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復雜嵌入式系統已日益普及并成為我們日常生活的一部分。一輛汽車(chē)平均包含80個(gè)每秒能執行上億條指令的嵌入式處理器。以一個(gè)單獨的DSP上以軟件方式實(shí)現移動(dòng)調制解調器的配置為例，現在的手機包含2到4個(gè)處理器。 然而隨著(zhù)嵌入式系統日益普及，設計危機也逐漸凸現。統計數據顯示，近40%的嵌入式系統開(kāi)發(fā)延遲，還有超過(guò)9%的開(kāi)發(fā)最終被取消。 這些統計數據的矛頭都指向基本工程方法的失敗。在傳統的開(kāi)發(fā)步驟中，硬件設計要超前軟件開(kāi)發(fā)，而嵌入式系統中軟件正日益占據關(guān)鍵地位。因而，傳統開(kāi)發(fā)步驟在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中遭遇失敗并不讓人意外。何況一個(gè)產(chǎn)品的上市時(shí)間也越來(lái)越短(后文舉出的手機開(kāi)發(fā)的例子總開(kāi)發(fā)時(shí)間還不到一年)，這又給嵌入式系統的開(kāi)發(fā)雪上加霜。很明顯，嵌入式設計的方法和工具需要進(jìn)行一次革命。 也就是說(shuō)，系統架構、硬件實(shí)現和軟件實(shí)現各階段之間的關(guān)系需要調整，而這種需求恰好正是目前的電子系統級設計(ESL)中最受關(guān)注的問(wèn)題。然而，現有的大多數基于ESL的方法都只能提供部分解決方案。我們需要的是一套全新的設計模式，一套能夠對全系統建模的方法，以促進(jìn)系統架構研究并實(shí)現軟硬件協(xié)同設計，以允許設計人員從原始設計不斷改進(jìn)，直到最終實(shí)現系統。 至今為止，大多數將SoC系統級設計自動(dòng)化為RTL實(shí)現的嘗試都存在設計精確度和設計生產(chǎn)力不足的缺陷。早期那些力圖將C、C++和SystemC自動(dòng)化為硬件建模語(yǔ)言(能將順序軟件語(yǔ)義翻譯為基于狀態(tài)機的并行硬件語(yǔ)言) 的工具，不但要求開(kāi)發(fā)人員創(chuàng )建并維護功能事務(wù)級模型的多個(gè)“視角”，而且要添加定時(shí)還需要更多的“視角”。維護這些“多視角”本身就有問(wèn)題，而這些視角之間在時(shí)序和功能方面的不一致還會(huì )導致驗證錯誤。此外，最終將其轉為RTL的過(guò)程主要仍是一個(gè)手工操作的過(guò)程。 要使SoC設計走出困境，很重要的一點(diǎn)就是讓設計師們能夠采用一種在系統架構階段設計的定時(shí)精確的高性能系統級模型，然后隨著(zhù)開(kāi)發(fā)人員從架構階段進(jìn)入軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)和驗證階段，改進(jìn)而不是丟棄這個(gè)模型。盡管暫時(shí)還沒(méi)有一種全自動(dòng)化的工具鏈能夠實(shí)現從系統架構到RTL實(shí)現這一系列完整的設計任務(wù)，但一些嵌入式設計方案供應商已經(jīng)開(kāi)始了成功的嘗試，其中一種很有前途的技術(shù)就是虛擬系統原型技術(shù)。 圖1：每個(gè)公司一年里啟動(dòng)的項目提前完成，推遲完成，按時(shí)完成和取消所占的百分比(平均每個(gè)公司啟動(dòng)項目所占百分比)。 虛擬系統原型(VSP)是一種基于軟件仿真的電子系統模型，其中可以包含一個(gè)或多個(gè)處理器、總線(xiàn)、硬件外設，甚至可以包含作為整個(gè)系統一部分的機械或模擬子系統模型。但最重要的是，VSP運行的是與真實(shí)硬件相同的經(jīng)過(guò)編譯和鏈接的目標代碼，因而能夠準確預測系統在實(shí)際情況下的表現。此外，VSP還是一種周期精確(cycle-accurate)的模型，因此，被設計的系統可以根據對實(shí)時(shí)性的要求建模。 一旦模型建立，硬件和軟件開(kāi)發(fā)就可以同時(shí)啟動(dòng)，這樣一來(lái)，既減少了開(kāi)發(fā)所用的總資源，也縮短了開(kāi)發(fā)周期。 傳統的“丟棄式”系統級模型在硬件和軟件實(shí)現階段就過(guò)時(shí)了，而VSP仍可繼續用于硬件驗證。由于這一優(yōu)秀的模型是周期精確(cycle-accurate)的，因而RTL實(shí)現可以在任何時(shí)候換入 (swap in) 。而且，在RTL模型換入后， 為了進(jìn)行性能分析或者更快地運行更大的軟件實(shí)體，還可以用原來(lái)的高級VSP模型將RTL模型換出。系統級測試范例是作為可執行系統規范的一部分生成的，然后，隨著(zhù)軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程的進(jìn)展，再由上至下地生成結構、模塊和單元測試。 最后一點(diǎn)，VSP的升級和分發(fā)也很容易。對那些在地域上分布較零散的開(kāi)發(fā)團隊而言，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送軟件模型也比運送電路板更簡(jiǎn)單。這樣一來(lái)，工程師只有在最后的集成階段才需要真實(shí)的硬件和芯片。而且，由于軟硬件開(kāi)發(fā)采用的是同一個(gè)虛擬系統原型，因此集成起來(lái)也更快和更容易。 虛擬系統原型在無(wú)線(xiàn)設計中的應用舉例 在單芯片系統的開(kāi)發(fā)中，無(wú)線(xiàn)系統設計是最復雜也是競爭最激烈的領(lǐng)域。越來(lái)越多領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)設計公司開(kāi)始利用虛擬系統原型技術(shù)提高設計生產(chǎn)力、縮短上市時(shí)間，并降低風(fēng)險。以下介紹的無(wú)線(xiàn)設計在一塊芯片中容納了兩個(gè)處理器內核、一個(gè)DSP、多級存儲器、6種復雜的多層總線(xiàn)結構、一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統、超過(guò)30個(gè)外設，外加超過(guò)兩百萬(wàn)行代碼。這款手機的SoC具備GSM控制功能、多媒體功能、二維和三維圖形處理功能、相機接口，以及一系列諸如WiFi和USB之類(lèi)的其他接口。 圖3：傳統的手機設計流程和利用虛擬系統原型的手機設計流程的比較 以前的項目結束后，這個(gè)設計小組決定必須改變傳統的“先硬件后軟件”的設計方法才能滿(mǎn)足日益縮短的上市時(shí)間需求。 采用VSP的結果 他們選擇了VaST Systems提供的虛擬系統原型方案，這不但是一個(gè)高性能的方案，而且絲毫無(wú)損設計精度。從系統架構階段直到軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)和驗證階段都可以采用同一個(gè)VaST處理器模型(虛擬系統原型的核心)。 根據配置的不同，VaST處理器模型在仿真單處理器時(shí)，在保持原有的周期、寄存器和定時(shí)精度的同時(shí)，速度在50到200MIPS之間；在仿真帶分層存儲器結構和多級總線(xiàn)的多內核系統時(shí)，在保持周期精度的同時(shí)速度可達10到100MIPS。 首先，系統架構師利用VSP進(jìn)行系統架構研究和分析。VSP能夠運行基于應用的軟件，因此設計師可以據此考慮緩存的大小、處理器的處理能力等性能問(wèn)題，同時(shí)還可以檢查出系統中潛在的資源共享、同步和總線(xiàn)帶寬問(wèn)題。此外，利用VSP，設計小組還可以在真實(shí)系統的環(huán)境下檢查第三方IP。 有了VSP，軟件開(kāi)發(fā)人員可以提前幾個(gè)月開(kāi)始編寫(xiě)系統中的關(guān)鍵函數(例如系統初始化程序、硬件抽象層、RTOS/OS及其相關(guān)的設備驅動(dòng)程序、中間件軟件，甚至是嵌入式應用的代碼)，然后再進(jìn)入傳統的硬件、軟件開(kāi)發(fā)流程。 在使用VSP之后，這家公司發(fā)現他們的競爭優(yōu)勢得到了很大提升，于是決定繼續將VSP技術(shù)作為其首選設計方法。 本文小結 嵌入式系統不論從絕對數量還是從復雜度來(lái)說(shuō)都在飛速地發(fā)展，而且在嵌入式系統中，通過(guò)軟件實(shí)現的功能越來(lái)越多。 傳統的先硬件后軟件的設計方法對這種復雜的嵌入式系統開(kāi)發(fā)已不再適用。因為不但從質(zhì)量還是從生產(chǎn)力的角度說(shuō)，軟件和硬件都必須同時(shí)開(kāi)發(fā)和驗證。 人們早期所作的用軟件來(lái)建模硬件系統的嘗試存在很多問(wèn)題，包括要求設計師創(chuàng )建并維護模型的多個(gè)“角度”。要解決這些問(wèn)題，硬件系統的軟件模型必需同時(shí)具備快速和準確兩個(gè)特點(diǎn)。具備了這兩個(gè)特點(diǎn)的模型就有可能既適用于系統架構階段，又能成為出色的軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)參考模型。 VaST Systems提供的技術(shù)和方法能夠在不損失速度和精度的前提下提供快速準確的虛擬處理器模型(嵌入式系統的核心)。已經(jīng)有設計團隊采用了我們的系統原型，根據配置的不同，該模型在單處理器內核系統中的仿真速度可達50到 200 MIPS，在帶分層存儲器結構和多級總線(xiàn)的多內核系統中可達10到 100 MIPS。 圖2：利用VSP技術(shù)，軟件開(kāi)發(fā)可以在硬件就緒前9個(gè)月甚至更早開(kāi)始。 一家領(lǐng)先的手機嵌入式系統供應商采用了虛擬系統原型 技術(shù)，并在硬件就緒之前9個(gè)月就開(kāi)始了軟件開(kāi)發(fā)。用他們的話(huà)說(shuō)，采用虛擬系統原型 技術(shù)可謂“用更少的成本和更短的開(kāi)發(fā)時(shí)間設計出更好的產(chǎn)品”。 |
