(3)软硬件协同设计技术资料
无线传感器网络节点芯片的软／硬件协同低功耗设计技术
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｆｔ ｅ ｓ ｆｗａ ｅ ａ ｄ ｈ ｒ ｗａ ｅ ｄ ｓ ｎ ａ ｃ ｉｅ ｔ ｒ ｏ Ｓ ｎ ｄ ＯＣ ，ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｓ ｒｃ ｓ ｄ ｏ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈ ｏ ｔ ｒ ｎ ａ ｄ ｒ ｅ ｉ ｒ ｈ ｔ ｃ ｕ ｅ ｆ ｒ Ｗ Ｎ ｏ ｅ Ｓ ｇ ｈ ｓ ａ ｅ
ｏ ｐ ｗ ｅ ｏ ｓ ａ ｅ ｍ ｐｌｍ ｅｎ ｅ ｆ ｅｄ ｉ ｎｎｅ ｅ ｓ ｙ ｐｏ ｅ ｏｎｓ ｍ ｐｔｏｎ ｃ ｏ ｄ ｎｇ ｔ ｎａ ｉ ｒｍ ｄｅ ｒ ｉ ｅ ｔ ｄ ｏｒ ｒ ｕｃｎｇ ｕ ｃ ｓａｒ ｗ ｒ ｃ ｕ ｉ ａ ｃ ｒ ｉ ｏ ｄｙ ｍ ｃ ｐｏｗｅ ｍ ａ ａｇ ｍ ｅ ． ｒ ｎ ｅ ｎｔ
网络并根据不同电路模块选择不同的时钟频率 。这些研究 ， 将对后续的传感器节点芯片设计工作 ， 具有重要的意义。
关键 词 无 线 传感 器 网络
ＴＮ ７ ４
软 硬件 协 同设 计
动 态功 率 管 理
中 图分 类 号
Ｉ ｌｍｅ ｔｔ ｎｏ ｏ －ｏ ｒＳ Ｈ ｏＤｅｉｎ ｆ ｒＷ Ｓ ｄ ＯＣ ｍｐｅ ｎ ａｉ ｆＬ ｗ－ ｗｅ ／ Ｃ － ｓｇ ｏ Ｎ Ｎｏ ｅＳ ｏ Ｐ
总第 ２０期 ３
计 算 机 与 数 字 工 程
Ｃｏ ｕｅ ｍｐ ｔｒ＆ Ｄｉｉ ｌ ｇｎ ｅｉｇ ｇｔ ｉｅｒｎ ａ Ｅｎ
Ｖｏ ｜ ６ Ｎｏ １ ｌ３ ． ２
１ ６５
软硬件集成与应用系统设计
软硬件集成与应用系统设计一、软硬件集成1.概念：软硬件集成是指将软件和硬件结合在一起，形成一个协同工作的系统。
它涉及到计算机系统、通信系统、嵌入式系统等多个领域。
2.目的：通过软硬件集成，可以使系统具有更好的性能、更高的可靠性、更低的成本、更好的可扩展性等。
a)硬件描述语言（HDL）：如Verilog、VHDL等，用于描述数字电路和系统的结构和行为。
b)软件编程语言：如C、C++、Java等，用于编写计算机程序和应用软件。
c)中间件：如操作系统、数据库管理系统等，用于管理和协调硬件和软件资源。
二、应用系统设计1.概念：应用系统设计是指根据用户需求，设计出一个能够实现特定功能的计算机系统或应用软件。
a)需求分析：了解用户需求，明确系统的功能、性能、可靠性等要求。
b)系统设计：根据需求分析，设计系统的架构、模块、接口等。
c)详细设计：对每个模块进行详细设计，包括算法、数据结构、界面等。
d)编码实现：根据详细设计文档，编写代码实现系统功能。
e)测试与调试：对系统进行测试，发现并修复错误，保证系统正常运行。
f)部署与维护：将系统部署到用户环境中，进行运行维护和升级。
2.注意事项：a)用户需求要清晰明确，以便指导系统设计。
b)系统设计要合理，既要满足当前需求，又要考虑未来扩展。
c)详细设计要详尽，方便编码实现和测试。
d)编码实现要规范，提高代码质量和可维护性。
e)测试要全面，确保系统功能和性能满足要求。
f)部署与维护要到位，确保系统稳定运行。
三、软硬件协同设计1.概念：软硬件协同设计是指在系统设计过程中，软硬件设计人员协同工作，共同优化系统性能和资源利用率。
a)划分硬件和软件任务：根据系统需求，合理划分硬件和软件任务，充分发挥各自优势。
b)协同设计工具：使用协同设计工具，如模型仿真、综合布局等，进行软硬件协同设计。
c)迭代优化：在设计过程中，不断迭代优化软硬件，提高系统性能和资源利用率。
d)提高系统性能：通过软硬件协同设计，可以充分发挥硬件和软件的优势，提高系统性能。
基于事务级的SOC软硬件协同验证系统的设计与实现
先 申明一个 Ｓ Ｅ ＭＩａａ ｔｒ Ｃ — Ｐ ｒｍｅｅ 对象 ， 该
Ｓ Ｅ Ｍ Ｉ 几 个 类 之 间 的 关 系 如 图 对 象 从 Ｐ ｒｍｅｅ ｉ Ｃ— 的 ａａ ｔｒＦｌ ｅ文 件 中 读 取 与
一
３ 一 ６
电 子 世 界 ／０ １ ７ ２ １． ／ ０
务， 通过 Ｓ Ｅ ＭＩ Ｃ — 通道传送到软件侧。在 事务器 的设计 中，有一个位宽为 ６ ４的消 息输入端 Ｄ和一个位宽 为 ３ ２的消息输 出 端 口， 与一个时钟控 制端 口。消息输入端 口的高 ３ ２位 为地址 位 ，低 ３ ２位 为数据 位 ， 过事务器拆 分 ， 通 将具体 的配置信 息 传输 给 Ｄ Ｔ和测试环境 中的模块。消息 Ｕ 输 出端 口 负 责 将 Ｄ Ｔ 的 Ｆ Ｅ Ｅ — Ｕ Ｒ ＱＵ Ｎ
Ｃｌ ｓ Ｓ ａｓ ＣＥ—Ｍ Ｉ ｅ ｓ ｇ Ｄａ ａ Ｍ ｓ ａ ｅ ｔ
，用 于 将 用 户 的 设 计 与 Ｃｌｓ Ｓ —Ｍ ｌ ｅ ｓ ｇ ｌＰ ｒＰｒｘ ａ ｓ ＣＥ Ｍ ｓ ａ ｅｎ ｏｔ ｏ ｙ 而被提出的 ，并越 来越 受到业界 的关注。 层 的 软 件 侧 ） Ｃ — 接 并实现无 时序模 Ｃｌｓ Ｓ —Ｍ Ｉ ｓ ａ ｅ ｔ ＯｒＰＯ ｙ ａ ｓ ＣＥ Ｍｅ ｓ ｇ Ｏｕ Ｐ ｔ ｒｘ 基于事务级的 Ｓ ＯＣ软硬件协同验证系统 Ｓ Ｅ Ｍｌ 口连接起来 ， 块和有 时序模块 之间的连接。 设计层是 图 由于 Ｓ Ｅ ＭＩ 一 个标准 接 口， Ｃ— 是 软
件加速器 ， 并且在 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ与计算机之间建 Ｓ Ｅ ＭＩ Ｃ — 在系统中作 为一个标准接 口， 它 设计 对象和测试激励 ， 即图 １中的用户 Ｃ 立了软硬件 同步的基础上 ， 实现 了一种基 与 系统的连 接关系如 图 １ 示 ， 所 系统可以 测试代码和被测对象。
协同设计
同步协同设计 同步协同设计是一种紧密结合的协同工作，多个协作者在相同的时间 内，通过共享工作空间进行设计活动，并且任何一个协作者都可以迅 速地从其他协作者处得到反馈信息!
1 二维协同绘图与三维协同标注。
研究的三个方面
Kim 等人开发了一个基于的三维协同标注系统 CyberView ，该系统 采用浏览器 /服务器结构， CyberView 使多个用户能够通过 Web 对服务 器端的三维模型进行浏览和标注，从而间接地支持三维协同设计。 2 同步协同的三维建模。 同步协同的三维建模支持多个设计人员在共享工作空间中对产品的 三维模型进行设计、修改和观察，它是提高产品三维建模速度和质量的 新途径 3 三维CAD模型的网上快速传输。 在同步协同设计，特别是集中式同步协同建模中，三维CAD模型能 否通过网络快速传递给协作者对协同设计的同步效果起着决定性作用在 网格模型的快速传输方面人们己经开展了大量研究工作，提出了面片模 型的压缩传输、累进传输、流式传输等诸多方法
设计协同是pdm发展的必然趋势
制造业企业面临的竞争压力越来越大，个性化、多元化的消费需求使 得市场快速多变、不可捉摸。以前，一流产品的优势平均可以保持几 年，而现在普遍的情况是只能维持几个月甚至几周。由于业务本身的 发展速度比以前快得多，企业必须通过重新定义它们的产品开发流程， 才可能长期更快地生产出更优秀的产品，并保持其竞争优势。 另外，随着internet的普及和全球化程度的提高，企业之间的竞争 已经成为产品整个价值链的竞争。任何一个企业都不可能在所有业务 上成为最杰出者，必须联合行业中其他上下游企业，建立一条经济利 益相连、业务关系紧密的行业供应链实现优势互补，共同增强市场实 力。
INTRALINK 的主要功能
1）本地数据的集中管理； 2）从 INTRALINK 系统与设计环境（如PROE、Word 等等）的本地 连接；
SOC的软硬件协同设计方法和技术
SOC的软硬件协同设计方法和技术软硬件协同设计（Software and Hardware Co-design，SOC）是指在系统设计过程中，将软件和硬件的设计集成在一起，以实现更高效的系统性能和更低的成本。
它是一种综合技术，需要在设计的早期阶段就将软件和硬件进行整合，并在系统最终实现之前就对软硬件进行联合调试和验证。
下面将介绍SOC的软硬件协同设计方法和技术。
首先，SOC的软硬件协同设计需要进行系统级建模和分析。
软硬件协同设计的第一步是进行系统级建模，将整个系统的功能和架构进行抽象和描述。
可以使用系统级建模语言（System-Level Modeling Language，SLML）来描述系统的功能、接口、性能需求等。
通过系统级建模，可以将软件和硬件的设计统一在一个模型中，减少设计过程中的错误和复杂性。
其次，SOC的软硬件协同设计需要进行关键路径分析。
关键路径分析是指在设计过程中，找出对系统性能影响最大的软硬件部分，并进行重点优化。
可以使用高级综合工具（High-Level Synthesis，HLS）将软件代码自动转换为硬件电路，通过计算软件和硬件的执行时间和资源占用情况，找出系统的瓶颈部分，并对其进行优化。
此外，SOC的软硬件协同设计需要进行交互式调试和验证。
在软硬件设计集成之后，需要进行联合调试和验证，以确保整个系统功能正确并满足性能需求。
可以使用硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）和仿真工具对硬件电路进行验证，使用软件仿真工具对软件进行验证，并通过联合仿真工具对整个系统进行联合验证。
这样可以发现和解决软硬件集成过程中的错误和问题。
最后，SOC的软硬件协同设计还需要进行系统级优化。
系统级优化是指在整个设计的早期阶段，通过对软硬件的整体架构和算法进行优化，以提高系统的性能和降低成本。
可以使用系统级优化工具来实现对系统架构和算法的优化，比如使用图像、语音和视频算法的库等。
软硬件协同设计
基于底层硬件的软件设计，涉及了设备驱动程序的设计、嵌入式实时操作系统的定制/移植、基于底层硬件的软件体系架构等实用技术。
主要包括两个方面的内容：一是通用计算机在Windows、Linux和VxWorks等常见操作系统下的串/并/网络通信实现和USB、ISA、PCI 设备/板卡的驱动程序设计；二是嵌入式应用体系的直接基本软件架构与基于μC/OS、DSP/BIOS、WinCE/EXP、μCLinux及VxWorks等常见嵌入式实时操作系统下的基本软件架构及各类常见嵌入式软件体系下的UART、SPI、CAN、EMAC、ADC、DAC、存储器件等外设/接口的驱动软件设计。
书中还介绍了如何使用CPLD/FPGA/PAC等器件进行可编程数字/模拟逻辑软件的设计，进而实现所需的特定外设/接口及其连接与FPGASoPC软硬件协同的设计。
请参考《基于底层硬件的软件设计》软硬件协同设计一、软硬件协同设计的定义：软硬件协同设计是指对系统中的软硬件部分使用统一的描述和工具进行集成开发,可完成全系统的设计验证并跨越软硬件界面进行系统优化。
二、软硬件协同设计理论：首先是系统的描述方法。
目前广泛采用的硬件描述语言是否仍然有效？如何来定义一个系统级的软件功能描述或硬件功能描述？迄今为止，尚没有一个大家公认的且可以使用的系统功能描述语言可供设计者使用。
其次是这一全新的设计理论与已有的集成电路设计理论之间的接口。
可以预见，这种全新的设计理论应该是现有集成电路设计理论的完善，是建立在现有理论之上的一个更高层次的设计理论，它与现有理论一起组成了更为完善的理论体系。
在这种假设下，这种设计理论的输出就应该是现有理论的输入。
第三，这种全新的软硬件协同设计理论将如何确定最优性原则。
显然，沿用以往的最优性准则是不够的。
除了芯片设计师们已经熟知的速度、面积等硬件优化指标外，与软件相关的如代码长度、资源利用率、稳定性等指标也必须由设计者认真地加以考虑。
软硬件协同设计概念与思路
6
HW
SW
Codesign Definition and Key Concepts
Codesign
The
meeting of system-level objectives by exploiting the trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent design
ATM Virtual Private Network Digital Camera and JPEG
5
HW
SW
Introduction to Embedded Systems and Hardware-Software Codesign
Introduction
Unified HW/SW Representations
Codesign of ISAs
Application-specific
instruction set processors (ASIPs) Compiler and hardware optimization and trade-offs
Codesign of Reconfigurable Systems
Key concepts
Concurrent:
hardware and software developed at the same time on parallel paths Integrated: interaction between hardware and software developments to produce designs that meet performance criteria and functional specifications
软硬件协同设计与系统应用
软硬件协同设计与系统应用一、软硬件协同设计的基本概念1.定义：软硬件协同设计是一种系统级设计方法，它将硬件描述语言（HDL）和软件编程语言相结合，实现硬件和软件的协同设计、协同验证和协同优化。
2.目的：通过软硬件协同设计，可以提高系统的性能、降低成本、缩短开发周期，并实现硬件和软件的资源共享、功能复用。
3.特点：软硬件协同设计具有跨学科、系统化、并行化、迭代化的特点。
二、软硬件协同设计的方法与流程1.需求分析：根据系统功能和性能需求，明确硬件和软件的设计目标。
2.架构设计：划分硬件和软件的功能模块，确定模块间的接口关系。
3.硬件设计：采用硬件描述语言（如VHDL、Verilog等）编写硬件模块的代码，实现硬件功能。
4.软件设计：采用软件编程语言（如C、C++、Java等）编写软件模块的代码，实现软件功能。
5.协同仿真：利用硬件仿真器和软件开发环境，对硬件和软件进行协同仿真，验证系统功能和性能的正确性。
6.硬件验证：将设计好的硬件模块下载到硬件开发板上，进行实际硬件环境的验证。
7.系统集成：将经过验证的硬件和软件模块集成到一个系统中，进行整体性能测试。
8.优化与迭代：根据测试结果，对硬件和软件进行优化和改进，直至满足设计要求。
三、软硬件协同设计的应用领域1.嵌入式系统：如智能手机、智能家居、工业控制等。
2.数字信号处理：如音频、视频处理、通信系统等。
3.微处理器系统：如CPU、GPU等。
4.系统级芯片（SoC）：将多个功能模块集成在一个芯片上，实现高性能、低功耗的系统级应用。
5.可编程逻辑器件：如FPGA、ASIC等，通过硬件编程实现特定功能。
四、软硬件协同设计的关键技术1.硬件描述语言（HDL）：如VHDL、Verilog等，用于描述硬件结构和功能。
2.软件编程语言：如C、C++、Java等，用于编写软件模块。
3.硬件仿真器：用于对硬件设计进行仿真验证。
4.软件开发环境：如集成开发环境（IDE）、编译器、调试器等。
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System Integ. and test
Operation. Testing and Evaluation
CSCI Testing
[Franke91] 8
软硬件协同设计的基本需求
统一的软硬件描述方式 软硬件支持统一的设计和分析工具（技术） 允许在一个集成环境中仿真（评估）系统软硬件设 计 支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植
Integrated Modeling Substrate
HW Develoled
Prelim.
Design
Hardware
Design
Sys/HW Require.
Require. Analysis
Analysis
Integrated Modeling Substrate
交互式软硬件划分技术 允许多个不通的软硬件划分设计进行仿真和比较 辅助最优系统实现方式决策 Partitioning applied to modules to best meet design criteria (functionality and performance goals)
2020/11/4
“Hardware first” approach often compounds software cost because software must compensate for hardware inadequacies
2020/11/4
7
软硬件设计过程发展方向－－协同设计
System Concepts
Prelim. Design
Prelim. Design
SW Development
Detailed Design
Fabric.
HWCI Testing
System Integ. and
test
Operation. Testing and
Eval.
Detailed Design
Coding, Unit test., Integ. test
第三讲：软硬件协同设计技术
2020/11/4
张小波
1
软硬件协同设计定义与主要概念
软硬件协同设计定义
The meeting of system-level objectives by exploiting the trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent design
9
软硬件协同设计的基本需求 (cont.)
完整的软硬件模型基础
Supports evaluation at several stages of the design process
automated partitioning using various techniques, etc. 调度 Operation scheduling in hardware Instruction scheduling in compilers Process scheduling in operating systems 软硬件设计过程中的建模
Sys/SW Require. Analysis
Software Require. Analysis
Prelim. Design
SW Development
Detailed Design
Coding, Unit test., Integ. test
© IEEE 1991
2020/11/4
HWCI Testing
主要概念
Concurrent（并发）: hardware and software developed at the same time on parallel paths
Integrated（交互）: interaction between hardware and software developments to produce designs that meet performance criteria and functional specifications
2020/11/4
2
嵌入式系统快速原型设计过程
REUSE DESIGN LIBRARIES AND DATABASE
Primarily software
VIRTUAL PROTOTYPE
Primarily hardware
SYSTEM DEF.
FUNCTION DESIGN
HW & SW CODESIGN
因此: Poor quality designs（设计质量差） Costly modifications（设计修改难） Schedule slippages（研制周期不能有效保障）
2020/11/4
6
传统设计过程中的尖锐矛盾
随着设计复杂程度的提高，软硬件设计中的 一些错误将使开发过程付出昂贵的代价
HW & SW PART.
HW DESIGN
HW FAB
SW DESIGN
SW CODE
INTEG. & TEST
HW & SW Partitioning & Codesign
2020/11/4
3
嵌入式系统快速原型开发的基本要素
系统定义（需求分析） 软硬件划分
结构规划 – 处理器类型, 软硬件之间的接口类型, 等. 划分目的 – 满足系统速度,延迟, 体积,成本等方面的要求. 划分策略 - high level partitioning by hand,
2020/11/4
4
传统的嵌入式系统设计模型
HW Development
System Concepts
Sys/HW Require. Analysis
Sys/SW Require. Analysis
Hardware Require. Analysis
Software Require. Analysis
CSCI Testing
2020/11/4
5
传统的嵌入式系统设计过程
传统软硬件设计过程的基本特征: 系统在一开始就被划分为软件和硬件两大部分 软件和硬件独立进行开发设计 “Hardware first” approach often adopted
隐含的一些问题: 软硬件之间的交互受到很大限制 软硬件之间的相互性能影响很难评估 系统集成相对滞后，NRE较大