42、嵌入式系统的硬件/软件协同设计：原理与实践

原创于 2025-07-14 11:36:49 发布 · 606 阅读

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#嵌入式系统 # 硬件/软件协同设计 # 实时系统

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嵌入式系统的硬件/软件协同设计：原理与实践

1. 嵌入式系统概述

在电信、多媒体、汽车和消费市场等领域，嵌入式系统已成为全球产品的重要组成部分。嵌入式系统通常由一个或多个微控制器或微处理器构成，与其他数字或模拟组件交互，以从外部环境接收数据并进行快速处理。

嵌入式系统具有以下特点：
- 功能固定 ：其功能由与环境的交互定义，通常具有多种操作模式、高度并发性和快速响应异常的能力。
- 可编程性 ：允许在软件中实现未来版本可能更改的任务，而无需重新设计整个系统。

不同应用领域对嵌入式系统的要求也有所不同，例如：
| 应用领域 | 重要要求 |
| ---- | ---- |
| 消费电子 | 成本 |
| 实时系统 | 实时响应、性能 |
| 移动设备 | 功耗 |

嵌入式系统可以通过不同的集成级别实现，从电路板到片上系统（SoC）。较低的集成级别（如电路板）成本较低、灵活性高，而较高的集成级别（如SoC）则具有更低的功耗、更高的性能，但复杂度和芯片尺寸也更大。

根据功能，嵌入式系统可分为控制型系统和数据处理型系统：
- 控制型系统 ：是反应式系统，对外部环境输入做出反应，通常具有实时要求。
- 数据处理型系统 ：主要执行数据处理任务，常见于电信和多媒体系统中，通常会使用专用指令集处理器（ASIP）来加速执行。

嵌入式系统的主要组件包括软件、固件、专用集成电路（ASIC）、通用或特定领域处理器、基于核心的ASIC、ASIP、内存、现场可编程门阵列（FPGA）、模拟电路和传感器等。因此，设计复杂的嵌入式系统是一项具有挑战性的任务，需要设计师具备专业技能和经验。

2. 传统嵌入式系统设计流程

传统的嵌入式系统设计流程通常从需求文档开始，该文档往往导致系统规格不完整。系统架构师根据需求文档定义系统功能，然后通过模拟进行建模和验证。然而，这种方法无法验证时序约束和其他非功能参数，并且容易出错，因为原型通常是手动创建的。

传统设计流程的主要步骤如下：
1. 需求文档 ：定义系统需求。
2. 功能建模与验证 ：通过模拟验证系统功能。
3. 软硬件划分 ：手动确定哪些功能由软件实现，哪些由硬件实现。
4. 软硬件设计 ：分别进行软件和硬件设计。
5. 接口设计 ：硬件和软件设计师共同参与接口规格定义。
6. 集成与测试 ：在所有组件分别开发完成后进行集成和测试。

这种设计流程的主要问题是，错误往往在设计过程的后期才被发现，导致需要重新设计硬件或软件，从而延长了上市时间。

3. 硬件/软件协同设计概述

硬件/软件协同设计并不是一个新的概念，但直到最近才在研究和电子设计自动化（EDA）社区中受到关注。随着嵌入式系统的发展，将硬件和软件开发紧密结合的需求日益增加，同时也为解决这一问题提供了新的可能性。

协同设计的主要目标是在设计过程的早期阶段验证设计约束，评估不同的软硬件架构解决方案，以实现最优的系统实现。它通过自动化全局的软硬件设计方法，同步硬件和软件开发过程，提供系统在所有设计阶段的统一视图。

协同设计的主要优点包括：
- 更轻松的替代方案探索 ：在实际设计硬件和软件组件之前，更容易验证和测试不同的解决方案。
- 改进的系统集成 ：保持软件和硬件开发的一致性，提高系统集成的质量。
- 统一的文档管理 ：以统一的格式跟踪设计过程中的所有修改。

4. 协同设计的主要任务

协同设计可以分为以下主要任务：
1. 规格捕获 ：将所需的系统功能表达为形式化模型，并通过模拟或验证技术进行验证，得到无实现细节的功能规格。
2. 探索：使用形式化模型分析不同的设计方案，确定满足所有设计约束的最佳方案，包括软硬件架构和划分。
3. 软硬件和接口综合 ：为系统架构的每个组件创建实现，生成软件代码和硬件的RT级实现。
4. 协同验证 ：在物理设计阶段之前，验证所有组件是否满足性能、面积、成本、实时约束、功耗、可靠性、可用性和安全性等要求。

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(规格捕获):::process --> B(探索):::process
    B --> C(软硬件和接口综合):::process
    C --> D(协同验证):::process

5. 协同设计的关键要素

5.1 规格形式主义

系统描述可以在不同的抽象级别进行，每个级别都有特定的目的。适用于协同设计的规格形式主义应允许设计师以可执行的规格语言描述系统的概念视图，同时捕获功能和设计约束。

概念模型的主要特征通常分为三类：控制、数据和时序，也称为“协同设计立方体”。常见的模型包括有限状态机、基于进程级模型的定制形式主义等。

不同类型的系统对规格形式主义的要求也不同：
- 同步系统 ：所有计算步骤在规则的时间间隔内执行和同步，适用于数字信号处理（DSP）应用。
- 事件驱动或异步系统 ：转换由外部事件触发，适用于反应式系统，需要支持异常或中断。
- 实时系统 ：时序问题不仅影响性能，还影响行为正确性，理想的规格形式主义应能统一捕获功能和时序约束。

5.2 目标架构

嵌入式系统的实现可以根据所选架构进行分类，包括组件类型和数量、连接性和实现技术。近年来，ASIC和FPGA成为首选的目标技术。

目标架构的基本元素包括基本RT组件、微处理器核心等。控制器可以是硬连线或微可编程的，数据路径则根据功能单元的数量和类型以及互连总线拓扑结构而有所不同。

常见的连接类型包括点对点连接和总线连接，特定的数据传输（如DMA、通道）可以通过专用组件进行管理。

5.3 设计空间探索

设计空间探索通过评估不同方面来比较替代解决方案，包括软硬件划分、架构调整和约束满足。

软硬件划分的目标是选择在微处理器上执行或通过定制硬件实现的规格部分。软件通常成本低、灵活性高，但性能较差；硬件则相反。许多划分算法源于现有的硬件/硬件划分策略，但需要考虑软硬件特定的约束和成本/性能模型。

架构选择依赖于选择合适的组件和互连方式，需要调整预测策略以确定适合软件执行的处理器和算法实现风格。探索过程包括算法级的重构和操作调度。

在设计空间探索中，早期验证系统操作的属性和约束是一个主要问题。在抽象级别上，快速比较替代解决方案通常比获得绝对精确的评估更重要，因此基于近似预测的策略是当前协同设计的热门话题。

5.4 并发综合

并发综合通过转换在设计空间探索中确定的最优高级设计描述，获得软件代码和原理图。综合过程还可以进行特定领域的优化，并且可能需要一些手动干预。

软件综合主要考虑三个方面：指令集、编译和操作系统支持。目标是根据应用需求定制微处理器，例如使用ASIP和可重定向编译器。操作系统通常需要实时支持和紧凑性，并且与应用代码紧密结合。

硬件综合包括行为级、RT级和接口综合。RTL综合的目标是从库中选择合适的单元来存储变量并执行操作，可应用流水线技术提高性能。行为级综合在更高的抽象级别上进行，将高级形式主义编写的算法转换为内部表示，进行操作调度和资源分配。

接口生成需要同时设计硬件和软件组件，并遵循标准策略（如DMA或内存映射），由于其对系统性能的重要性，很难完全自动化。

并发综合的一个目标是简化与工业标准和工具的接口，因此研究社区越来越多地使用标准形式主义来表示综合后的系统，并改进预测最终产品的策略，这些数据可以反馈到系统描述中，指导设计空间探索。

6. 协同设计的应用案例分析

为了更好地理解硬件/软件协同设计在实际中的应用，下面通过一个具体的案例进行分析。假设我们要设计一个智能视频监控系统，该系统需要实时处理视频流，检测目标物体并进行分类。

6.1 系统需求分析

功能需求 ：实时采集视频、检测目标物体、对目标物体进行分类。
性能需求 ：处理帧率不低于 30fps，目标检测准确率不低于 90%。
成本需求 ：控制硬件成本在一定范围内。

6.2 传统设计与协同设计对比

设计方式	优点	缺点
传统设计	设计流程相对简单，设计师熟悉	后期易发现错误，导致重新设计，上市时间长；难以平衡软硬件性能和成本
协同设计	早期验证设计约束，可评估多种架构方案；提供统一视图，便于探索替代方案	对设计师要求高，需要掌握软硬件知识；工具和方法尚不完善

6.3 协同设计流程应用

规格捕获 ：使用形式化模型描述系统功能，如有限状态机描述视频采集、处理和分类的状态转换。通过模拟验证功能的正确性。
设计空间探索
- 软硬件划分 ：考虑视频采集和预处理可由硬件（如 FPGA）实现，以提高处理速度；目标检测和分类算法可在 ASIP 上运行软件实现，利用其灵活性和可编程性。
- 架构选择 ：选择合适的处理器和硬件组件，如高性能的 DSP 微处理器核心，搭配相应的总线接口和存储单元。
并发综合
- 软件综合 ：根据应用需求定制指令集，使用可重定向编译器生成优化的代码。选择适合嵌入式系统的实时操作系统，确保系统的实时性和紧凑性。
- 硬件综合 ：进行 RTL 综合，选择合适的硬件单元实现视频采集和预处理功能；行为级综合将高级算法转换为硬件逻辑。同时设计硬件和软件的接口，确保数据的高效传输。
协同验证 ：在物理设计之前，对系统进行全面验证，包括性能、成本、实时性等方面。通过模拟和测试，确保系统满足设计要求。

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(规格捕获):::process --> B(设计空间探索):::process
    B --> C(并发综合):::process
    C --> D(协同验证):::process
    D --> E(物理设计):::process