软硬件协同设计方法的研究

第２４卷第７期
Ｖｅｌ．２４ ＮＯ ７
计算机工程与设计
ＣＯＭＰＵＴＥＲ
ＥＮＧｎｑＥＥＲＩＮＧ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ
２００３年７月
Ｊｕｌ．２００３
文章编号：１０００－７０２４（２００３）０７—０００７－０３
中图分类号：ＴＰ３９１
７
文献标识码：Ａ
软硬件协同设计方法的研究
赵川，徐涛，孙晓光 （复旦大学计算机信息与技术系，上海２００４３３） 摘要：论述了嵌入式系统软硬件协同设计的一般方法，结合ＣＯＲＳＡＩＲ、ＣＯＯＬ和ＰＯＬＩＳ ３种有代表性的软硬 件协同设计系统，对系统描述．软硬件划分，软硬件协同综合等几个主要设计步骤进行了研究与分析，并提出 了新的思路和方法。 关键词：嵌入式系统；软硬件协同设计；ＵＭＬ；ｓｙｓｔｅｍＣ
ＣＯＲＳＡＩＲ的系统描述阶段是用ＳＤＬ（Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ａｎｄ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ
Ｌａｎｇｕａｇｅ）和ＰＭＳＣ（Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍｅｓｓａｇｅ
Ｃｈａｒｔ）两者相结合对系统进行建模。ＳＤＬ是
一种基于扩展的有限状态机语义的面向对象的系统 说明描述语言。ＣＯＲＳＡＩＲ用它来描述系统的行为功 能。而系统的性能需求则由ＰＭＳＣ来描述。两者相结 合就得到了称为ＳＤＬ＋的系统描述０１。ＣＯＯＬ使用ＶＨＤＬ 语言的一个子集作为系统的描述语言。在Ｐｏｌｉｓ中，设 计者使用某种具有扩展有限状态机语义的高级语言 （比如Ｅｓｔｅｒｅｌ、ＶＨＤＬ或者Ｖｅｆｉｌｏｇ的可综合的子集）进行 系统描述。这几个系统的计算模型基本上都是限定 在扩展的ＦＳＭ，而且应用领域或者是控制方面的或者 是数据计算领域的。对此，我们提出一种改进方案， 就是提供一个计算模型的库，在一个统一的架构里让 设计者来指定计算模型，给予设计者更多的自由。 当前，在嵌入式系统的设计中，使用ＵＭＬ（Ｕｎｉｆｉｅｄ
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｌａｎｇｕａｇｅ，统一建模语言）作为系统建模语言
是很有前景的发展方向，ＵＭＬ是一个功能强大的建模 语言。ＵＭＬ使用的是面向对象的思想。对象是一个 内聚的实体，它包含属性、行为、状态以及和别的对象 和环境之间的关系。相对于其它面向对象的方法来 说，类图是ＵＭＬ模型的核心，它主要是由类和类之间 的关系构成。对象是类的实例，类可以说是一组具有 相同属性、操作和关系的对象的集合。类之间的关系 有关联、聚集和继承３种。ＵＭＬ使用用例图来给系统 的功能建模，使用状态图来描述对象在其生命周期中 的动态行为。用例图的特殊实例使用顺序图和协作 图来建模。有了顺序图，ＵＭＬ就可以表达有序的时 间、相对的时间和绝对的时间，因此可以表达环境 （ｃｏｎｔｅｘｔ）时间需求；同时可以同时支持控制领域或数 据计算领域的应用，克服了其他描述语言的局限性。 为了支持ＵＭＬ在系统描述阶段表达一般性的时间需 求（环境无关的，在系统整个生命周期内的）…，我们提 出对ＵＭＬ进行扩展以支持它在时序图中表达一般时
并提出了一些新的思路，现在将它们总括起来就形成 了下面的工作流程如图１所示。
ＶＨＤＬ（对于硬件模块）和Байду номын сангаас（对于软件模块）。ＶＨＤＬ
描述由体系结构综合工具ＣＡＤＤＹ和ＲＴＬ级综合工具 进行综合；Ｃ代码部分由传统的编译器进行编译连 接。１。在ＣＯＯＬ中，协同综合主要包括两个步骤：通信 综合和描述细化。在通信综合步骤中，通过选择协议 和分配内存来确定通信机制。在描述细化步骤中，原 来的与实现无关的系统描述被转换成一组可综合的 硬件描述（对ＡＳＩＣ）和一组可编译的软件描述（对微处 理器），包含接口程序…。在Ｐｏｌｉｓ中，划分工作后进行 软件综合、硬件综合和接口综合。软件综合包括任务 综合和操作系统综合。任务综合就是要生成Ｃ代码， 并用编译器对其进行编译和优化。操作系统综合是 要生成一个特定应用的操作系统，包括调度程序和Ｉ／ Ｏ驱动程序，用作资源共享以及提供通信机制。在硬 件综合中，Ｐｏｌｌｓ先将硬件实现部分的系统描述转换成 一种抽象的硬件描述形式ＢＬＩＦ．ＭＶ，然后用逻辑综合 工具ＳＩＳ对其进行综合和优化。接口综合在ＰｏＵｓ中是 自动完成的，接口可以是硬件电路也可以是软件如“ Ｏ驱动程序０１。总地来看，上述几种系统协同综合阶段 的目的就是生成硬件的硬件描述语言进行综合和模 拟以及生成软件的Ｃ代码进行编译。 我们这里提出一种软硬件协同综合的方案。在 得到划分后的系统描述之后，使用ＳｙｓｔｅｍＣ语言来写
Ｉ引
言
硬件协同设计方法（系统）的基础上，我们提出了改进 方案，形成了一套新的、较完整的软硬件协同设计的 方法。这几个有代表性系统分别是ＣＯＲＳＡＩＲ、ＣＯＯＬ 和ＰＯＬＬＳ。ＣＯＲＳＡＩＲ（Ｃｏ－ｄｅｓｉｇｎａｎｄＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＳｙｓ－
ｔｅｍ ｆｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｗｉｔｈ Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ）是德国爱
ａｒｅ
ｏｆｃｏ－ｄｅｓｉｇｎ
ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
ｓｙｓｔｅｍ ｓｐｅ—
ｃｉｆｉｃａｆｉｏｎ，ｈａｒｄｗａｒｅ／ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏ－ｓｙｎｄｉｅｓｉｓ
ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｎｅｗ ｉｄｅａｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｈｅｒｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ；ｈａｒｄｗａｒｅ／ｓｏｆｔｗａｒｅ ＣＯ—ｄｅｓｉｇｎ；ＵＭＬ；ｓｙｓｔｅｍＣ
８
万 方数据
法作出一些改进，比如利用免疫的遗传算法，加快收 敛速度，提高解的质量。 在粒度方面：在划分时粒度的确定是一个很难的 问题，我们认为如果能够提供一种考虑了不同级别的 粒度的划分方法将会很好的解决这个问题。 在成本估算方法方面：我们提出将这几种系统的 特点结合起来，在使用估算算法的同时，使用综合（对 硬件）和编译（对软件）工具来计算成本。另外，使用 一个成本库咀支持重用并可以保存成本计算的结果。 在设计空间探索方面：利用软硬件协同模拟技 术。协同模拟可以验证一个划分方案是否工作正确 并且满足性能需求。可以提供快速的协同模拟方法 以在较短的时间内比较不同的划分方案。 ２．３软硬件协同综合 在软硬件划分后，实现划分过的系统这一设计阶 段叫做协同综合（ｃｏ．ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）。对于异构实现的系统 来说（比如ＡＳＩＣ／ＦＰＧＡ＋ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ），这一步骤主要的任 务就是将划分过的系统描述转换为可综合的硬件描 述和可编译的软件程序。 在ＣＯＲＳＡＩＲ中，划分后的ＳＤＬ＋描述被翻译成
兰根一纽伦堡大学计算机网络与通信系统系研究开发 的一个软硬件协同设计系统。ＣＯＯＬ（Ｈａｒｄｗａｒｅ／Ｓｏｆｔｗａｒｅ
Ｃｏ－ｄｅｓｉｇｎ Ｔ００１）是德国多特蒙德大学计算机科学系的
ＲａｌｆＮｉｅｍａｎｎ博士在９０年代中期设计的面向数据流领 域嵌入式系统的软硬件协同设计工具。Ｐｏｌｉｓ是一个面 向嵌入式系统的软硬件协同设计工具，它的设计者包 括美国加州大学伯克利分校等知名团体。这几个系 统都是从系统级的系统行为描述开始，经过成本的估 计，软硬件划分、软硬件的协同综合、模拟，最后到板 级的快速原型（除ＣＯＯＬ以外）。原型板一般包含微处 理器或微控制器以及ＡＳＩＣ或者ＦＰＧＡ。软件部分在微 处理器或者微控制器上运行，硬件部分在ＡＳＩＣ或者 ＦＰＧＡ上实现。
下面在研究几种比较有代表性的嵌入式系统软
收稿日期：２００３—０３．Ｉｌ
下面就按照系统描述、软硬件划分、软硬件协同 综合等３个基本的设计步骤分别进行讨论。
作者简介：赵川（１９７９．），男，安徽巢湖人，硕士研究生，主要研究领域为软硬件协同设计：
徐涛，硕士研究生；
孙晓光，副教授
万 方数据
２．１系统描述 在软硬件协同设计过程的一开始，设计者必须对 系统的功能进行描述，这一步叫做系统描述。有两种 不同的系统描述方法：第１种是同构的建模，是用一种 语言来描述整个系统。这种描述应该是与实现无关 的。用这种系统建模方法的协同设计就必须分析和 分配哪些描述部分用硬件来实现，哪些用软件来实 现。另外１种是异构的建模，对于硬件和软件采用不 同的语言来描述，这样做会使系统功能的分析和验证 变得困难起来。１。这３种系统采用的都是同构建模的 方法，这代表将来发展的方向。
可以结合使用ＳｙｓｔｅｍＣ和标准的ｃ抖开发工具来工作。
软件描述部分则直接用ｃ＋＋来写。用ＳｙｓｔｅｍＣ实现硬 件描述后，再经过一步步地精细化直至ＲＴＬ级、门级 的实现。软件部分则要生成最终的代码。我们通过 在两者之间的协同模拟进行验证，由于都是ｃ＋＋环境， 因此本方法的协同模拟更为简单易行。
２．４
Ｔ作流程 在上面几个小节中我们研究了主要的设计步骤
针对嵌入式系统设计面临的问题，研究者们提出 了～种新的设计方法：软硬件协同设计。它支持并行 工程以减少设计周期；采用设计自动或半自动化技术 以及集成可靠的软硬件组件的方法以提高设计质量； 用验证测评技术及早发现设计错误。 嵌入式系统软硬件协同设计一般是从一个给定的 系统任务描述着手，通过有效地分析系统任务和所需 的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则自动
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ／ｓｏｆｔｗａｒｅ ＣＯ—ｄｅｓｉｇｎ
ＺＨＡＯ
Ｃｈｕａｎ，ＸＵ Ｔａｏ，
ＳＵＮ Ｘｉａｏ－ｇｕａｎｇ Ｆｕｄａｎ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔａｔｉｖｅ
生成符合系统功能要求的、符合实现代价约束的硬件
和软件架构…。这种全新的软硬件协同设计思想需要 解决许多以前没有碰到的问题，如系统的描述方法、对 这样的一个包含软件和硬件的系统功能如何进行验证，
以及如何对软件实现和硬件实现作自动划分。导致如
上这些棘手问题的原因就是试图以和实现无关的系统
描述入手以及贯穿始终的软件和硬件的协同设计。 ２软硬件协同设计方法研究
疑大大提高我们的思路的可行性，并降低了工作的难 度。ＳｙｓｔｅｍＣ是ＯＳＣＩ（Ｏｐｅｎ ＳｙｓｔｅｍＣ Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ）对ｃ＋＋的 扩充，是一个ｃ．＋类库。这个类库提供了。些必需的 结构来为系统体系结构包括硬件时序、并发、反应的 行为进行建模。ｃ＋＋语言提供了通过增加类来进行自 身扩充的能力，所以ＳｙｓｔｅｍＣ是完全基于标准ｃ＋＋的”１。