（延安大学物理与电子信息学院 陕西 延安 716000）

1.嵌入式系统介绍

如今，嵌入式系统被广泛应用于各个领域，据有关调查表明，嵌入式系统每年的增长率达到了18%，发展势头极为迅猛，成为本世纪重要的角色。

嵌入式系统是嵌入式计算系统的简称，其核心就是微处理器，主要包括8位、16位与32位，在近几年各类消费及电子产品大量的出现，使得16位与32位架构微处理器得到了全方面的应用。现在的嵌入式系统，主要就是16位与32位RISC架构的微处理器以及衍生产品。8位微处理器由于年代较早，在我国成为单片机，已较少使用。

嵌入式系统主要分为：单硅片级、单板级以及多板级，单硅片级主要归为专用芯片系统，单板级属于通用芯片系统，而多板级是基于x86架构的系统，同样归为通用芯片类型。

随着科学技术的不断发展，嵌入式系统设计有以下几种发展趋势：

（1）嵌入式系统的研究与其应用领域会不断扩大，其设计方向会完成从单一目标到多目标的转化，设计者要考虑不同领域、不同需求，考虑包括系统功耗、功能、实用性、应用领域等多方面的要求。

（2）用户基数不断增大，嵌入式系统的涉及方面不断扩大，复杂程度不断提高，设计规模逐步扩大，发展速度不断加快，完成由原来的单机系统到现在的分布式系统的迈进。

（3）硬件的集成度会显著提高，因相关技术的不断发展，尤其是半导体技术在近几年的研究速度突飞猛进，系统级芯片的成功研发使存储器、CPU等在单个硅片上进行集成提供了可靠的技术保障，并且这种高度集中的硅片正在成为现如今阶段嵌入式系统设计的主流系统。

（4）嵌入式技术在手机等移动设备上得到了大量应用，因移动设备的体积、可充电性以及功耗方面的要求，嵌入式系统产品的集成度将会逐步提高，并成为移动设备不可缺少的部分。

（5）嵌入式产品的更新速度不断加快，在如今的科技背景下，各类科技手段的更新换代速度正在不断地提升，这也要求嵌入式产品的更新速度随时代要求不断提升，设计者要减少新产品的研发时间，缩短设计周期，加快新产品的问世速度，更多地强调对设计的重用，软件系统更多地强调构件重用。嵌入式系统中，硬件与软件相互影响，相互联系，相互补充，从而达到相互提升的作用。

2.传统设计方法的局限性

传统的设计方法，通常采用模块化、自上而下的设计方法，首先是系统需求描述，然后划分硬件与软件，进行硬件设计与实现，最后进行软件设计与实现。这种设计方法大体上是将硬件与软件分割成两个独立的部分，通过硬件设计师与软件设计师的设计，按照相关流程完成最后的设计。同时，在设计过程中，反复修改设计方案，并加以测试，最后使设计的产品达到指定设计要求。在硬件与软件划分完成时，首先设计硬件部分，之后对软件进行设计测试，在整个系统中，设计过程基本上可以称为串行过程，这种设计方式对设计者的经验技术提出了较高的要求，没能够有效利用过去的开发成果，导致这种设计方案过程拖延，设计周期较长，成本较高，无法满足当今快节奏的科技发展水平与日益复杂的嵌入式系统的设计要求，产品质量也令人堪忧，难以有效地进行全面应用。硬件与软件的开发被割裂开来，缺乏有效的沟通交流，不能同步进行优化设计。随着设计系统逐渐复杂，设计规模不断提高，仅依赖设计人员手工完成的系统级设计将超出人员的能力范围，导致设计质量下降，同时导致市场竞争力下降。这种设计方法的局限性也在一定程度上促进了软硬件协同设计方法的产生。

3.嵌入式系统的软硬件协同设计描述

以软硬件协同设计的方法是指在系统功能指标的管理下，通过分析系统软硬件的情况、功能以及系统要求，全面挖掘软硬件之间的共通处，并同时分析软硬件自身结构、性质，寻找它们最优的结合点，从而对整个系统进行优化设计，提高系统的工作效率。和传统的嵌入式方法不同，软硬件协同设计更注重软硬件之间的并行性与协同性，从而改变了原有的把硬件与软件分割开来所带来的弊端，利用软件与硬件二者之间的影响与相互制约关系协同设计，使系统高效地工作。软硬件协同设计包括系统描述、软硬件功能划分、软硬件综合技术、协同仿真和系统测试验证等多个方面。

3.1 系统描述

系统描述是从系统的行为功能以及性能两个方面出发，并采用一种或多种描述语言，对设计师设计的嵌入式系统进行的全面描述过程，是对系统硬件与软件模型的建立过程。在这个过程中，系统内的行为需要被反复地测试和验证，以保证对设计初期所可能出现的错误进行及时发现与纠正，使系统工作更加可靠，效率更高。建立系统模型时，应包含四个元素。第一个是性能描述，这个元素体现了系统的整体结构与面貌，要求对系统输入或输出方面以及二者之间的联系进行说明。第二个是功能特点，功能特点主要是指系统内所完成的各项功能，并对其各项功能与系统本身输入与输出的关系进行明确说明。第三为技术指标，技术指标主要用来判断这个系统的整体质量好坏，并作出有效的说明，使设计师了解到今后的设计方向。第四是约束条件，约束条件规定了技术指标的应用方面和系统工作环境的要求，并同时说明了系统自身性能的缺陷与改进指标。

3.2 软硬件功能划分

软硬件功能划分主要是对系统功能和软硬件的关系进行确定，主要依据是成本函数。成本函数主要考虑软件执行时间、硬件使用功耗、成本以及模块之间的并发性等几个方面。

3.3 软硬件综合技术

软硬件综合技术主要是指对软硬件系统的大体设计，成果经过系统检测评价之后，进行细致的系统制作，按照相应的系统要求，对软硬件进行设计，使软硬件协调一致地进行工作，保证整个系统的运行效率。

3.4 协同仿真和系统测试验证

这个方面主要是应用硬件描述语言对硬件系统完成描述，同时采用软件来搭配硬件的方法，可以完成相应设计要求，并显著缩短设计周期，减少设计成本，避免浪费。

4.嵌入式系统软硬件协同设计的具体方法

当前，国际上对于嵌入式系统设计，应用的普遍方案是基于自顶向下理念的软硬件协同设计方法，这种方法是一种合乎规范的软硬件描述方法，也是最优的软硬件划分方案。采用这类方法可以有效地满足相应的设计要求，对相关的问题也能提出最优的解决方案。

这种软硬件协同设计方法的流程为：确定用户需求，并根据用户的需求建立应用系统规范，之后将软硬件进行划分以及性能评估工作，并构建相应的软/硬件平台进行测试以及验证。软硬件协同设计具体方法分为以下几类：

4.1 基于 VHDL 的方法

这类方法将系统功能描述为受到VHDL特性影响的进程，其设计进程被逐步分解，并评估各类系统功能。这类方法对硬件的描述更加方便快捷，保证系统具有良好的可操作性与可靠性。比起其他的软件描述方法，能更加方便地转换研究开发内容。

4.2 基于有限态自动机的方法

这类方法可以对硬件模型、软件模型和系统自身行为进行详尽表述，基于有限态自动机的方法可以应用在对软硬件的划分与整合，非常规范地说明具体实现的方法及其转换过程。这种方法的缺点在于，其只适用于小规模嵌入式控制系统的开发，具有一定的局限性。

4.3 基于遗传算法的划分方法

采用这种方法，设计者可以通过对空间编码、个体选择、群体局部优化等多方面进行详尽的研究，对各类算法问题进行分析计算，完成对硬件与软件之间的划分。这种方法首先对遗传和局部优化参数进行确定，之后随机生成满足相应条件的解，并获得最优解集，利用遗传操作完成硬件与软件之间的划分工作。应用相应的算法解决其划分问题，高效率地完成系统的调试，降低设计成本，避免浪费的产生。

4.4 形式化的验证方法

形式化的验证方法具体实施情况为：建立相应的数学模型，应用相应算法来判断系统的正确与否，验证各项性能指标是否达标。形式化的验证方法的优点在于算法更加精确，但其局限性在于这种方法只针对于软件，无法考虑硬件方面的要求，也不能直接在嵌入式产品中应用，所以此类方法只是一种系统验证方法。

4.5 POLIS 方法学

这种方法学是对嵌入式系统协同设计进行框架结构设计，通过对微控制器和处理器进行组合，形成目标结构。这种方法建立在协同设计框架形式基础上，其模型分为全局异步和局部同步，对于硬件和软件的实现进行相同的计算，同步完成对软硬件的实现。

5.结语

嵌入式系统的软硬件协同设计研究是当今时代一个非常吸引人的研究课题，也是一个应用广泛的课题，由于各类先进技术在嵌入式系统中的大量应用，各类技术及产品的更新速度越来越快，基于平台的软硬件协同设计方法因其先进性、可靠性和高效性正逐步成为主流嵌入式系统设计方法，并被广泛应用于各类嵌入式系统中。通过对软硬件之间关系的研究与分析，挖掘出它们之间的协同性与并行性，从而使系统更加高效地进行工作完善，降低相应成本；将现有的资源进行整合与充分利用，从而缩短产品的开发周期，提高系统的效率。