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1、,,,,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,,,,,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,—,嵌入式系統設計方法,,2006年4月21日,,嵌入式系統,,,主要內容,嵌入式系統面臨的挑戰(zhàn),,嵌入式系統的設計,,嵌入式系統軟硬件協同設計,,嵌入式系統節(jié)能設計,,CC1991（9＋2個主領域）,CC2001（14個主領域）,,離散數學（預備知識）,離散結構,（DS）,程序設計語言引論,程序設計基礎（PF）,算法與數據結構,算法與復雜性（AL）,計算機系統結構
2、,系統結構（AR）,操作系統,操作系統（OS）,,網絡計算（NC）,程序設計語言,程序設計語言（PL）,人－機通信,人機交互（HC）,,圖形學和可視化計算（GV）,人工智能與機器人學,智能系統（IS）,數據庫與信息檢索,信息管理（IM）,軟件方法學與工程,軟件工程（SE）,社會、道德和職業(yè)的問題,社會和職業(yè)的問題（SP）,數值與符號計算,科學計算（SC）,IEEE/ACM 課程大綱關于計算機學科主領域的劃分,,,,嵌入式系統,嵌入式系統:,,,以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗諸方面嚴格要求的專用計算機系統。,,,嵌入式系統特點,,嵌
3、入式系統特點：,,,軟件硬件協同并行開發(fā),,,多種多樣的微處理器,,,實時操作系統的多樣性 (RTOS),,,與臺式機相比，可利用系統資源不足,,,應用支持很少,,,要求特殊的開發(fā)工具,,,調試很困難,,,軟件硬件的魯棒性（健壯性，Robust）,,,嵌入式系統要解決的主要問題,,需要用什么樣的系統結構來實現？,,如何滿足時限要求，如何處理多項功能在時間上的協調一致關系？,,如何保證系統可靠地工作？,,如何滿足系統接口要求，嵌入式應用直接和系統接口輸入輸出信息？,,如何降低系統的功耗？,,如何使系統可升級？,,嵌入式系統設計的挑戰(zhàn)性問題,,軟硬件協同設計,,功耗的優(yōu)化設計,,嵌入式操作系統,,
4、開發(fā)環(huán)境,,成本和開發(fā)周期,,代碼優(yōu)化,,高效的輸入和輸出,,測試環(huán)境,,嵌入式系統軟件技術面臨的幾大問題,嵌入式軟件全生命周期開發(fā)工具鏈,,硬件與軟件的Co-Design: Verilog + C = ?,,驅動程序的設計和生成技術（嵌入式軟件開發(fā)中最令人頭疼的問題）,,嵌入式軟件的可靠性問題: 正確性驗證技術、測試技術、調試技術等（可靠性問題是嵌入式軟件開發(fā)的基本問題）,,可重構計算（Reconfigurable Computing）技術,,可構件化的嵌入式實時操作系統及其開發(fā)環(huán)境,,問題,：,,功能、性能要求,,價格、開發(fā)周期等約束,設計：,,,選擇,,折衷,,分析比較,,計算,,評價,
5、嵌入式系統,嵌入式系統的設計,方法,工具,,設計流程—自頂向下或自底向上設計,需求,設計說明,體系結構,構件設計,系統集成,自頂向下設計,自底向上設計,,需求分析,作用,,使用戶和設計者有效交流、溝通，明確設計目標,,設計者 － 設計什么？有哪些要求？,,用戶 － 將得到的系統是什么樣的？,,目標,,形成需求文檔,,內容,,功能性需求,做什么？,,輸入,輸出,功能，……,,非功能性需求,其他屬性,,可靠性，速度，功耗，……,,成本,大小,重量,設計時間， ……,,評價標準,正確性,,無二義性,,完整性,,可檢驗性,,一致性,,可修改性,,可追蹤性,,需求分析的描述,自然語言,,需求說明書,
6、,需求分析表,,,形式化描述,,用例圖等,,DOORS,,,例：,GPS移動地圖的需求,,規(guī)格說明,規(guī)格說明與需求的比較,,需求的提煉,,是可用來創(chuàng)建體系結構的關于系統的更詳盡、更精確、更一致的描述,,目標,,形成規(guī)格說明書,,內容,,包含系統體系結構設計的足夠信息,,,,規(guī)格說明書的描述,自然語言,,,形式化描述,,UML,,RSML,,SDL,,規(guī)格,說明,,需求的精確描述,,,描述明確，可理解,,,UML (Unified Modeling Language),,統一建模語言是可視化的設計說明語言,,統一描述系統的硬件和軟件,,,UML 可對系統的功能建模,,,可自動產生實際設計的HDL
7、 或C++ 代碼,,,UML的應用,I-Logix公司的Rhapsody系列產品,,基于統一建模語言UML的可視化編程環(huán)境,,把UML各類視圖映射為具體目標機程序語言,,用于復雜實時嵌入式應用軟件從分析、設計一直到代碼實現和軟件測試的開發(fā)過程,,NASA的火星探路者航天器就是運用Rhapsody在VxWorks上開發(fā)應用程序。,,系統結構設計,,,系統如何實現設計說明書描述的功能,,,基于組件的系統結構,,,軟件/硬件劃分,,,嵌入式系統中軟件和硬件協同完成系統的功能,,軟件硬件劃分通常由速度、靈活性以及開銷來決策,,,,,,硬件,,單片機, X86, PowerPC, ARM, MIPS,…
8、…,板級支持程序,嵌入式操作系統,應用軟件,監(jiān)控程序,嵌入式計算機系統基本結構,,嵌入式系統組成,,,,系統結構設計,,,系統結構設計,作用,,實現系統的藍圖，系統整體結構的一個計劃,,目標,,形成結構設計文檔,,內容,,系統分析,,系統軟硬件整體結構的設計,,軟硬件劃分,,標準構件和自行設計構件的確定,,評價標準,,有彈性,,簡單,,可實現,,層次清晰,,功能分布平衡,,平衡技術和經濟約束,,滿足功能需求和非功能需求,,可重用,,系統結構的描述,,非形式化方式,,自然語言,,結構框圖,,形式化方法,,UML建模,,,系統結構的設計過程及方法,,結構化設計方法,以算法為中心，從處理到處理的數據
9、流,,從輸入、輸出入手，根據操作和數據流，形成比較粗的系統大框架；,,然后逐步細化框架內的每個部分，進一步確定內部模塊的及模塊之間的關系,,設計過程應該是逐步細化和逐步完善的過程,,面向對象的方法,以類及交互模式為中心,,系統軟件結構的設計,,結構化方法(SA/SD),,面向對象的方法(OOA/OOD),,UML建模,,結構設計的驗證,,結構設計的正確性非常關鍵,,詳細設計和實現的基礎，對開發(fā)周期、成本有很大影響,,驗證所關心的問題,,結構設計是否滿足功能、性能要求,,能否實現,,驗證方法,,形式化方法,,仿真,,系統結構,,軟件結構,,硬件結構,,其他方法,,如基于開發(fā)板的原型系統,,系統引
10、入錯誤和修改錯誤開銷分布,,引入錯誤數目,修改錯誤開銷,開發(fā)周期,系統結構,,設計,軟硬件,,詳細設計,軟硬件,,實現,,軟硬件的劃分,,,嵌入式系統的設計涉及硬件與軟件部件，設計中必須決定什么功能由硬件實現，什么功能由軟件實現。,,硬件和軟件具有雙重性,,軟硬件變動對系統的決策造成影響,,劃分和選擇需要考慮多種因素,,硬件和軟件的雙重性是劃分決策的前提,,通常由軟件實現的部分,,,操作系統功能,,任務調度,,資源管理,,設備驅動,,協議棧,,TCP／IP,,應用軟件框架,,除基本系統、物理接口、基本邏輯電路，許多由硬件實現的功能都可以由軟件實現。,,,雙重性部分,,,算法,,加密／解密,,編
11、碼／解碼,,壓縮／解壓,,……,,數學運算,,浮點運算， FFT， ……,,……,,,標準構件和自行設計構件,,構件的實現,,選擇標準,,自行設計,,標準構件 ＝ ？現成構件,,已經產品化,,形成規(guī)模生產,,標準構件 ＋ 自行設計構件 ＝ 用戶系統,,構件包括了硬件構件和軟件構件,,構件本身可以是層次性的，可以由子構件組成,,標準硬構件,,硬構件的形式：,,IC,：集成電路,,PCB,：印刷電路板,,IP,：Intellectual Property,,,標準,IC,,CPU, DSP, ……,,RAM, ROM, 接口控制器，……,,ASIC,……,,標準,IP,,CPU核，……,,標準模塊
12、,,GPRS模塊,GSM模塊,藍牙模塊, ……,,顯示模塊，……,,標準計算平臺,,基于PC104的嵌入式計算機,,基于Compact PCI的嵌入式計算機,,SOC,……,,標準軟構件,,OS / RTOS,,協議棧,,TCP/IP,,路由協議,,H.323,,……,,圖形開發(fā)包,,VxWorks的ZINK,,……,,驅動程序,,,自研硬構件,,內容,,邏輯電路，專用加速器，……,,實現方式,,PCB：,,IC：PLD FPGA ASIC,……,,EDA設計工具,,板級：,,原理圖設計工具,,PCB設計工具,,IC,,硬件描述語言: VHDL,Verilog,,原理圖描述工具,,綜合仿真
13、工具,,布線器, …………,,自研軟構件,,BSP,,驅動程序,,應用程序,,……,,,軟硬件技術對系統結構的影響,,硬軟件設計的趨勢——融合、滲透,,硬件設計的軟件化,,VHDL, Verilog,,HANDL-C,,軟件實現的硬件化,,各種算法的ASIC,,對系統設計的影響——協同設計,,增加靈活性,,增加了風險,,嵌入式系統設計者要求,,,懂得系統的整個構架,,,詳細了解硬件的細節(jié),,,軟件設計滿足：,,,實時要求,,,低功耗,,,代碼量小,,,詳細了解領域知識,,,嵌入式系統軟硬件協同設計,,,,,軟硬件協同設計,,軟硬件協同設計,硬件設計工具（EDA工具）,,系統級設計工具,,Cad
14、ence的SPW,,System View,,模擬電路系統仿真工具,,Pspice,,EWB,,PCB設計工具,,Protel,,PADs 的Power PCB & Tool Kit,,Mentor的Expedition & Tool Kit,,可編程邏輯器件設計工具,,Mentor FPGA Advantage & ModelSim,,Xilinx Foundation ISE & Tool Kit,,各種綜合和仿真第三方工具,,軟硬件協同設計定義與主要概念,軟硬件協同設計定義,,The meeting of system-level objectives by exploiting the
15、 trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent design,,主要概念,,Concurrent,（并發(fā)）,: hardware and software developed at the same time on parallel paths,,Integrated,（一體化）,: interaction between hardware and software developments to produce designs that meet performance crit
16、eria,,and functional specifications,,嵌入式系統,快速原型,設計過程,SYSTEM,DEF.,SW,DESIGN,VIRTUAL PROTOTYPE,REUSE DESIGN LIBRARIES AND DATABASE,Primarily,software,Primarily,hardware,SW,CODE,FUNCTION,DESIGN,HW &,SW,PART.,HW,DESIGN,HW,FAB,INTEG.,&,TEST,HW & SW,CODESIGN,HW & SW Partitioning & Codesign,,,嵌入式系統快速原型開發(fā)的基
17、本要素,系統定義（需求分析）,,軟硬件劃分,,結構規(guī)劃,–,處理器類型,,,軟硬件之間的接口類型,,,等,.,,劃分目的,–,滿足系統速度,,,延遲,,,體積,,,成本等方面的要求,.,,劃分策略,- high level partitioning by hand, automated partitioning using various techniques, etc.,,調度,,Operation scheduling in hardware,,Instruction scheduling in compilers,,Process scheduling in operating syst
18、ems,,軟硬件設計過程中的建模,,傳統的嵌入式系統設計模型,System,,Concepts,Sys/HW,,Require.,,Analysis,Sys/SW,,Require.,,Analysis,Operation.,,Testing and,,Eval.,Software,,Require.,,Analysis,Prelim.,,Design,Detailed,,Design,Coding,,,Unit test.,,,Integ. test,SW Development,HWCI,,Testing,CSCI,,Testing,System,,Integ. and,,test,Har
19、dware,,Require.,,Analysis,Prelim.,,Design,Detailed,,Design,Fabric.,HW Development,DOD-STD-2167A,,傳統的嵌入式系統設計過程,傳統軟硬件設計過程的基本特征,:,,系統在一開始就被劃分為軟件和硬件兩大部分,,軟件和硬件獨立進行開發(fā)設計,,“Hardware first” approach often adopted,,隱含的一些問題,:,,軟硬件之間的交互受到很大限制,,軟硬件之間的相互性能影響很難評估,,系統集成相對滯后，NRE較大,,因此,:,,Poor quality designs,（設計質量差
20、）,,Costly modifications,（設計修改難）,,Schedule slippages,（研制周期不能有效保障）,,傳統設計過程中的尖銳矛盾,,隨著設計復雜程度的提高，軟硬件設計中的一些錯誤將使開發(fā)過程付出昂貴的代價,,,“,Hardware first,” approach often compounds,（混合）,software cost because software must compensate for,（補償）,hardware inadequacies,（不充分）,,軟硬件設計過程發(fā)展方向－協同設計,System,,Concepts,Sys/HW,,Requi
21、re.,,Analysis,Sys/SW,,Require.,,Analysis,Hardware,,Require.,,Analysis,Software,,Require.,,Analysis,Operation.,,Testing and,,Evaluation,SW Development,HW Development,System,,Integ. and,,test,HWCI,,Testing,CSCI,,Testing,[,Franke91],,Integrated Modeling Substrate,Integrated Modeling Substrate,（一體化建模底
22、層）,Prelim.,,Design,Prelim.,,Design,Detailed,,Design,Detailed,,Design,Fabric.,Coding,,,Unit test.,,,Integ. test,?,IEEE 1991,,嵌入式軟件的開發(fā)過程（瀑布模型）,Requirement Analysis,Software Design,Coding,Testing,Release,,軟硬件協同設計的基本需求,統一的軟硬件描述方式,,軟硬件支持統一的設計和分析工具（技術）,,允許在一個集成環(huán)境中仿真（評估）系統軟硬件設計,,支持系統任務在軟件和硬件設計之間的相互移植,,交互式軟
23、硬件劃分技術,,允許多個不同的軟硬件劃分設計進行仿真和比較,,輔助最優(yōu)系統實現方式決策,,將軟硬件劃分應用到模塊設計，以便最佳地實現系統的設計指標。,Partitioning applied to modules to best meet design criteria (,功能和性能目標,),,軟硬件協同設計的基本需求,(,續(xù),),完整的軟硬件模型基礎,,支持在設計過程中的幾個階段的綜合評價,,支持軟硬件逐步的開發(fā)和集成,,正確的驗證方法,,確保系統設計達到的目標要求,,典型的軟硬件協同設計過程,,,System,,Integration,Instruction set level,,HW/
24、SW evaluation,Unified representation,,(Data/control flow),,HW/SW,,Partitioning,,,Interface,,Synthesis,,Software,,Synthesis,SW,Hardware,,Synthesis,HW,,System,,Description,,(Functional),Concurrent processes,,Programming languages,,FSM-,,directed graphs,,Another,,HW/SW,,partition,,經典的軟硬件協同設計方法,Analysis
25、 of Constraints,,and Requirements,System Specs..,HW/SW,,Partitioning,Hardware Descript.,Software Descript.,HW Synth. and,,Configuration,Interface Synthesis,Software Gen.,,& Parameterization,Configuration,,Modules,Hardware,,Components,HW/SW,,Interfaces,Software,,Modules,HW/SW Integration,,and Cosimul
26、ation,Integrated,,System,System Evaluation,Design Verification,[,Rozenblit94],?,IEEE 1994,,軟硬件協同設計的優(yōu)勢,在設計初始階段就可進行軟硬件交互設計和調整,,Provides continual verification throughout the design cycle,（貫穿整個設計周期）,,Separate HW/SW development paths,（開發(fā)路線）,can lead to costly modifications and schedule slippages,（導致代價昂貴
27、的糾錯成本和開發(fā)進度的下降）,,關鍵技術（如可編程邏輯綜合技術、器件接口和功能模型描述）的進步使得軟硬件交互設計變得簡單起來,,軟硬件協同設計技術的現狀,主要問題,:,,缺乏標準化的表示方法,,缺乏好的驗證和評價方法,,可能的解決方案,:,,擴展已有的硬件/軟件語言工具并應用到不同種類情況,,擴展形式驗證技術并應用到硬件/軟件領域,,基于FPGA的嵌入式系統設計－－SOPC設計,,軟硬件協同設計基本步驟,HW-SW system involves,,Specification（設計描述）,,modeling （設計建模）,,design space exploration and partit
28、ioning,,synthesis and optimization（綜合與優(yōu)化）,,Validation（設計驗證）,,implementation （設計實現）,,軟硬件協同設計基本步驟,Specification（設計描述）,,List the functions of a system that describe the behavior of an abstraction clearly with out ambiguity.,,Modeling,（設計建模）,,Process of conceptualizing and refining the specifications, a
29、nd producing a hardware and software model.,,軟硬件協同設計基本步驟,Validation:,,Process of achieving a reasonable level of confidence（置信度） that the system will work as designed.,,Takes different flavors per application domain（根據應用領域而不同）: cosimulation for performance and correctness（性能與功能的協同仿真）,,軟硬件協同設計基本步驟,Im
30、plementation:,,Physical realization of the hardware (through synthesis),,and of executable software (through compilation).,,協同設計中的軟硬件劃分與調度,(where and when),A hardware/software,partitioning,represents a physical partition of system functionality into application-specific hardware and software.,,Sched
31、uling,is to assign an execution start time to each task in a set, where tasks are linked by some relations.,,,嵌入式系統的節(jié)能設計,（硬件節(jié)能、軟件節(jié)能）,,,,嵌入式系統的節(jié)能設計,節(jié)能計算成為嵌入式系統設計、系統軟件重點考慮的基本方面：,,節(jié)能計算包括：,,硬件體系結構支持,,在小巧外形尺寸下，如何實現所需電源性能的工藝和技術,,熱管理、降噪、電池管理和功能整合,,軟件支持,,節(jié)能編譯,,操作系統,,節(jié)能策略,,現狀,電源管理策略,,面向PC、筆記本電腦、服務器、通信設備的刀片服務
32、器,,APM：高級電源管理方案,,ACPI：高級配置和電源接口,,根據嵌入式系統模型定制節(jié)能技術非常缺乏，甚至在某些方面是空白,,手持設備電源管理,電池壽命不等同于電源管理的成效,,性能、多媒體系統、數碼攝像,,新增功能增加系統的耗電量,,縮短電池壽命,,影響因素,,CPU 功能,,系統軟件,,中間件,,管理策略,,傳統手持設備管理策略,處理器時鐘變慢,,操作系統轉入待機、睡眠狀態(tài),,動態(tài)電源管理 (DPM),,調整內核電壓和頻率,,高性能存儲器,,彩色顯示器,,無線接口,,固化為通用電源管理IC,,軟件節(jié)能策略,預測什么時候設備的未來使用狀況或者使用率,,“time-out”策略預測特定的時
33、間長度,,基于GSPN網絡和HMM的技術,,Montavista,,基于linux,,通用性強，但是嵌入式系統定制性強，效果不佳,,能耗測試,測試出每條指令的能耗，估計測試程序運行完的總能耗,,測試出每個函數的能耗，然后利用這些函數作為標準去估計其他函數運行的能耗,,節(jié)能操作系統,目的,,保證操作系統實時性的前提下，完成能耗計算,,調度算法的節(jié)能優(yōu)化,,中斷處理優(yōu)化,,低功耗文件系統,,CPU 電壓和頻率調節(jié)會給實時性能帶來了嚴峻挑戰(zhàn),,可能造成不穩(wěn)定,,“重新鎖定”鎖相環(huán)路和其它動態(tài)時鐘機制需要時間，造成了很長的等待時間（有時是毫秒級別）,,鎖定期間 CPU 既不能執(zhí)行計算操作，又不能響應外
34、部事件（中斷）,,每一軟件,,相應的手機最低電壓,,CPU頻率,,相應設備,,通過動態(tài)的調節(jié)CPU的內核頻率與內核電壓，以及動態(tài)的關閉系統的某些設備和調整某些設備的狀態(tài),,外設驅動,針對不同功能部件的能耗，進行合理的功耗優(yōu)化,,從電池開始，嚴格和精確地電量測量,,根據外設特征研究不同的電源管理策略下的驅動,,現有情況,,硬件產品有幾種狀態(tài)定義,,狀態(tài)提供不同的服務質量和消耗的能量,,提供各種狀態(tài)之間的轉換接口,,算法目標,,實現狀態(tài)轉換的節(jié)能策略,,減少待機能耗,,人工智能技術的應用,,通過軟件來動態(tài)的預測和控制某些部件的開關,,節(jié)能通訊協議棧,連接干預,,節(jié)能的傳輸調度算法,,緩沖區(qū)技術,,局部性原理與預取,,低功耗壓縮算法,,節(jié)能編譯,對每條指令的能耗進行測試,,對函數編譯結果的能耗進行估計,,錯誤處理代碼的能耗設計,,基于ICE進行函數執(zhí)行代碼統計,,
嵌入式系統設計方法
