嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 第二章——設(shè)計方法

1、1/71 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計嵌入式系統(tǒng)設(shè)計2/71 主要內(nèi)容n設(shè)計方法論設(shè)計方法論n嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程n嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計n嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計3/71 主要內(nèi)容n設(shè)計方法論設(shè)計方法論n嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程n嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計n嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計4/71設(shè)計方法是什么？其作用是什么？n產(chǎn)品是滿足人們功能需求與生活方式的載體，而設(shè)計方法則是實現(xiàn)這一目標所制定的總的計劃方式；n由于產(chǎn)品設(shè)計所牽涉的多學科、多工藝技術(shù)的特征，這些都需要相應的技術(shù)方法和

2、設(shè)計程序來解決，那么設(shè)計方法就是這些領(lǐng)域的觀念化指導思想。n設(shè)計方法的作用是從思維的高度引導設(shè)計師實現(xiàn)“人與物、人與環(huán)境”關(guān)系的辨證理論基礎(chǔ)。 5/71設(shè)計方法學的起源n最早涉及設(shè)計方法研究的學者應該提到德國的F.Reuleaux，他在1875年理論運動學一書中第一次提出“進程規(guī)劃”的模型，即對很多機械技術(shù)現(xiàn)象中本質(zhì)統(tǒng)一的東西進行抽象，并在此基礎(chǔ)上形成一套綜合的理論的探討，因此有人稱他為設(shè)計方法學的奠基人。n作為一門科學是社會化生產(chǎn)的產(chǎn)物 6/71設(shè)計方法學的發(fā)展20世紀60年代，由于各國經(jīng)濟的高速發(fā)展，并導致競爭的加劇，西方一些主要工業(yè)國家往往采取加強產(chǎn)品設(shè)計，同時開展設(shè)計方法學理論研究，使

3、得設(shè)計學研究在這一時期取得了快速進展；德國的設(shè)計較側(cè)重設(shè)計的程序、步驟和規(guī)律，并進行系統(tǒng)德國的設(shè)計較側(cè)重設(shè)計的程序、步驟和規(guī)律，并進行系統(tǒng)化的邏輯分析研究；化的邏輯分析研究；英、美則側(cè)重分析創(chuàng)造性開發(fā)和計算機的應用；英、美則側(cè)重分析創(chuàng)造性開發(fā)和計算機的應用；日本則利用國內(nèi)電子領(lǐng)域的優(yōu)勢，在價值工程學上作了很日本則利用國內(nèi)電子領(lǐng)域的優(yōu)勢，在價值工程學上作了很多研究工作。多研究工作。中國？中國？7/71設(shè)計方法論的概念 n關(guān)于設(shè)計方法學，不同的國家和不同的學者在具體的觀點上是有差別的。目前比較完整和有一定代表性的是瑞士V.Hubka博士提出的一些觀念，他認為：“設(shè)計方法學是研究解決設(shè)計問題的進程的

4、一般理論，包括設(shè)計方法學是研究解決設(shè)計問題的進程的一般理論，包括一般設(shè)計戰(zhàn)略一般設(shè)計戰(zhàn)略及用于設(shè)計工作各個具體部分的及用于設(shè)計工作各個具體部分的戰(zhàn)術(shù)方法戰(zhàn)術(shù)方法”8/71研究對象n設(shè)計方法具體的研究對象應是在深入研究設(shè)計進程本質(zhì)的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)的觀點規(guī)劃設(shè)計的一般進程，并安排和解決設(shè)計問題的方法和科學。具體包括：設(shè)計對象設(shè)計對象設(shè)計進程設(shè)計進程現(xiàn)代設(shè)計理論和方法的作用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法的作用設(shè)計評價設(shè)計評價設(shè)計工具設(shè)計工具9/71方法論在設(shè)計實踐中的體現(xiàn)與作用n方法論在設(shè)計實踐中的具體體現(xiàn)主要是系統(tǒng)論主導的思維方法問題n在現(xiàn)代設(shè)計早已成為了一門科學的背景下，我們不能總習慣于靠經(jīng)驗設(shè)計這一手工藝

5、時代的觀念來行事，要靠理論，靠思維方法；n思維方法不光只有指導技巧的作用，而是對各種設(shè)計信息、各類技術(shù)數(shù)據(jù)、各種計劃模式進行分析、優(yōu)化和影響。10/71嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中采用方法論的理由n確保我們所做的每一件事情都是必須要做的，不做無用功。n可以積累成功的設(shè)計經(jīng)驗，逐步實現(xiàn)設(shè)計自動化。n開發(fā)團隊遵循一套方法論，提高開發(fā)效率。11/71 主要內(nèi)容n設(shè)計方法論設(shè)計方法論n嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程n嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計n嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計12/71嵌入式系統(tǒng)設(shè)計要素 n設(shè)計過程的目標至少必須符合三個要素上市時間上市時間設(shè)計成本設(shè)計成本質(zhì)量質(zhì)

6、量13/71嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程問題問題：功 能 、 性能 要 求 、價 格 、 開發(fā) 周 期 等約束設(shè)計：設(shè)計： 選擇 折衷 分析比較 計算 評價產(chǎn)品產(chǎn)品方法方法工具工具14/71自底向上設(shè)計自頂向下設(shè)計設(shè)計過程的主要步驟需求規(guī)格說明體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計系統(tǒng)集成15/71需求分析n作用使用戶和設(shè)計者有效交流、溝通，明確設(shè)計目標使用戶和設(shè)計者有效交流、溝通，明確設(shè)計目標用戶用戶 需要什么？有哪些要求？需要什么？有哪些要求？設(shè)計者設(shè)計者 我能做嗎？我能做成什么樣。我能做嗎？我能做成什么樣。n目標形成需求文檔形成需求文檔n內(nèi)容功能性需求功能性需求 必須做什么？必須做什么？輸入，輸出，功能輸入，輸出，功

7、能 非功能性需求非功能性需求 其他屬性其他屬性可靠性，速度，功耗，可靠性，速度，功耗，成本，大小，重量，設(shè)計時間，成本，大小，重量，設(shè)計時間， 16/71評價標準n準確性精確性精確性正確性（無二義性）正確性（無二義性）n完整性n可檢驗性n一致性n可修改性n可追蹤性17/71需求分析的描述n自然語言需求說明書需求說明書需求分析表需求分析表n形式化描述采用采用UMLUML用例圖描述用例圖描述需求管理工具需求管理工具DOORS DOORS 18/71UML (Unified Modeling Language)n是標準的建模語言，而不是一個標準的開發(fā)流程。n是用來對軟件密集系統(tǒng)進行描述、構(gòu)造、視化和

8、文檔編制的一種語言。nUML是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語言。它溶入了軟件工程領(lǐng)域的新思想、新方法和新技術(shù)。n它的作用域不限于支持面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計，還支持從需求分析開始的軟件開發(fā)的全過程。n用于復雜實時嵌入式應用軟件從分析、設(shè)計一直到代碼實現(xiàn)和軟件測試的開發(fā)過程19/71采用 UML 進行設(shè)計具有以下優(yōu)勢n不同背景的開發(fā)人員和設(shè)計師可以互相交流；n可視化描述比較直觀；n簡單易學、易用；n是行業(yè)標準，被絕大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認同；n有 利 于 保 存 系 統(tǒng) 設(shè) 計 的 精 髓 以 供 下 次 開 發(fā) 使 用（而不僅僅是一堆電路圖和代碼）；n有利于項目的回溯、測試。20/71

9、UML的應用目標nUML的目標是以面向?qū)ο髨D的方式來描述任何類型的系統(tǒng)，具有很寬的應用領(lǐng)域。n最常用的是建立軟件系統(tǒng)的模型，它同樣可以用于描述非軟件領(lǐng)域的系統(tǒng)，如機械系統(tǒng)、企業(yè)機構(gòu)或業(yè)務過程，以及處理復雜數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)、具有實時要求的工業(yè)系統(tǒng)或工業(yè)過程等。nUML可以對任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為的系統(tǒng)進行建模。 nNASA的火星探路者航天器就是運用Rhapsody在VxWorks上開發(fā)應用程序。21/71標準建模語言UML的內(nèi)容可以由下列五類圖(共9種圖形)來定義: n用例圖(Use Case )n靜態(tài)圖(Static) = 類圖(Class) + 對象圖(Object)n行為圖(Behavi

10、or) = 狀態(tài)圖(State) + 活動圖(Activity) 幻燈片 72n交互圖(Interactive) = 順序圖(Sequence) + 合作圖(Collaboration）幻燈片 73n實現(xiàn)圖(Implementation ) = 構(gòu)件圖(Component) + 配置圖(Deployment)幻燈片幻燈片 7422/71DOORSn由Telelogic 公司負責產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣 n是一種先進的需求管理工具。n是一種跨平臺的、企業(yè)級的需求管理工具，用于捕獲、連接、跟蹤、分析和管理各類信息，以確保項目符合所描述需求和標準。 n為滿足業(yè)務需要的溝通提供了手段，使不同功能小組可以協(xié)同

11、開發(fā)項目，使用戶可以檢驗所構(gòu)建系統(tǒng)是否正確及是否是以合適的方式構(gòu)建的。 23/71例：GPS移動地圖的需求名稱GPS地圖目的為開車者提供用戶級移動地圖輸入一個電源按鈕，兩個控制按鈕輸出背光LCD，顯示分辨率400600功能使用5種接收器的GPS系統(tǒng)；三種用戶可選的分辨率，總是顯示當前的經(jīng)緯度性能0.25秒內(nèi)即可更新一次屏幕生產(chǎn)成本800元功耗100mW物理尺寸及重量不大于10cm20cm，350g24/71實際例子：指令測試儀需求（摘錄）n應具備對最少80個指令通道的并行采集指令電壓：指令電壓：252533V33V可調(diào)；可調(diào)；導通壓降：測量精度導通壓降：測量精度 5mV5mV；脈沖寬度：測量精

12、度脈沖寬度：測量精度 1 1s s；上升沿、下降沿：測量精度上升沿、下降沿：測量精度 1ns1nsn測量數(shù)據(jù)（波形）能實時顯示n符合LXI C類接口標準n外形尺寸：標準3U機箱n指令電壓程控可調(diào)n指令電阻可調(diào)合不合理？能不能做？25/71實際例子：指令測試儀需求（摘錄）n應具備對最少80個指令通道的并行采集指令電壓：指令電壓：252533V33V可調(diào)；可調(diào)；導通壓降：測量精度導通壓降：測量精度 5mV5mV；脈沖寬度：測量精度脈沖寬度：測量精度 1 1s s；上升沿、下降沿：測量精度上升沿、下降沿：測量精度 1ns1nsn測量數(shù)據(jù)（波形）能實時顯示n符合LXI C類接口標準n外形尺寸：標準3U

13、機箱n指令電壓程控可調(diào)n指令電阻可調(diào)矛盾1矛盾2矛盾326/71 規(guī)格說明n規(guī)格說明與需求的比較對需求的細化對需求的細化是可用來創(chuàng)建體系結(jié)構(gòu)的關(guān)于系統(tǒng)的更詳盡、更精確、是可用來創(chuàng)建體系結(jié)構(gòu)的關(guān)于系統(tǒng)的更詳盡、更精確、更一致的描述更一致的描述n目標形成規(guī)格說明書形成規(guī)格說明書n內(nèi)容包含系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的足夠信息包含系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的足夠信息27/71規(guī)格說明書的描述n自然語言（不直觀）n形式化描述UMLRSML(requirements state machine language) SDL(Specification and Description Language)28/71狀態(tài)輸入輸出任務

14、決策存儲SDL語言符號及實例聽到蜂音聽到蜂音撥打電話撥打電話接通接通撥號碼撥號碼按撥按撥號鍵號鍵接聽電話接聽電話按取按取消鍵消鍵放棄通話放棄通話結(jié)束通話結(jié)束通話29/71系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計n系統(tǒng)如何實現(xiàn)設(shè)計說明書描述的功能n是一種對于整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計劃，說明利用哪些組件來構(gòu)建系統(tǒng)n軟件/硬件劃分嵌入式系統(tǒng)中軟件和硬件協(xié)同完成系統(tǒng)的功能嵌入式系統(tǒng)中軟件和硬件協(xié)同完成系統(tǒng)的功能軟件硬件劃分通常由速度、靈活性以及開銷來決策軟件硬件劃分通常由速度、靈活性以及開銷來決策30/71系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計n作用實現(xiàn)系統(tǒng)的藍圖，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的一個計劃實現(xiàn)系統(tǒng)的藍圖，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的一個計劃n目標形成結(jié)構(gòu)設(shè)計文檔形成結(jié)構(gòu)設(shè)計文檔

15、n內(nèi)容系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)軟硬件整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計系統(tǒng)軟硬件整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計軟硬件劃分軟硬件劃分標準構(gòu)件和自行設(shè)計構(gòu)件的確定標準構(gòu)件和自行設(shè)計構(gòu)件的確定31/71 評價標準n有彈性n簡單n可實現(xiàn)n層次清晰n功能分布平衡n平衡技術(shù)和經(jīng)濟約束n滿足功能需求和非功能需求n可重用32/71系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述n非形式化方式自然語言自然語言結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖n形式化方法UML建模建模33/71實例：處理器地址空間擴展4510B（ARM7）地址空間nM模塊I/O地址空間：64bytesnMA模塊增加了16Mbytes Memory地址空間34/71結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程及方法n結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法 以算法為中心n從輸入、輸出入手，根

16、據(jù)操作和數(shù)據(jù)流，形成比較粗的系統(tǒng)大框架；n然后逐步細化框架內(nèi)的每個部分，進一步確定內(nèi)部模塊的及模塊之間的關(guān)系n設(shè)計過程應該是逐步細化和逐步完善的過程35/71結(jié)構(gòu)設(shè)計的驗證n結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性非常關(guān)鍵詳細設(shè)計和實現(xiàn)的基礎(chǔ)，對開發(fā)周期、成本有很大影響詳細設(shè)計和實現(xiàn)的基礎(chǔ)，對開發(fā)周期、成本有很大影響n驗證所關(guān)心的問題結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足功能、性能要求結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足功能、性能要求能否實現(xiàn)能否實現(xiàn)n驗證方法仿真仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)其他方法其他方法如基于開發(fā)板的原型系統(tǒng)如基于開發(fā)板的原型系統(tǒng)36/71實例：PCM模擬器n2路PCM碼流輸出，輸入的2路PCM與輸出PCM是共用的

17、，即PCM模擬器總共有2路PCM接口。nP_RS485是PCM模擬器向調(diào)度計算機發(fā)送數(shù)據(jù)的RS-485通路。nPCM模擬器通過G_RS485接收調(diào)度計算機注入的數(shù)據(jù)；nPCM模擬器根據(jù)注入的數(shù)據(jù)進行工作模式選擇，可選擇為測控工作模式或者中心計算機工作模式，缺省工作模式為測控模式。nPCM模擬器工作在測控模式時，將注入的數(shù)據(jù)通過PCM碼流輸出，碼型為NRZ-L，同時將接收的TM數(shù)據(jù)通過P_RS485發(fā)送給調(diào)度計算機。nPCM模擬器如果工作在中心計算機模式將注入的數(shù)據(jù)通過PCM碼流輸出，碼型為NRZ-M，同時將接收的TC數(shù)據(jù)通過P_RS485發(fā)送給調(diào)度計算機。37/7138/7139/7140/7

18、1系統(tǒng)引入錯誤和修改錯誤開銷分布引入錯誤數(shù)目修改錯誤開銷開發(fā)周期系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟硬件詳細設(shè)計軟硬件實現(xiàn)41/71嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者要求n 懂得系統(tǒng)的整個構(gòu)架n 詳細了解硬件的細節(jié)n 軟件設(shè)計滿足 實時要求實時要求 低功耗低功耗 代碼量小代碼量小n 詳細了解領(lǐng)域知識n42/71UML示例：車載GPS終端系統(tǒng)43/71n用例圖分角色和用例兩部分。n角色是與系統(tǒng)交互的人或物，而用例是系統(tǒng)提供的功能塊。n使用用例觀察系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)實現(xiàn)與系統(tǒng)目標分開，有助于開發(fā)人員了解最重要的部分，滿足用戶需求，而不會沉浸于實現(xiàn)細節(jié)UML示例：需求分析用例圖44/71ULM示例：規(guī)格說明類圖n規(guī)格說明比需求分析更詳細，通過

19、UML設(shè)計可以使規(guī)格說明更直觀、更清晰。n首先，使用類圖描述系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如在車載GPS終端的規(guī)格說明設(shè)計時可以使用類圖描述需要接收的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。45/71UML示例：規(guī)格說明合作圖n在規(guī)格說明階段 ，還需要識別出系統(tǒng)的對象。首先以功能塊劃分，廣泛地找出系統(tǒng)的主要對象；然后使用合作圖描述它們之間的關(guān)系。n圖中描述了車載GPS終端的主要對象，根據(jù)框圖可以進行進一步的細化46/71UML示例：規(guī)格說明活動圖最后，在規(guī)格說明階段進行系統(tǒng)的業(yè)務描述。即規(guī)范系統(tǒng)完成一定功能的主要流程。這可以利用活動圖進行。圖中顯示了GPS數(shù)據(jù)到達時，車載GPS終端系統(tǒng)所進行的處理流程。47/71UML示例：

20、系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)件圖n規(guī)格說明完成后，需要對系統(tǒng)的各個模塊及模塊之間的關(guān)系仔細地分析，從而確定哪些部分使用硬件完成，哪些部分使用軟件實現(xiàn)。在本例中，需要硬件實現(xiàn)的模塊有GPS接收模塊、電源模塊、用戶控制模塊、LCD顯示模塊和GSM通訊模塊。所有的控制邏輯和數(shù)據(jù)計算全部由主控制器的軟件實現(xiàn)。n系統(tǒng)設(shè)計分為兩個分支：硬件設(shè)計及軟件設(shè)計。使用的合作圖和構(gòu)件圖對系統(tǒng)的硬、軟件分別進行系統(tǒng)設(shè)計。圖中用構(gòu)件圖描述了車載GPS終端系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)48/71UML示例：構(gòu)件設(shè)計狀態(tài)圖n接下來對每一個系統(tǒng)構(gòu)件進行詳細的設(shè)計。對于某些大型工程，甚至需要把每一個構(gòu)件作為一個項目，重新以需求分析、規(guī)格說明開始展開構(gòu)件設(shè)計

21、循環(huán)。在構(gòu)件設(shè)計中，除了可以使用已經(jīng)介紹過的各種UML圖外，通常還需要使用狀態(tài)圖和順序圖圖描述具體的系統(tǒng)流程細節(jié)。n在本例中GSM模塊共有四個狀態(tài)：待命、有問題、通話中、短消息通訊中。使用狀態(tài)圖描述它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖所示。49/71UML示例：構(gòu)件設(shè)計順序圖順序圖顯示了一個特定對象進行特定操作時所遇到的流程。圖中顯示了車載終端用戶甲在遇到危險按下報警按鈕后系統(tǒng)的處理過程。50/71UML示例：集成測試n在集成測試時，可以聯(lián)合使用所有的 UML圖認真分析每個構(gòu)件的原理，針對每一個系統(tǒng)功能、每一個可能發(fā)生錯誤的過程寫出相應的測試程序，進行完整而可靠的程序測試。51/71 主要內(nèi)容n設(shè)計方法論

22、設(shè)計方法論n嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程n嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計n嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計52/71 軟硬件協(xié)同設(shè)計53/71軟硬件協(xié)同設(shè)計發(fā)展條件n大規(guī)模可編程邏輯器件的成熟應用n先進的設(shè)計方法在設(shè)計軟件上的應用n以最短的開發(fā)時間、最低的成本來達到最佳的系統(tǒng)設(shè)計成果。n計算機技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)的進步54/71傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計模型SystemSystemConceptsConceptsSys/HWSys/HWRequire.Require.AnalysisAnalysisSys/SWSys/SWRequire.Require.AnalysisA

23、nalysisOperation.Operation.Testing and Testing and Eval.Eval.SoftwareSoftwareRequire.Require.AnalysisAnalysisPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignCoding,Coding,Unit test.,Unit test.,Integ. testInteg. testSW DevelopmentSW DevelopmentHWCIHWCITestingTestingCSCICSCITestingTestingSystemS

24、ystemInteg. and Integ. and testtestHardwareHardwareRequire.Require.AnalysisAnalysisPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignFabric.Fabric.HW DevelopmentHW Development55/71軟硬件設(shè)計過程發(fā)展方向協(xié)同設(shè)計Sys/HWSys/HWRequire.Require.AnalysisAnalysisSys/SWSys/SWRequire.Require.AnalysisAnalysisHardwareHardw

25、areRequire.Require.AnalysisAnalysisSoftwareSoftwareRequire.Require.AnalysisAnalysisOperation.Operation.Testing and Testing and EvaluationEvaluationSW DevelopmentSW DevelopmentHW DevelopmentHW DevelopmentSystemSystemInteg. and Integ. and testtestHWCIHWCITestingTestingCSCICSCITestingTestingIntegrated

26、Modeling SubstrateIntegrated Modeling Substrate（一體化建模底層）（一體化建模底層）Prelim.Prelim.DesignDesignPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignDetailedDetailedDesignDesignFabric.Fabric.Coding,Coding,Unit test.,Unit test.,Integ. testInteg. testSystemConcepts56/71示例：傳統(tǒng)設(shè)計的MPEG影音解碼設(shè)備CONTROLLERVLDIDCTP

27、IPEMCPIPEHOSTINTERFACEREGFILEARITHMETICUNITBIT STREAMPRE-PROCESSCHANNEL &PICTURESTOREDISPLAYUNITdecodedpel outbit streamcmd ordataMerge&store在這種設(shè)計模式下，設(shè)計者將所有的工作交予硬件控制的方式來完成，這種設(shè)計的好處在于所有的設(shè)計工作都可按照傳統(tǒng)的設(shè)計流程來進行57/71示例：經(jīng)軟硬件分割設(shè)計的MPEG影音解碼設(shè)備RISCCPUAudio/VideoCoreBus InterfaceUnitMemoryI/O Device在這種設(shè)計方式下，結(jié)合了處理器上

28、執(zhí)行軟件程序以及硬件譯碼組件來完成。帶來的好處是： 整個產(chǎn)品的設(shè)計變得更有可伸縮性，通過修改軟件程序的內(nèi)容便可增加系統(tǒng)的功能，甚至在整個硬件規(guī)格都已確定后，仍可通過軟件的更新來做某些程度的修正。 中央處理器可以用來分擔較不耗資源的運算工作1. 利用處理器來分配調(diào)度，可提高各硬件的使用率以及減少原需硬件的面積，以達到降低成本的目的58/71軟硬件協(xié)同設(shè)計的基本需求n統(tǒng)一的軟硬件描述方式軟硬件支持統(tǒng)一的設(shè)計和分析工具（技術(shù)）軟硬件支持統(tǒng)一的設(shè)計和分析工具（技術(shù)）允許在一個集成環(huán)境中仿真（評估）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計允許在一個集成環(huán)境中仿真（評估）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計支持系統(tǒng)任務在軟件和硬件設(shè)計之間的相互移植支持

29、系統(tǒng)任務在軟件和硬件設(shè)計之間的相互移植n交互式軟硬件劃分技術(shù)允許多個不同的軟硬件劃分設(shè)計進行仿真和比較允許多個不同的軟硬件劃分設(shè)計進行仿真和比較輔助最優(yōu)系統(tǒng)實現(xiàn)方式?jīng)Q策輔助最優(yōu)系統(tǒng)實現(xiàn)方式?jīng)Q策將軟硬件劃分應用到模塊設(shè)計，以便最佳地實現(xiàn)系統(tǒng)的將軟硬件劃分應用到模塊設(shè)計，以便最佳地實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計指標。設(shè)計指標。59/71軟硬件協(xié)同設(shè)計的基本需求 (續(xù))n完整的軟硬件模型基礎(chǔ)支持在設(shè)計過程中的幾個階段的綜合評價支持在設(shè)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)和集成支持軟硬件逐步的開發(fā)和集成n正確的驗證方法確保系統(tǒng)設(shè)計達到的目標要求確保系統(tǒng)設(shè)計達到的目標要求60/71軟硬件協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢n在設(shè)

30、計初始階段就可進行軟硬件交互設(shè)計和調(diào)整連續(xù)的驗證過程貫穿整個設(shè)計周期連續(xù)的驗證過程貫穿整個設(shè)計周期軟、硬件分開的開發(fā)路線，導致代價昂貴的糾錯成本和軟、硬件分開的開發(fā)路線，導致代價昂貴的糾錯成本和開發(fā)進度的下降開發(fā)進度的下降n關(guān)鍵技術(shù)（如可編程邏輯綜合技術(shù)、器件接口和功能模型描述）的進步使得軟硬件交互設(shè)計變得簡單起來61/71軟硬件的劃分n嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計涉及硬件與軟件部件，設(shè)計中必須決定什么功能由硬件實現(xiàn)，什么功能由軟件實現(xiàn)。硬件和軟件具有雙重性硬件和軟件具有雙重性軟硬件變動對系統(tǒng)的決策造成影響軟硬件變動對系統(tǒng)的決策造成影響劃分和選擇需要考慮多種因素劃分和選擇需要考慮多種因素硬件和軟件的雙重性

31、是劃分決策的前提硬件和軟件的雙重性是劃分決策的前提62/71通常由軟件實現(xiàn)的部分n操作系統(tǒng)功能任務調(diào)度任務調(diào)度資源管理資源管理設(shè)備驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動n協(xié)議棧TCP/IPn應用軟件框架n除基本系統(tǒng)、物理接口、基本邏輯電路，許多由硬件實現(xiàn)的功能都可以由軟件實現(xiàn)。63/71雙重性部分n算法加密解密加密解密編碼解碼編碼解碼壓縮解壓壓縮解壓n數(shù)學運算浮點運算，浮點運算，F(xiàn)FTFFT，64/71標準構(gòu)件和自行設(shè)計構(gòu)件 n構(gòu)件的實現(xiàn)選擇標準選擇標準自行設(shè)計自行設(shè)計n標準構(gòu)件 ？現(xiàn)成構(gòu)件已經(jīng)產(chǎn)品化已經(jīng)產(chǎn)品化形成規(guī)模生產(chǎn)形成規(guī)模生產(chǎn)n標準構(gòu)件 + 自行設(shè)計構(gòu)件 用戶系統(tǒng)n構(gòu)件包括了硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件n構(gòu)件本身可以是層

32、次性的，可以由子構(gòu)件組成65/71標準硬構(gòu)件nIC：集成電路nPCB：印刷電路板nIP：Intellectual Property標準 IC CPU, DSP RAM, ROM, 接口控制器接口控制器ASIC標準 IP CPU核核標準模塊GPRS模塊模塊,GSM模塊模塊,藍牙模塊藍牙模塊顯示模塊顯示模塊標準計算平臺基于基于PC104的嵌入式計算機的嵌入式計算機基于基于Compact PCI的嵌入式計算機的嵌入式計算機SOC 66/71標準軟構(gòu)件nOS / RTOSn協(xié)議棧TCP/IPTCP/IP路由協(xié)議路由協(xié)議H.323H.323n圖形開發(fā)包VxWorks的的ZINKn驅(qū)動程序67/71自研硬

33、構(gòu)件n內(nèi)容邏輯電路，專用加速器n實現(xiàn)方式PCBIC：PLD FPGA ASICnEDA設(shè)計工具板級 原理圖設(shè)計工具原理圖設(shè)計工具PCB設(shè)計工具設(shè)計工具IC硬件描述語言：硬件描述語言：VHDL，Verilog原理圖描述工具原理圖描述工具綜合仿真工具綜合仿真工具布線器布線器68/71自研軟構(gòu)件nBSPn驅(qū)動程序n應用程序n69/71 軟硬件技術(shù)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n硬軟件設(shè)計的趨勢融合、滲透硬件設(shè)計的軟件化VHDL，VerilogHDLHANDL-C軟件實現(xiàn)的硬件化各種算法的各種算法的ASICn對系統(tǒng)設(shè)計的影響協(xié)同設(shè)計增加靈活性提高設(shè)計效率降低了成本70/71 主要內(nèi)容n設(shè)計方法論設(shè)計方法論n嵌入式系

34、統(tǒng)的設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程n嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計n嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計71/71嵌入式系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計n節(jié)能計算成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)軟件重點考慮的基本方面：n節(jié)能計算包括：硬件體系結(jié)構(gòu)支持硬件體系結(jié)構(gòu)支持在小巧外形尺寸下，如何實現(xiàn)所需電源性能的工藝和技術(shù)在小巧外形尺寸下，如何實現(xiàn)所需電源性能的工藝和技術(shù)熱管理、降噪、電池管理和功能整合熱管理、降噪、電池管理和功能整合軟件支持軟件支持節(jié)能編譯節(jié)能編譯操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)節(jié)能策略節(jié)能策略72/71現(xiàn)狀n電源管理策略n面向PC、筆記本電腦、服務器、通信設(shè)備的服務器APM：高級電源管理方案：高級電源管理方

35、案 ACPI：高級配置和電源接口：高級配置和電源接口 n根據(jù)嵌入式系統(tǒng)模型定制節(jié)能技術(shù)非常缺乏，甚至在某些方面是空白 73/71傳統(tǒng)手持設(shè)備管理策略n處理器時鐘變慢n操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)入待機、睡眠狀態(tài)n動態(tài)電源管理 （DPM）調(diào)整內(nèi)核電壓和頻率調(diào)整內(nèi)核電壓和頻率 高性能存儲器高性能存儲器彩色顯示器彩色顯示器無線接口無線接口 n固化為通用電源管理IC 74/71軟件節(jié)能策略n預測設(shè)備的未來使用狀況或者使用率 n“time-out”策略預測特定的時間長度 75/71能耗測試n測試出每條指令的能耗，估計測試程序運行完的總能耗n測試出每個函數(shù)的能耗，然后利用這些函數(shù)作為標準去估計其他函數(shù)運行的能耗76/71節(jié)

36、能操作系統(tǒng)n目的保證操作系統(tǒng)實時性的前提下，完成能耗計算保證操作系統(tǒng)實時性的前提下，完成能耗計算調(diào)度算法的節(jié)能優(yōu)化調(diào)度算法的節(jié)能優(yōu)化中斷處理優(yōu)化中斷處理優(yōu)化低功耗文件系統(tǒng)低功耗文件系統(tǒng)nCPU 電壓和頻率調(diào)節(jié)會給實時性能帶來了嚴峻挑戰(zhàn)可能造成不穩(wěn)定可能造成不穩(wěn)定“重新鎖定重新鎖定”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）的等待時間（有時是毫秒級別）鎖定期間鎖定期間 CPU CPU 既不能執(zhí)行計算操作，又不能響應外部事件（中斷）既不能執(zhí)行計算操作，又不能響應外部事件（中斷） n通過動態(tài)的調(diào)節(jié)CPU的內(nèi)核頻率與內(nèi)核電壓

37、，以及動態(tài)的關(guān)閉系統(tǒng)的某些設(shè)備和調(diào)整某些設(shè)備的狀態(tài) 77/71外設(shè)驅(qū)動n針對不同功能部件的能耗，進行合理的功耗優(yōu)化n從電池開始，嚴格和精確地電量測量n根據(jù)外設(shè)特征研究不同的電源管理策略下的驅(qū)動n現(xiàn)有情況硬件產(chǎn)品有幾種狀態(tài)定義硬件產(chǎn)品有幾種狀態(tài)定義狀態(tài)提供不同的服務質(zhì)量和消耗的能量狀態(tài)提供不同的服務質(zhì)量和消耗的能量 提供各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換接口提供各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換接口 n算法目標實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的節(jié)能策略實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的節(jié)能策略 減少待機能耗減少待機能耗人工智能技術(shù)的應用人工智能技術(shù)的應用通過軟件來動態(tài)的預測和控制某些部件的開關(guān)通過軟件來動態(tài)的預測和控制某些部件的開關(guān)78/71節(jié)能編譯n對每條指令的能耗進行測試n對函數(shù)編譯結(jié)果的能耗進行估計n錯誤處理代碼的能耗設(shè)計n基于ICE進行函數(shù)執(zhí)行代碼統(tǒng)計79/71后面沒有了！2022-1-1080/71用例圖用例圖：主要從用戶的角度描述系統(tǒng)的功能，通常用于與系統(tǒng)客戶交流，提取用戶的需求。靜態(tài)圖靜態(tài)圖(Static diagram)：包括類圖類圖和對象圖對象圖。類圖類圖描述系統(tǒng)中類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。在類圖中可以體現(xiàn)類的主要內(nèi)容和功能、類之間的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。對象圖對象圖是類圖的實例,幾乎使用與類圖完全相同的標識。他們的不同點在于對象圖顯示類的多個對象實例，