嵌入式系统中软硬件协同设计技术的运用策略

2022-12-12牟晋力

通信电源技术 2022年15期

关键词：嵌入式协同软件

牟晋力

（南京国电南自电网自动化有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

随着科学技术的不断发展和进步，基于系统高层次应用要求，要以规则驱动完成设计规范。为了进一步满足上市时间、应用性能等方面的要求，系统芯片一般会采取软硬件协同设计的方式，实现经济效益和社会效益的和谐统一。

1 嵌入式系统

嵌入式系统指带有微处理器的专用软硬件系统，能实现操作系统和功能软件的合理性集成处理。在嵌入式系统应用环节中，要将计算机技术作为核心，实现软件硬件可剪裁的控制目标，最大程度上提高专用计算机系统的运行效能。嵌入式系统的硬件由嵌入式处理器、存储器以及相关支撑器件组成，确保电气性能指标都能实现参数化处理，完成硬件构架和电路原理图的处理工作[1]。

嵌入式系统的软件特性就是软件要求固化存储，并且要具备高精度、高质量以及高可靠性的应用代码，能结合系统软件高实时性应用控制要求，配合多任务操作系统打造更加可控的知识集成平台，实现数据信息的应用目标，并在一定程度上为工业标准化管理提供保障。

2 软硬件协同设计技术内容

在软硬件协同设计技术应用体系中，要建立自上而下的系统级、功能级、存储器传输级、门级以及电路级应用控制平台，以保证功能设计单元、逻辑设计单元等都能协同管理，维持较为合理的应用结构，提高协同设计的综合水平。

2.1 关键技术

（1）软/硬件协同验证技术。基于嵌入式计算机的应用要求，为了解决系统设计和开发过程存在的问题，不仅要考量产品的损耗，还要对产品的开发设计评价等指标予以关注，而这会延长系统的上市时间。结合不同阶段的系统性能指标进行综合评估，目前较为常见的软/硬件协同验证方式包括仿真验证和形式化验证。软/硬件协同验证技术原理如图1所示。

（2）IP模块复用技术。建立集成化效果较好的功能单元体系，利用IP模块就能缩短芯片的设计时间，有效减少设计成本和制造成本，维持良好的应用控制效果，提高整个系统的运行可靠性。与此同时，结合实际功能特性划分为硬IP和软IP，借助可编程片上系统（System on Programmable Chip，SoPC）就能完成多数软IP的实时性控制处理。此外，软IP还能实现重定制、剪裁以及升级处理，保证资源优化效果最优化，建立灵活高效的应用约束控制平台[2]。

（3）模块和模块界面间的综合分析验证技术。综合分析验证工作，配合硬件和软件协同描述的方式形成集验证、综合分析等功能于一体的自动化开发环境。

（4）低功耗设计技术。在差异化设计层次上有效完成动态功耗、短路功耗、静态功耗参数的处理，从而减少系统的整体功耗。低功耗设计技术贯穿整个系统设计和逻辑设计环节，并利用调整阈值电压、电源电压等参数的方式有效避免短路现象。

2.2 具体内容

在嵌入式系统软硬件协同设计技术应用过程中，要依据实际应用环境和标准开展具体工作。

2.2.1 系统描述

利用描述语言对嵌入式计算机系统功能和性能进行表述，主要基于系统的应用环境完成统一描述，并实现软硬件通用处理。软硬件协同设计时，需要深入挖掘软件和硬件之间的协同性内容，具体内容见表1[3]。

表1 系统描述内容

2.2.2 技术指标

技术指标指价格、速度、可靠性等基础性指标内容，能结合系统的具体环境要求和运行标准设置相应的技术指标评定方式，并且保证设计处理控制的规范效果。基于评价质量指标体系，能对控制机制予以综合评估。

2.2.3 约束条件

对于软硬件协同设计技术而言，约束条件是保证系统运行环境稳定的关键内容，也是判定整个系统运行效果较好的基本要素。在约束条件设置和处理过程中，要按照最优化评估模式开展具体工作，建立针对不同设计要素的资源占用评估模式，在明确规定技术指标适用范围和性能缺陷的基础上维持整体协同控制的规范性[4]。

2.3 系统结构

在软硬件协同设计技术应用过程中，需要完成软硬件协同设计平台的开发和应用工作[5]。硬件处理就是在厂家综合库的技术支持下完成行为级、逻辑级的综合管理，保证相应控制单元的合理规范，并打造较为完整的应用控制模式。代码优化处理指在设计实现后对系统予以优化，结合数据处理器完成代码选择和指令选择，按照调度的具体标准完成分配处理。

协同设计平台要将设计空间作为关键，建立体系结构库、设计库、成本库以及系统功能描述等设计约束模式，确保设计空间搜索任务能基于软硬件协同设计标准开展具体工作，并配合不同模型表现出不同的功能特性[6]。从目标系统软硬件协同设计模式入手，维持良好的实时性数据库控制效果，按照性能标准落实评估后的划分处理，形成硬件描述、软件描述以及软硬件界面描述协同控制的模式。

在软硬件协同设计的基础上，按照技术要求和标准内容构建规范化综合控制模式，并实现系统集成和系统仿真测试的目标，提升应用约束管理的规范性，同时为软硬件协同设计系统结构应用的优化予以支持[7]。

3 嵌入式系统中软硬件协同设计技术的运用

3.1 系统级描述

在建立一种或多种系统级描述语言的同时，配合设计规范协同控制嵌入式系统的功能和性能，完成全面的描述处理，确保软硬件模型操作应用的规范效果。此外，要完成常量优化控制，保证分割界面应用的规范性，实现硬件沟通、验证和测试使用的平衡性[8]。一方面，设计人员利用非正式语言完成功能处理，并结合自然语言手工实现对应的控制处理，配合相应工具就能建立完整的应用运行约束平台。另一方面，手工完成系统描述处理模式后，对后续过程予以实时性整改，保证系统模型控制的规范性，有效解决系统设计复杂化问题，促进软硬件协同设计技术应用效果的提升[9]。

3.2 系统映射

基于嵌入式系统应用要求，借助软硬件功能分配和映射处理2个环节开展后续工作。系统映射环节如图2所示。

图2 系统映射环节

软硬件功能分配指合理确定系统各个功能模块的归属，分析对应功能的硬件模块和软件模块，从而实现合理性匹配处理，避免应用控制不当造成不良影响。硬件能提供较好的性能，软件则更适合完成开发和修改。硬件模块的可配置性较好，能够实现可编程处理，并且对应的软件功能具有固件化特点，部分功能能够同时利用硬件和软件完成工作。在考量资源情况的同时，全面分析系统成本和开发时间，最大程度上提高系统映射处理的水平。

3.3 软硬件综合应用

实现软件功能和硬件功能的匹配性处理，结合设计结果的仿真验证和系统设计要求实现控制处理，维持协调一致性。在仿真验证环节，为了避免系统实现过程中出现问题而进行反复修改，需要模拟工作环境和实际使用状态，提升系统模拟的实效性。例如，匹配软硬件协同设计的车载智能型终端系统本身是嵌入式系统，用户接口设置为串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线，配合RS232串口实现通信，默认状态仅显示时间和消息提示。在拨号状态下，硬件模块完成信息汇总和存储，软件模块则完成信息的传送，联动监控中心和设备建立实时性信息交互控制模式[10]。