基于Web的ASIP集成开发环境(doc 72页).doc

武汉纺织大学武汉纺织大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于基于 Web 的的 ASIP 集成集成设计环设计环境研究境研究 作者姓名 作者姓名 上上 官官 松松 指指导导教教师师 朱朱 勇勇 学科学科门类门类 工工 学学 专专 业业 物理物理电电子学子学 研究方向 研究方向 嵌入式系嵌入式系统统及及应应用用 完成日期 完成日期 二零一三年四月二零一三年四月 Wuhan Textile University M E Dissertation Research for Integrated Development Environment of ASIP based on Web By Directed by Professor March 2013 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 武武汉纺织汉纺织大学大学 有关保留 使用学位论文的规定 特授权 武武汉纺织汉纺织大大 学学 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 并采用影印 缩印或扫描等复制手 段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 论文题目 基于 Web 的 ASIP 集成设计环境研究 专业 物理电子学 硕士生 上官松 指导老师 朱勇 摘要摘要 专用指令集处理器 ASIP application Specific instruction processor 设计 是多年来嵌入式系统研究的热点 融合了许多先进微处理器设计方法和技术 并可以 在满足功能的同时缩短嵌入式微处理的研发时间 当前 ASIP 设计研究进展诸如 ASIP 的设计方法方法很多 从理论研究到实际系统设计方法 对通用的 ASIP 设计开发平台 的设计尝试 如基于 Petri 网的 ASIP 系统设计 基于 UML XML 的 ASIP 系统级设计 基于 GEF 框架的 ASIP 集成开发环境 并通过实例对这些方法进行有效性和正确性的 尝试 本文讨论了 ASIP 的研究情况 ASIP 开发工具研究现状 在原有研究的基础上 对 ASIP 的集成开发环境的设计进行了新的尝试 提出了基于 Web 的 ThinkPHP 框架的集成 设计环境的设计方法 采用 web 应用程序作为集成开发设计环境 方便开发者撇开传 统应用程序 通过移动设备方便地登录 并对开源系统进行在线设计 采 ThinkPHP 作 为框架结构 采用第三方 JS 库实现功能主界面 在目标板 linux 系统下部署数据库 存储硬件逻辑模块 I O IP 核及芯片资料 采用第三方 JS 库实现数据库绑定及 CURD 操作 编辑总线 硬件模块的对象属性 包括模块 I O 和芯片 PIN 的编辑 同时 采 用第三方 JS 库表现模块及总线连接 包括模块的空间集成特性和状态机的时间状态表 现特性 详细讲解了开源的硬件底层和操作系统及网络 IE 功能实现 简单地描述了 ADL 模型转换 代码映射 ADL 与 EDA 接口可执行流程 通过设计基于 Altera CycloneIV 的 FPGA 小系统版 调用开源 openrisc 软核的开发板移植 ubantu 系统 实 现以太网功能 先在 Windows 系统开发 ASIP 集成开发环境 然后在 linux 系统部署 web 应用程序来测试设计的有效性 关键词 关键词 ASIP ThinkPHP 第三方 JS 库 openrisc 研究类型 研究类型 应用研究 Subject Research for Integrated Development Environment of ASIP based on Web Specialty Computer Application Technology Name Instructor ABSTRACT Specific instruction set processor ASIP application Specific instruction processor design of embedded systems over the years a hot research incorporates many advanced microprocessor design methods and techniques and can shorten the embedded microprocessor at the same time meet the functional development time The current the ASIP design research progress such as ASIP design method are many from theoretical research to practical system design methods design of ASIP design and development platform for generic try Such as the ASIP system design based on Petri nets UML XML based the ASIP system level design integrated development environment based on the the GEF framework of ASIP and through the example of these methods the validity and accuracy of the attempt This thesis a detailed discussion of some of ASIP design methodology as well as the latest research developments and its concrete realization of the the ASIP system level design methods appropriate improvements proposed design method based on the integrated design environment of the of the Web ThinkPHP framework web application as integrated development design environment facilitate the development of the traditional applications aside through mobile devices easily log online design and open source systems The mining ThinkPHP as a frame structure the use of third party JS library function main interface database storage hardware logic module I O IP core and chip data set in the open source database end the use of third party JS library database binding and CURD operation the edit bus hardware module object properties including the module I O and chip PIN editing using third party JS library performance modules and bus connections including the integrated nature of space and time state of the state machine module performance characteristics Explain in detail the open source hardware function of the underlying operating system and network IE simply described the ADL model transformation code mapping ADL and EDA interface executable process Through open source openrisc development board transplant ubantu system Ethernet functionality layout of the web application environment to test the effectiveness of the design of the system Key words ASIP ThinkPHP MiniUI OpenRisc Thesis Applied Research 目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 选题背景 1 1 2 ASIP 研究意义 1 1 3 国内外研究现状及发展趋势 3 1 4 研究目标及主要研究内容 3 1 5 论文组织 4 2 2 设计方法研究设计方法研究 5 5 2 1 嵌入式系统设计方法学 5 2 2 ASIP 设计方法学 7 2 2 1 传统的 ASIP 设计方法 7 2 2 2 ASIP 行为级设计方法 8 2 2 3 ASIP 系统级设计方法 9 2 3 基于 Web 的 ASIP 系统级设计方法 9 2 4 本章小结 11 3 3 系统方案分析与设计系统方案分析与设计 1212 3 1 web 访问功能实现的系统分析 12 3 1 1 需求分析 12 3 1 2 技术可行性分析 12 3 2 以太网硬件方案 13 3 3 以太网 MAC 控制器 13 3 4 本章小节 14 4 4 开发环境开发环境 1515 4 1 ThinkPHP 框架 15 4 2 第三方控件 MiniUI 19 4 3 本章小结 21 5 5 系统设计关键技术系统设计关键技术 2222 5 1 第三方 JS 库 22 5 2 ASIP 建模 22 5 2 1 ASIP 的 UML 建模 22 5 2 2 ASIP 的 模型存储 25 5 2 3 HDL 底层描述 27 5 3 模拟仿真 29 5 3 BSP 网络驱动及硬件实现 29 5 3 1 以太网 MII 接口 29 5 3 2 以太网控制器内部结构 31 5 3 3 嵌入式 linux 介绍 39 5 3 4 liunx 配置和启动 40 5 3 5 集成以太网控制器 42 5 5 MVC 设计模式 44 5 6 本章小结 46 6 6 ASIPASIP 集成设计环境的软件实现集成设计环境的软件实现 4747 6 1 界面功能实现 47 目录 I 6 2 ASIP 的 UML 模型实现 50 6 3 ASIP 模型存储的实现 51 6 4 模型数据加载 52 6 5 ASIP ADL 模型映射的实现 54 6 6 框架及功能集成 56 6 7 本章小结 59 7 7 结论结论 6060 7 1 本文工作总结 60 7 2 未来展望 60 致致 谢谢 6262 参考文献参考文献 6363 附录附录 6565 绪论 0 1 绪论 1 1 选题背景 嵌入式系统 Embedded system 是一种 完全嵌入受控器件内部 为特定应用 而设计的专用计算机系统 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 软 硬件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计 算机系统 ASIP Application Specific Instruction Set Processor 专用指令集 处理器 是一种新型的具有处理器结构的芯片 它为某个或某一类型应用而专门设计 通过权衡速度 功耗 成本 灵活性等多个方面的设计约束 设计者可以定制 ASIP 达 到最好的平衡点 从而适应嵌入式系统的需要 嵌入式系统通常可以分为硬件和软件两大部分 其中硬件部分以嵌入式处理器为 中心 配置存储器 I O 设备 通讯模块等必要的外围硬件 软件部分包括设备驱动 操作系统和应用程序等 随着开发对象复杂度的提高 系统的设计须由一个团队来分 工合作完成 开发形式为软硬件协同设计方式 使用 C C ADL 等高级程序语言 随着嵌入式应用的飞速发展 作为软硬件高度结合的嵌入式系统硬件环境之间差异逐 渐增大 当前以交叉开发方式为主 并过多的依赖于硬件平台和本地开发工具 再加 上软件的开发与硬件环境的构造的影响 导致定位存在错误 不能及时完成软件功能 调试和性能测试 软件质量低 开发进度慢 嵌入式系统的开发效率在很大程度上受 到开发工具的集成度和可用性的影响 促使了嵌入式系统开发工具的市场需求 同时 立足于云计算的设计思路 方便开发者在浏览器端便可以轻松开发 调试和部署网络 应用程这种思想也在兴起 1 2 ASIP 研究意义 随着嵌入式技术的发展以及芯片制作工艺技术的进步 在单个芯片上可以集成越 来越多的晶体管 片上系统 SoC System on Chip 设计成为芯片设计的一个重要研究 领域 在整个 SoC 设计中 专用指令集处理器 ASIP Application Specific Instruction Set Processor 1 则是一个重要模块 它是一种新型的具有处理器结 构的芯片 具有可订制特性 它为某个或某一类型应用而专门设计 能够更高效的解 决嵌入式系统设计中的实际问题 如图1 1 ASIP 能在 SoC 系统中作为控制核或某些功 能模块 绪论 1 近年来 ASIP 已渗透到计算机应用的更广泛的领域 许多公司都推出了 ASIP 处理 器产品 这些产品的特点都是在高可配置的处理器核基础上 能针对特定应用进行优 化 同时提供完备的开发工具的支持 如可重定向编译器 功能单元自动产生器等加 速开发过程 设计者根据系统设计的速度 功耗 成本 灵活性等多个方面的设计约束 可以 定制 ASIP 达到最好的平衡点 从而适应嵌入式系统的需要 也正是由于自身设计采用 专门定制的方法 使其具有多方面权衡和可调整能力 与专用集成电路 ASIC 和通用处 理器 GPP 相比 ASIP 提供了 ASIC 所无法具有的灵活性和比 GPP 更好的性价比 ASIP 处理器 2 的最主要的优点是面向某一个具体的应用 能够实现最优的系统平 衡 性能 功耗 成本等 灵活性主要体现在根据应用特征 能够对基准的处理器 进行适当的定制 去除某些无关的处理逻辑 并增加能有明显提高应用性能的特殊功 能单元 SFU 最大限度的利用有限的硬件资源 ASIP 的这些优点使其具有良好的发展前景 被广泛应用于嵌入式系统中 它很好 地解决了通用处理器 GPP 在嵌入式系统中性能不高和功耗过大的问题 以及 ASIC 灵活 性差 开发难度高的缺点 随着嵌入式系统应用领域的不断扩大 ASIP 的这一技术特 点使得其越来越受到嵌入式系统设计人员的青睐 也成为了目前学术界的研究热点 但设计人员在系统定制 ASIP 处理器 4 时往往受到芯片面积 上市时间 TTM 和 功耗等非功能性的约束 我们必须要找到一款合适的处理器体系结构 所以在设计的 初期要针对特定应用进行设计空间搜索 1 27 45 46 DSE 利用 ADL 对目标结构进 行描述并用硬件描述语言 HDL 来进行硬件实现 传统设计方法中 以上工作需要手 工完成 而且直接使用 HDL 语言来进行硬件设计相当困难 导致设计周期漫长 这里 作者探讨了一种基于 ADL 体系结构描述语言的系统级设计方法 对处理器指令集和微 构架在系统级进行建模 并在此基础上研究系统级的综合 由 ADL 描述通过相应机制 映射成 RTL 级的 HDL 描述 加快处理器的设计速度 ASIP 介于 GPP 通用处理器和 ASIC 专用集成电路之间 解决了通用处理器在嵌入式 系统中性能不高和功耗过大的问题 以及 ASIC 灵活性差 开发难度高的缺点 随着嵌 入式系统应用领域的不断扩大 ASIP 的这一技术特点使得其越来越受到嵌入式系统设 计人员的青睐 在目前也成为了学术界的研究热点 因为 ASIP 结合了通用处理器 GPP 和专用集成电路 ASIC 的优点而受到了越来越多的研究设计人员及芯片厂商的关注 但 目前还缺少通用性强和易掌握应用的 ASIP 设计开发平台 因此 本文提出的基于 Web 的 ASIP 系统级设计方法 是实现 ASIP 设计开发平台的一种新的尝试 绪论 2 1 3 国内外研究现状及发展趋势 随着对 ASIP 研究的逐步深入与应用的推广 ASIP 系统设计方法也经历了相应的 变化 从传统的设计方法 到基于 IP 模块的系统设计 再到基于软硬件协同的设计以 及基于平台的设计方法 从大的方面来说 ASIP 处理器设计 44 主要需要解决两个关键 问题 一是如何面向具体的应用生成最优的系统体系结构 二是为定制的 ASIP 系统结 构快速生成目标工具链 并且充分验证工具链的正确性 在应用需求迅速发展的趋势 下 对产品上市时间的要求越来越高 传统的设计方法在系统规范阶段 硬件 软件设 计阶段和整合测试阶段暴露出了软硬件的开发过程割裂 设计自动化层次低 周期长 缺乏对设计重用的支持等问题 设计重用是基于 IP 模块设计的最大优势 但随着 IP 模块的越来越多 也带来了 IP 模块功能 接口 电气特性等复杂 难于理解等缺点 软硬件协同的设计方法则存在一个软硬件划分的传统难题 基于平台的设计方法 目 前只提出了一种理论上的概念框架 并没有完整的设计环境和支撑工具的支持 且难 于建立相对稳定又有充分灵活性的设计框架 在嵌入式应用领域 应用的需求多种多样 并且变化频繁 应用即使做一次小规 模的改动 ASIP 处理器的设计流程也需要重新进行 其中很大一部分的工作需要系统 设计人员手工完成 大大增加了系统开发时间 在 ASIP 处理器设计上 如何快速有效 的提供面向应用领域的系统解决方案是亟待解决的问题 也是几年来学术界研究的热 点和难点问题 此外 目前的ASIP设计方法缺乏对具体应用领域计算特征的系统分析 另一方面 针对ASIP系统设计的相关研究工作多对某个特定的问题展开 虽然也存在一些设计环 境 但总体而言没有从整体系统的层面提供易用 快速和可评估的设计方法和环境 目前 已经有团队在研究ASIP设计软件IDE 作为ASIP嵌入专用指令集式处理器的基本 软件开发工具 设计目标是所有软件开发编辑任务都能在ASIP IDE下完成 编译和调 试程序在底层可综合SystemC的开发平台实现系统级综合 完成ADL描述到RTL级HDL描 述的自动转换 1 4 研究目标及主要研究内容 本文在全面系统的分析了嵌入式系统设计和 ASIP 设计方法学 4 的基础之上 提出 了基于 Web 的系统级的设计方法 通过第三方 JS 库平台下的图形化编辑框架 MiniUI 和基于第三方框架对 ASIP 中的一些功能部件进行建模 由此生成元模型 再通过 XML 来存储模型的数据表格 通过修改模型属性和 XML 参数可配置相应的部件模型和体系 绪论 3 结构的设计 达到 ASIP 设计中要根据具体需求定制的目标 给出新的设计思想 设计 基于嵌入式和移动设备访问的开源 ASIP 设计 发挥开源设计的优势 本文的主要任务 集中在采用功能主界面的实现 对象图形 网络 IE BSP 网络驱动技术实现 IE 访问 ASIP 的 UML 建模 实现基于 web 的 ASIP 集成设计环境 最后 再以 OpenRisc1200 可 裁剪的核心和 wishbone 总线及各种模块集成平台来验证我们的设计 并通过 openrisc 的以太网接口来实现对 openrisc 的访问 1 5 论文组织 本论文共分六章 各章的组织如下 第一章 绪论 首先介绍了该课题研究背景 包括 ASIP 在嵌入式领域中应用的意 义和和当前形势 主要讲了 ASIP 集成设计环境的形势 然后讲述了本文的创新设计和 研究目的 第二章 讲解了 ASIP 设计方法 对嵌入式系统设计方法学进行简单全面的介绍 重点阐述基于 web 的 ASIP 设计方法 第三章 对基于 web 的 ASIP 设计方法进行了需求分析和系统分析 第四章 介绍了基于 web 的 ASIP 集成开发环境的开发工具 第五章 讲述了系统的设计的几个关键技术的研究 包括 ASIP 建模 BSP 网络驱 动等 简述了基于 web 的 ASIP 集成设计环境的实现过程 2 设计方法研究 4 2 设计方法研究设计方法研究 设计方法学是研究产品设计规律 设计程序及设计中思维和工作方法的一门综合 性学科 设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法 手段的战术 问题 在总结设计规律 启发创造性的基础上促进研究现代设计理论 科学方法 先 进手段和工具在设计中的综合运用 设计方法学是研究产品设计规律 设计程序 设计中思维和方法的一门综合性学 科 设计方法学的关键是针对设计条件的约束 寻找最佳的解决方案 鼓励创新意识 和协同思维 便于处理设想 达成最佳方案 其中最关键的考量是迎合用户需求和设 想 而且设计方法学中也运用一些基本的研究方法 例如分析和测试 设计方法学的 发展路线 可行性设计 最优化设计 系统设计 本节将论述一些传统的设计方法 本文为则提出基于 Web 的 ASIP 系统级设计方法 2 1 嵌入式系统设计方法学 目前 实现嵌入式系统的硬件方法主要有 定制逻辑 ASIC 现场可编程门阵 列 FPGA 和嵌入式微处理器三种 在实际系统实施中 绝大多数系统是采用嵌入式 微处理器方式 如单片机 单板机或嵌入式微处理器芯片等 这是因为用微处理器实 现嵌入式系统是一种十分有效的方法 它使得在不同价位上设计不同特性的产品系列 成为可能 并且能够扩充新特性以满足飞速发展变化的市场需求 嵌入式系统设计方 法的演化总的来说是由应用需求牵引和 IT 技术推动 如微电子技术和半导体技术不断 创新和发展 大规模集成电路集成度和工艺水平不断提高 计算机硬件平台性能也随 之大幅提高 使很多复杂算法和操作简单的界面得以实现 高性能 EDA 综合开发工具 不断智能化 给极其复杂嵌入式系统的设计提供了布线 编译 模拟 综合和验证等 一体化便于学习和使用集成开发环境 9 HDL 的发展可以对各种复杂的电子系统硬件 建立模型 其描述能力和抽象能力相当强 给硬件电路特别是定制大规模集成电路设 计带来了重大变革 软件技术进步 特别是嵌入式实时操作系统 EOS Embedded Operation System 推出 为开发复杂嵌入式系统应用软件提供了底层支持和高效率 开发平台 形成了嵌入式系统的基本结构 面向对象的嵌入式系统建模同任何软件密 集型系统建模一样 从系统中的类建模开始 为了解类的结构 首先对系统工作过程 作一个总体陈述 无论是采用问题空间词汇抽象方法还是采用用例 use case 驱动 建模方法 目标都是找到系统以类或对象作为构造块的类图 如果采用用例驱动的系 统分析方法 该内容也可以用用例视图加以模型规格说明 然后使其作为系统白盒测 2 设计方法研究 5 试依据 由于使用用例视图做的规格说明篇幅比较大 当系统的分析与设计采用面向 对象方法时 并不意味着所使用的编程语言也一定是面向对象的 事实上 这种分析 设计方法的具体实现可以使用任何编程语言 如汇编语言或 C 语言 但是 在程序 设计上要尽可能地使用面向对象的思想 如体现程序结构方面的封装性 消息传递等 这种才会使程序结构清晰 便于应付随着需求变化而产生的不断更新和系统维护 目前嵌入式系统设计方法学有 1 基于 IP 复用的设计方法学 把经过验证的 IC 电路以模块即 IP 核以模块形式加入系统设计中 IP 模块分为软 核 Soft Core 固核 Firm Core 和硬核 Hard Core 其中 软核以 HDL 的方式提交 其性能通过时序模拟进行验证 由于软核不依赖于 任何实现工艺或实现技术 具有很大的灵活性 使用者可以方便地将其映射到自己所使 用的工艺上去 可复用性很高 软核的另外一个重要的优点是使用者拥有全部源代码 使用者可以通过修改源代码 方便地生成同样功能且自有版权的新软核 从而避免向原 有软核作者支付版税 同时聪明的软核使用者还可以通过增加自己的知识和经验 产生 出远比原始软核广泛得多的新的软核 硬核以 IC 版图的形式提交 并经过实际工艺流 片验证 显然 硬核强列地依赖于某一个特定的实现工艺 而且在具体的物理尺寸 物理 形态及性能上具不可更改性 硬核已经过验证并具有最优的面积代价和性能的设计 使 用者不需考虑与上相关的优化问题 忧的是硬核与工艺的强相关性迫使使用也只能使 用核工艺完成电路其它部分的设计 而且要在布局布线遵守注意固核的物理限制 显然 固 核的特点决定了使用者进行电路设计时的灵活性很小 希望通过获得固核以生成其它固 核的可能基本上没有 即使有 受到加工工艺 经费和知识产权等方面的限制 也会失 去意义于软核和硬核之间的固核以电路网表的形式提交并通常采用硬件进行验证 硬 件验证的方式有很多种 比如可以采用可编程器件 如 FPGA EPLD 进行验证 采用硬件 仿真器进行验证等 固核往往对应于某一个特定的实现工艺 在该实现工艺的条件下固核具有最优的面 积和性能特性 对于使用者来说不需要对固核的功能给于过多地关注 可以减少许多相 关的设计工作 同时由于固核的时序特性是经过严格检验的 设计者只要保证在布局布 线过程中电路关键路径的分布参数不会引起时序混乱就可以保证芯片的设计成功 2 软硬件协同的设计方法学 面向 SoC 的软硬件协同设计理论应该是从一个给定的系统任务描述着手 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 系统功能要求的 符合实现代价约束的硬件和软件架构 EDA 工具必须提供能够设计和 验证这样的软硬件系统的开发工具 软硬件协同设计一般包括三个阶段 即协同规范 阶段 协同综合阶段 协同模拟与评估阶段 2 设计方法研究 6 3 基于平台的设计方法学 基于平台的方法可提供一种完全集成的通用架构 设计师能够利用这些共同特点 简单 快速地开发出 SoC 而且 通过采用事先设计和特性确定的组件而不是定制设计 的方法 有利于加速开发团队的设计流程 减少逐渐增加的上市时间压力 把它们应 用于多个 SoC 项目 重复使用现有的知识产权 IP 模块有利于减少开发成本 基于平台的设计过程主要包括模块生成 IP 模块重用 芯片集成和软件开发等部 分 将功能和实现分开 强调功能与结构的分享 平台的开发可以独立的进行 设计 平台可以分成自行设计平台 可定制平台 应用特定的平台和可配置平台 到目前为 止 只是提出了理论上的概念框架 并没有完整的设计环境和支持工具 基于平台的方法有利于 SoC 设计师满足日益增加的复杂性和市场细分的要求 凭 借基于平台的架构 设计师只要增加或更换一些 IP 组件 就能迅速开发出派生产品 此外 预先集成的架构有利于减少显著增加开发团队难度和导致项目失败风险的验证 不确定性 最后 通过在设计内选择第三方的模块 平台方法有利于设计团队将自己 的资源集中于其核心竞争力上 2 2 ASIP 设计方法学 2 2 1 传统的 ASIP 设计方法 ASIP 是由嵌入式系统的发展而出现的 起初它的设计方法主要也是嵌入式系统设 计中的软硬件协同设计方法 软硬件协同设计是指对系统中的软件部分和硬件部分使 用统一的描述和集成开发工具进行开发 在设计完之后可对整个系统的进行设计的验证 而且还能跨越软硬件界面进行系统设计中的一些优化 便于设计最佳的系统 传统的 嵌入式系统设计都是要先将嵌入式系统设计划分为相对独立的软件设计和硬件设计 即所谓的软硬件分开设计 这样的设计不仅在设计时软硬件设计的使用技术多而复杂 而且系统的设计差别较大 在时间上也会不同步 会选硬件设计滞后或软件设计带后 的情况 现在的一些综合技术可以将硬件和软件同等看待 在设计上和更高的抽象层 次上它们之间没有什么区别 如 VLSI ASIC PLD 等硬件可以 VHDL 或 SystemC 实现 而 且当今嵌入式系统设计的发展趋势是软硬件相互融合 渗透 硬件设计的软件化 如 VHDL Verilog 等 软件实现的硬件化 如各种实现特定应用算法的 ASIC 在给定功 能的硬件和软件选择只是在多种设计指标上进行折衷 如性能 功耗 大小 价格 灵活性等 至于用硬件实现 还是用软件实现没有太大差别 这些发展都对嵌入式系 统设计产生一些影响 虽然可以在设计时增加灵活性 但同时也给设计增加了风险 如今 软硬件协同设计的开发工具已经相当丰富 现总结如下 1 硬件设计 EDA 工具 系统级设计工具 cadence 的 SPW System View 2 设计方法研究 7 2 模拟电路系统仿真工具 Pspice EWB 3 PCB 设计工具 Protel PADS 的 Power PCB 这行代码的作用就是加载 ThinkPHP 框架的入口文件 ThinkPHP php 这是所有基于 ThinkPHP 开发应用的第一步 一般 Web 服务器的默认文件是 index php 所以我们可以不需要在 URL 地址中加 上 index php 运行后我们会看到欢迎页面 http localhost app 4 2 第三方控件 MiniUI MiniUI 是一种快速开发 Web 界面开发框架 它能缩短开发时间 减少代码量 使 开发者更专注于业务和服务端 轻松实现界面开发 带来绝佳的用户体验 4 开发环境 19 使用 MiniUI 开发者可以快速创建 Ajax 无刷新 B S 快速录入数据 CRUD Master Detail 菜单工具栏 弹出面板 布局导航 数据验证 分页表格 树 树形表格等典型 WEB 应用系统界面 常见的表单 布局 导航 列表等都可以通过 MiniUI 快速实现 MiniUI 工程文件结构 各目录如下 dbsql 示例数据库 sql 文件 demo 页面示例 docs api 文档 开发指南 scripts miniui MiniUI 产品的 javascript 和 css scripts miniui locale 语言资源文件 scripts miniui themes 多套皮肤样式 index html 开发包导航页面 miniui commercial license doc 授权说明文档 miniui tryform doc 试用申请表文档 安装部署 txt 安装部署说明文档 开发者只需要引用 jquery js miniui js miniui css 即可 标准页面模板 4 开发环境 20 Hello MiniUI 4 3 本章小结 本章主要针对开发 ASIP 集成开发环境所使用的开发软件及相关技术进行了介绍 在 ASIP 集成开发环境的实现中 用 MiniUI 实现开发环境界面设计和 ASIP 模型的对象 图形和数据的存储和访问 通过 ThinkPHP 框架整合系统功能 最后把存储的模型数据 通过 PHP 正则表达式映射成 HDL 代码 在 ASIP 集成开发环境的实现过程中我们采用了 ThinkPHP MiniUI 第三方控件的方式来实现集成开发环境的设计 PHP 正则表达式 ADL EDA 接口技术实现协同流程可执行规约是我们以后进一步研究所使用的技术 有待 更深一步的研究 5 系统设计关键技术 21 5 系统设计关键技术 5 1 第三方 JS 库 功能主界面采用第三方 js 库 实现如下功能 主题软件界面 功能主菜单 数据表格 实现 数据库绑定 及 CURD 和对象属性的编辑 完成模块 I O 芯片 PIN 的编辑 对象图形绘制也通过第三方 js 库技术 实现模块描述文件的数据库 读取和绘制 这些功能通过 ThinkPHP 框架进行集成 我们选用第三方 js 库 MiniUI Jquery 5 2 ASIP 建模 5 2 1 ASIP 的 UML 建模 Unified Modeling Language UML 又称统一建模语言或标准建模语言 是一个支持 模型化和软件系统开发的图形化语言 为软件开发的所有阶段提供模型化和可视化支持 包括由需求分析到规格 到构造和配置 UML 的语义是描述基于 UML 的精确元模型 定义 元模型为 UML 的所有元素在语法和语义上提供了简单 一致 通用的定义性说 明 使开发者能在语义上取得一致 消除了因人而异的最佳表达方法所造成的影响 此外 UML 还支持对元模型的扩展定义 31 UML 融合了 Booch OMT 和 OOSE 方法中的基本概念 而且这些基本概念与其 他面向对象技术中的基本概念大多相同 因而 UML 必然成为这些方法以及其他方法 的使用者乐于采用的一种简单一致的建模语言 其次 UML 不仅仅是上述方法的简单 汇合 而是在这些方法的基础上广泛征求意见 集众家之长 几经修改而完成的 UML 扩展了现有方法的应用范围 第三 UML 是标准的建模语言 而不是标准的开 发过程 尽管 UML 的应用必然以系统的开发过程为背景 但由于不同的组织和不同的 应用领域 需要采取不同的开发过程 在嵌入式计算机体系结构中 嵌入式硬件系统在系统底层 其上由硬件驱动和 SOC 片上系统及相应的应用软件 UML 的定义包括 UML 语义和 UML 表示法两个部 分 UML 的出现是为了以面向对象图的方式来描述不同应用领域的系统 而且能用于 系统开发过程中的不同阶段 从需求分析一直至系统设计完成后的验证和维护 虽经 常是用在建立软件系统的模型上 同样也可以用来描述硬件 而且把硬件中的部件映 5 系统设计关键技术 22 射到对象更为直观 UML 为对象的结构模型和行为模型定义了语义 可以描述对象的 行为和结构模型 31 其模型可包括类 接口 属性和关系 并且能为静态结构和动态 行为的系统建模 所以我们用 UML 为 ASIP 建模 UML 包括一些可以相互组合为图表的图形元素 由于 UML 是一种语言 所以 UML 具有组合这些元素的视图 UML 提供了这些视图用来展示一个系统 这组视图 叫模型 UML 图形分五类 9 种图形 用例图 类图和对象图 用来描述静态结构的图 状态图和活动图 用来描述行为的图 顺序图和协作图 构件图和部署图 用来 描述具体实现的图 作为一种可视化建模语言 UML 在 ASIP 系统级设计中的体系结构如下图 5 1 在 UML 的语法规约下 用 UML 中的元素 图形 对 ASIP 进行建模 可使用代码生 成技术生成可综合的硬件语言描述代码 图 5 1 UML 在系统级设计中的体系结构 在 UML 描述的 ASIP 系统级设计的体系结构中 把 UML 语言规范称为元元模型 UML 中的元素 如结点 组件和用例图称为元模型 把 UML 元素组合成的 ASIP 部 件模型称为模型 实例就是最后代码的硬件描述语言描述的 ASIP 模型 在为 ASIP 建模时 要把 PHP 作为 ASIP 模型开发的元语言 用 PHPL 来表现 ASIP 的体系结构模型 但我们元语言是 UML PHP 只是用来存储 ASIP 的数据模型 UML 中的所有语素是一个个框图 设计人员就是用这一个个框图描述整个系统的设计 设计师可以把 UML 各类视图映射为具体目标机程序语言 用于复杂实时嵌入式软硬件 从分析 设计 实现和测试的开发过程 下图 5 2 是基于 UMLL 系统级设计中所用到 的 UML 框图类型及使用目的 5 系统设计关键技术 23 图 5 2 ASIP 建模中使用的 UML 图 取其中的用例图 类图 状态图 构件图来为 ASIP 构建模型 用例图用来分析 ASIP 系统的应用需求 生成指令集 然后由体系结构建立类图和状态图 最后建立一 些构件图来描述 ASIP 系统 用例图建立于系统分析阶段 它从用户角度来分析一个 ASIP 各功能块 在开发过程中可用其验证系统的体系结构 对象图对系统静态设计进 行建模 它可反映某时刻系统中各模块及其之间的关系 类图反映系统各个模块的结 构 外部端口及其之间的关系 它与对象图的区别在于对象图展示的是类的实例而不 是类本身 状态图反映各个模块的动态行为 每个状态图实持上是对一个状态机进行 建模 在基于 UML 系统级设计流程中 使用了 UML 进行 ASIP 的建模 其中关键步骤包括 功能分析 功能描述 功能实现 功能分析 使用用用例图进行应用分析 建立总需求的用例图 并为每一个功能 模块 部件 建立用例图 如为指令集建立用例图 为 Micro Arch 微体系结构 建 立用例图 另外可用 profile 和 simulator 来验证指令 为指令集的定制作准备 功能描述 设计 对单独的功能部件 资源 建立静态结构图 类图 可称为 资源描述 对指令集建立顺序图和协作图 可称为指令描述 对微构架建立状态图和 活动图 可称为微构架描述 关系的建立 并判断是否异构 功能实现 使用结构 ADL HDL 对 ASIP 体系结构进行描述 如模型 连接和流水线 硬件上使用 UML 建立部署图和构件图 最后是验证和测试 其中描述和实现都要用到 验证 验证方法包括 仿真验证和形式化验证 为了能将 ASIP 的部件模型映射成使用指定的硬件描述语言如 verilog 描述的模型 首先采用 UML 描述 ASIP 静态模型 即基于 UML 的静态结构图 UML 作为一种建模 语言使设计师更加专注于建立系统的结构和模型 而不是关注选用何种程序语言和算 法如何实现 对于模型验证主要是对模型的结构 流水线结构 进行验证 例如可用 树遍历算法 由于时间关系和模型验证的复杂性 模型验证方法和技术研究在以后进 5 系统设计关键技术 24 一步研究实现 5 2 2 ASIP 的 模型存储 1 ASIP 体系结构 计算机体系结构通常包含指令集体系结构 23 24 Instruction Set Architecutre ISA 和微体系结构层 Micro architecture ISA 是指实际可执行的指 令系统 指令集体系结构主要是针对指令类型 编码 寻址方式和数据类型等进行设 计 微体系结构层 Micro architecture 是更加关注系统具体的实现 如指令集体系 结构的属性和许多透明的具体实现细节 如内存控制器 Cache 流水线等 目前通用处理器指令集体系结构已经非常成熟 不同处理器之间的差别主要在于 微体系结构层和硬件实现 ASIP 作为针对专门应用设计的处理器 需要满足用户功能 性需求和非功能性约束如设计周期 容错性和可靠性方面等方面需求 所以需要根据 这些需求定制面向特定应用的专用指令集结构 并依据指令集和功耗等需求选择相应 的硬部件 确定部件之间的互连结构而完成微体系结构的设计 25 26 ASIP 的设计是根据用户需求而选择的相应指令集结构 因此灵活性比较大 在验 证时需要对 ASIP 设计中的指令 微体系结构及相应的部件和部件之间互连结构进行定 义和描述 ASIP 体系结构描述应包含如下信息 描述指令语义和表现形式的指令集信 息 描述流水线 部件等资源信息 描述寄存器和内存等存储信息 描述硬件结构及 相关的行为信息 描述部件活动的时序信息 27 28 2 XML 描述的 ASIP 体系结构 虽然 UML 的可视化建模的运用为良好的设计奠定了基础 但 UML 模型仍然缺乏对 细节的行为描述能力 阻碍了 UML 可执行模型的创建 利用 XML 可扩展性 可对细节 的行为进行描述 通过 PHP 读取 XML 代码 存储 ASIP 的模型数据结构 29 30 XML Extensible Markup Language 即可扩展标记语言 是一种简单的数据存储语 言 XML 存储数据重在数据本身 使用一系列简单的标记描述数据 是当前处理结构化 文档信息的有力工具 而这些标记可以用方便的方式建立 使 XML 可以很容易地在应 用程序中读写数据 极其简单易于掌握和使用 并且很容易加载 XML 数据到程序中进 行分析 以 XML 格式输出结果 使用 XML 描述体系结构是可行的 它具有以下优点 1 XML 的属性结构描述与参数化的体系结构模型能够很好的匹配 能有效的对体 系结构模型的描述 2 针对需求可以定制标记结构 从而得到形式简洁和易于理解的描述 3 XML 的语义比较清晰 定义比较明确 能在各种环境下恢复 XML 文档信息 5 系统设计关键技术 25 4 XML 已成为统一的标准 可读性强且方便交流 5 采用 XML 语法规范来编写 schema 文件可以规范 XML 描述的结构模型的实例 并且支持 XML 和 schema 的应用程序也越来越多 XML 对 ASIP 体系结构进行描述 主要是对指令集 部件 流水线和微体系结构进 行的描述 其中最关键的是流水线和微体系结构描述 32 如 ALU Register 在建立ASIP数据结构的XML描述后 由于XML文档中包含所有可视化所需目标类型 名称 数量及模型之间的关系 可对其进行处理 在表现形式上 可通过XSLT将其转 换为常用的Word 文档 数据库记录 并可将其转换为实例 下面是XML描述的流水线 petri网模型数据 C Default 0 5 系统设计关键技术 26 0 中间省略 PNML 是基于 XML 交换格式标准的 petri 网模型描述语言 采用 UML 元模型 即 PNML Core model 来定义共享概念 并且 其框架可以处理各种类型的 Petri 网 包括 P T 网 对称网 高级网 图 5 3 流水线 Petri 网模型 基本的流水线寄存器有指令缓冲寄存区 IR 数据缓冲寄存器 DR re 缓冲寄存 器 A rt 缓冲寄存器 B 以及 ALU 缓冲寄存器 C 如图 5 3 是典型 5 段 IF ID EXE MEM WB RISC 流水线 Petri 网模型 5 2 3 HDL 底层描述 目前最主要 HDL 硬件描述语言是 VHDL 和 Verilog HDL VHDL 发展的较早 语法 严格 而 Verilog HDL 是在 C 语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言 语法较