“协同设计”方法在嵌入式系统设计中的应用分析

王剑

【摘 要】本文较详细地阐述了一种嵌入式系统的协同设计方法。本文首先分析了传统的经典嵌入式系统设计过程，然后阐述了引入了软硬件“协同设计”概念的嵌入式系统设计方法。最后指出了协同设计方法的优缺点。

【关键词】嵌入式系统；教学；协同设计

嵌入式计算机技术是21世纪计算机技术重要发展方向之一，应用领域十分广泛且增长迅速。随着嵌入式系统的技术发展，嵌入式系统的设计方法也在不断变化和进步。传统的嵌入式系统设计方法在对目标嵌入式系统提出系统定义方案后，要对系统实现进行可行性分析和需求分析。在经过严格分析论证后，进入到系统总体设计方案阶段，该阶段除提出系统总体框架以外，还需进行软硬件划分、处理器选型、操作系统选择、开发环境选择等诸多工作。

这种方法经过多年测试验证，在市场中具有成熟可靠、简单实用的特点，但是该方法的设计过程明显表现出软件和硬件开发相对独立割裂，而且软件开发工作往往需要等到硬件平台完成后才能开展，显然这不利于系统的最终成品推出时间控制，而且调试、测试的过程也需要反复迭代和修改设计，这样就导致硬件方案的变动在所难免。由于软硬件分离独立设计，这又反过来影响软件系统的开发，从而导致系统设计成本的提高，开发效率的降低。同时传统嵌入式系统设计方法对开发者的设计经验如软硬件的划分、系统集成调试等提出了较高的要求。

相对于传统的嵌入式系统设计方法，引入了软硬件“协同设计”概念的嵌入式系统设计方法能较好的弥补传统嵌入式系统设计方法的不足。所谓软硬件“协同设计”是在满足系统设计要求的前提下，以达到系统能够工作在最佳状态为设计目标，通过统一协同分析系统软硬件模块资源的方法，综合设计系统的软硬件体系结构。这种方法与传统设计方法相比主要的特点在于系统总体设计方案中采用了系统级的仿真建模处理，对系统所涉及的硬件和软件针对设计要求统一建模，根据建模结果选择最优化软硬件划分等设计方案，并对软硬件协同仿真和验证。如图1所示为一种典型的嵌入式系统协同设计方法。

从图中可以看到，嵌入式系统的“协同设计”方法与传统的嵌入式系统的设计方法相比较而言，更重视总体设计下的系统级别的仿真建模和软件、硬件综合设计方法。系统级别的仿真建模通常采用独立的功能性规格方法对系统整体进行定义和说明，根据建模结果对软硬件模块进行划分，并且对该划分方案进行性能评估甚至指令级别的参数评价。通过反复迭代得到最优化方案和结果为止。在完成了软硬件综合后记性具体软硬件协同仿真和验证，获得满意结果后进行系统集成和测试。值得注意的是，在“协同设计”过程中，应充分考虑软硬件的关系并在设计的每个层次上给予测试验证，以便于尽早发现问题解决问题，以免崩溃性错误发生。

软硬件协同设计有如下一些基本要求：

统一的软硬件描述方法。

交互式软硬件划分技术。这要求允许采用不同的软硬件划分设计方法进行系统仿真和比较，并需要辅助最优化决策及应用实施。

完整的软硬件模型基础。这要求设计过程的每个阶段都必须支持评价，并支持阶梯式的开发方法与软硬件整合。

正确的验证方法。

软硬件协同设计的一些理论和方法是嵌入式研究领域的一个热点。目前一些厂商已提供了协同设计的集成化平台或者模型，比如ARM ESL平台和RTSM模型等。ARM ESL虚拟平台是采用了嵌入式系统的协同设计方法的典型平台代表。

由此可见，这种采用“协同设计”概念的嵌入式系统设计方法是在充分利用先进模拟/仿真平台的基础上，合理考虑了软硬件的划分，并對软硬件子系统进行了可靠有效的仿真及测试，避免了致命性错误的产生，提高了系统开发效率，缩短了TTM。但是从另一个方面来看，传统的嵌入式系统设计方法从系统设计经验，开发平台的使用到相关配套资料等方面来看都是十分成熟的方法，对于一些特定嵌入式系统或者开发者极其熟悉的设计领域（特别是MCU领域），传统嵌入式系统设计方法仍具有非常好的应用前景。

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[责任编辑：田吉捷]