反应了设计硬件平台实例的自由性。软件平台向上层屏蔽了硬件 的部分。软件平台由操作系统，i o 系统和网络部分组成。系统平台，总体上说 就是在设计的时候需要了解应用程序空间，然后找到一个支持这个空间的宏结 构。 3 2 协同设计与传统设计方法的比较 嵌入式系统是由若干个功能模块组成的，这些功能模块按照其性质可以分为 软件模块和硬件模块两类。在过去几十年内，系统的设计方法经历了很大的变化， 有自上向下的设计方法，也有模块化设计方法，他们总体上都是硬件模块优先的 设计方法，将其统称为传统的设计方法。其基本思路如图3 2 所示。 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章嵌入式系统设计技术 图3 2 传统设计方法流程 f i g 3 2t h ef l o wo f t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d 这种设计方法将硬件和软件分为两个独立的部分。在整个设计过程中，通常 采用“硬件优先的原则”，即在粗略估计软件任务需求的情况下，首先进行硬件 设计，然后在此硬件设计平台上进行软件设计。由于在硬件设计过程中缺乏对软 件构架和实现机制的清晰了解，硬件设计工作带有一定的盲目性。他的系统优化 由于设计空间的限制，只能改善硬件软件各自的性能，不可能对系统做出较好 的综合优化，得到的最终设计结果很难充分利用硬软件资源，难以适应现代复杂 的、大规模的系统设计任务。 图3 , 3 软硬件协同设计流程 f i g 3 3t h ef l o wo f h w s wc o d e s i g n 而嵌入式系统软硬件协同设计是让软件设计和硬件设计作为一个整体并行 设计，找到软硬件的最佳结合点，从而使系统高效工作。协同设计的基本思路如 图3 3 所示。 】6 东北大学硕士学位论文 第三章嵌入式系统设计技术 从图3 3 可以看出，软硬件协同设计最主要的一个优点就是在设计过程中， 硬件和软件设计是相互作用的，这种相互作用发生在设计过程的各个阶段和各个 层次。 设计过程充分体现了软硬件的协同性。在软硬件功能分配时就考虑到了现有 的软硬件资源，在软硬件功能的设计和仿真评价过程中，软件和硬件是互相支持 的。这就使得软硬件功能模块能够在设计开发的早期互相结合，从而及早发现问 题及早解决，避免了( 至少可以减少) 在设计开发后期反复修改系统以及由此带 来的一系列问题，而且有利于挖掘系统潜能、缩小产品的体积、降低系统成本、 提高系统整体性能。 3 3 软硬件协同设计 3 3 1 软硬件协同设计的背景 系统级芯片设计是微电子设计领域的一场革命，它主要有3 个关键的支撑技 术： 1 ) 软、硬件的协同设计技术。主要是面向不同目标系统的软件和硬件的功 能划分理论( f u n c t i o n a lp a r t i t i o nt h e o r y ) 和设计空间搜索技术。 2 ) i p 模块复用技术。i p 是指那些集成度较高并具有完整功能的单元模块， 如m p u 、d s p 、d r a m 、f l a s h 等模块。i p 模块的再利用，除了可以缩短芯 片的设计时间外，还能大大降低设计和制造的成本，提高可靠性。i p 可 分为硬i p 和软i p 。s o p c 中使用的i p 多数是软i p 。软i p 可重定制、剪 裁和升级，为优化资源和提高性能提供了很大的灵活性。 3 ) 模块以及模块界面问的综合分析和验证技术。综合分析和验证是难点， 要为硬件和软件的协同描述、验证和综合提供一个自动化的集成开发环 境。 过去，最常用的设计方法是层次式设计，把设计分为3 个域：行为域描述系 统的功能；结构域描述系统的逻辑组成；物理域描述具体实现的几何特性和物理 特性。采用自顶向下的层次式设计方法要完成系统级、功能级、寄存器传输级、 门级、电路级、版图级( 物理级) 的设计，经历系统描述、功能设计、逻辑设计、 电路设计、物理设计、设计验证和芯片制造的流程，是一个每次都从头开始的设 计过程。传统的i c 设计方法是先设计硬件，再根据算法设计软件。在深亚微米 设计中，硬件的费用是非常大的。当设计完成后，发现错误进行更改时，要花费 大量的人力、物力和时间，且设计周期变长。 现在，芯片的设计是建立在i p 复用的基础之上的，利用已有的芯核进行设 1 7 东北大学硕士学位论文 第三章嵌入式系统设计技术 计重用，完成目标系统的整体设计以及系统功能的仿真和验证。一般采用从系统 行为级开始的自顶向下设计方法，把处理机制、模型算法、软件、芯片结构、电 路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。同i c 组 成的系统相比，由于采用了软硬件协同设计的方法，能够综合并全盘考虑整个系 统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。既缩短 开发周期，又有更好的设计效果，同时还能满足苛刻的设计限制。 3 3 2 软硬件协同设计的发展过程 嵌入式系统设计早期，主要有两种方式：一是针对一个特定的硬件进行软件 开发；二是根据一个已有的软件实现其具体的硬件结构。前者是一个软件开发问 题；后者是一个软件固化的问题。早期的这种设计没有统一的软硬件协同表示方 法；没有设计空间搜索，从而不能自动地进行不同的软硬件划分，并对不同的划 分进行评估；不能从系统级进行验证，不容易发现软硬件边界的兼容问题；上市 周期较长。因此，早期的设计存在各种缺陷和不足。使用软硬件协同设计后，从 系统功能描述开始，将软硬件完成的功能作全盘考虑并均衡，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，最终找到较理想的目标 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。 在设计实现时，始终保持软件和硬件设计的并行进行，并提供互相通信的支持。 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。以f p g a 为基础的s o p c 的软硬件协同设计，为芯片设计实现提供了更为广阔自由的空间。 3 3 3 软硬件协同设计涉及的内容 目