,,,,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,,,,,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,—,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,,2006年4月21日,,嵌入式系統(tǒng),,,主要內(nèi)容,嵌入式系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn),,嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì),,嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),,嵌入式系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì),,CC1991（9＋2個(gè)主領(lǐng)域）,CC2001（14個(gè)主領(lǐng)域）,,離散數(shù)學(xué)（預(yù)備知識）,離散結(jié)構(gòu),（DS）,程序設(shè)計(jì)語言引論,程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（PF）,算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),算法與復(fù)雜性（AL）,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（AR）,操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)（OS）,,網(wǎng)絡(luò)計(jì)算（NC）,程序設(shè)計(jì)語言,程序設(shè)計(jì)語言（PL）,人－機(jī)通信,人機(jī)交互（HC）,,圖形學(xué)和可視化計(jì)算（GV）,人工智能與機(jī)器人學(xué),智能系統(tǒng)（IS）,數(shù)據(jù)庫與信息檢索,信息管理（IM）,軟件方法學(xué)與工程,軟件工程（SE）,社會、道德和職業(yè)的問題,社會和職業(yè)的問題（SP）,數(shù)值與符號計(jì)算,科學(xué)計(jì)算（SC）,IEEE/ACM 課程大綱關(guān)于計(jì)算機(jī)學(xué)科主領(lǐng)域的劃分,,,,嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng):,,,以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗諸方面嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,,,嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn),,嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)：,,,軟件硬件協(xié)同并行開發(fā),,,多種多樣的微處理器,,,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多樣性 (RTOS),,,與臺式機(jī)相比，可利用系統(tǒng)資源不足,,,應(yīng)用支持很少,,,要求特殊的開發(fā)工具,,,調(diào)試很困難,,,軟件硬件的魯棒性（健壯性，Robust）,,,嵌入式系統(tǒng)要解決的主要問題,,需要用什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)？,,如何滿足時(shí)限要求，如何處理多項(xiàng)功能在時(shí)間上的協(xié)調(diào)一致關(guān)系？,,如何保證系統(tǒng)可靠地工作？,,如何滿足系統(tǒng)接口要求，嵌入式應(yīng)用直接和系統(tǒng)接口輸入輸出信息？,,如何降低系統(tǒng)的功耗？,,如何使系統(tǒng)可升級？,,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性問題,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),,功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì),,嵌入式操作系統(tǒng),,開發(fā)環(huán)境,,成本和開發(fā)周期,,代碼優(yōu)化,,高效的輸入和輸出,,測試環(huán)境,,嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)面臨的幾大問題,嵌入式軟件全生命周期開發(fā)工具鏈,,硬件與軟件的Co-Design: Verilog + C = ?,,驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)和生成技術(shù)（嵌入式軟件開發(fā)中最令人頭疼的問題）,,嵌入式軟件的可靠性問題: 正確性驗(yàn)證技術(shù)、測試技術(shù)、調(diào)試技術(shù)等（可靠性問題是嵌入式軟件開發(fā)的基本問題）,,可重構(gòu)計(jì)算（Reconfigurable Computing）技術(shù),,可構(gòu)件化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其開發(fā)環(huán)境,,問題,：,,功能、性能要求,,價(jià)格、開發(fā)周期等約束,設(shè)計(jì)：,,,選擇,,折衷,,分析比較,,計(jì)算,,評價(jià),嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì),方法,工具,,設(shè)計(jì)流程—自頂向下或自底向上設(shè)計(jì),需求,設(shè)計(jì)說明,體系結(jié)構(gòu),構(gòu)件設(shè)計(jì),系統(tǒng)集成,自頂向下設(shè)計(jì),自底向上設(shè)計(jì),,需求分析,作用,,使用戶和設(shè)計(jì)者有效交流、溝通，明確設(shè)計(jì)目標(biāo),,設(shè)計(jì)者 － 設(shè)計(jì)什么？有哪些要求？,,用戶 － 將得到的系統(tǒng)是什么樣的？,,目標(biāo),,形成需求文檔,,內(nèi)容,,功能性需求,做什么？,,輸入,輸出,功能，……,,非功能性需求,其他屬性,,可靠性，速度，功耗，……,,成本,大小,重量,設(shè)計(jì)時(shí)間， ……,,評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),正確性,,無二義性,,完整性,,可檢驗(yàn)性,,一致性,,可修改性,,可追蹤性,,需求分析的描述,自然語言,,需求說明書,,需求分析表,,,形式化描述,,用例圖等,,DOORS,,,例：,GPS移動地圖的需求,,規(guī)格說明,規(guī)格說明與需求的比較,,需求的提煉,,是可用來創(chuàng)建體系結(jié)構(gòu)的關(guān)于系統(tǒng)的更詳盡、更精確、更一致的描述,,目標(biāo),,形成規(guī)格說明書,,內(nèi)容,,包含系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的足夠信息,,,,規(guī)格說明書的描述,自然語言,,,形式化描述,,UML,,RSML,,SDL,,規(guī)格,說明,,需求的精確描述,,,描述明確，可理解,,,UML (Unified Modeling Language),,統(tǒng)一建模語言是可視化的設(shè)計(jì)說明語言,,統(tǒng)一描述系統(tǒng)的硬件和軟件,,,UML 可對系統(tǒng)的功能建模,,,可自動產(chǎn)生實(shí)際設(shè)計(jì)的HDL 或C++ 代碼,,,UML的應(yīng)用,I-Logix公司的Rhapsody系列產(chǎn)品,,基于統(tǒng)一建模語言UML的可視化編程環(huán)境,,把UML各類視圖映射為具體目標(biāo)機(jī)程序語言,,用于復(fù)雜實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用軟件從分析、設(shè)計(jì)一直到代碼實(shí)現(xiàn)和軟件測試的開發(fā)過程,,NASA的火星探路者航天器就是運(yùn)用Rhapsody在VxWorks上開發(fā)應(yīng)用程序。,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,,系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)說明書描述的功能,,,基于組件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),,,軟件/硬件劃分,,,嵌入式系統(tǒng)中軟件和硬件協(xié)同完成系統(tǒng)的功能,,軟件硬件劃分通常由速度、靈活性以及開銷來決策,,,,,,硬件,,單片機(jī), X86, PowerPC, ARM, MIPS,……,板級支持程序,嵌入式操作系統(tǒng),應(yīng)用軟件,監(jiān)控程序,嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),,嵌入式系統(tǒng)組成,,,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),作用,,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的藍(lán)圖，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的一個(gè)計(jì)劃,,目標(biāo),,形成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文檔,,內(nèi)容,,系統(tǒng)分析,,系統(tǒng)軟硬件整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),,軟硬件劃分,,標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和自行設(shè)計(jì)構(gòu)件的確定,,評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),,有彈性,,簡單,,可實(shí)現(xiàn),,層次清晰,,功能分布平衡,,平衡技術(shù)和經(jīng)濟(jì)約束,,滿足功能需求和非功能需求,,可重用,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述,,非形式化方式,,自然語言,,結(jié)構(gòu)框圖,,形式化方法,,UML建模,,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程及方法,,結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法,以算法為中心，從處理到處理的數(shù)據(jù)流,,從輸入、輸出入手，根據(jù)操作和數(shù)據(jù)流，形成比較粗的系統(tǒng)大框架；,,然后逐步細(xì)化框架內(nèi)的每個(gè)部分，進(jìn)一步確定內(nèi)部模塊的及模塊之間的關(guān)系,,設(shè)計(jì)過程應(yīng)該是逐步細(xì)化和逐步完善的過程,,面向?qū)ο蟮姆椒?以類及交互模式為中心,,系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),,結(jié)構(gòu)化方法(SA/SD),,面向?qū)ο蟮姆椒?OOA/OOD),,UML建模,,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證,,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性非常關(guān)鍵,,詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，對開發(fā)周期、成本有很大影響,,驗(yàn)證所關(guān)心的問題,,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足功能、性能要求,,能否實(shí)現(xiàn),,驗(yàn)證方法,,形式化方法,,仿真,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu),,軟件結(jié)構(gòu),,硬件結(jié)構(gòu),,其他方法,,如基于開發(fā)板的原型系統(tǒng),,系統(tǒng)引入錯誤和修改錯誤開銷分布,,引入錯誤數(shù)目,修改錯誤開銷,開發(fā)周期,系統(tǒng)結(jié)構(gòu),,設(shè)計(jì),軟硬件,,詳細(xì)設(shè)計(jì),軟硬件,,實(shí)現(xiàn),,軟硬件的劃分,,,嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及硬件與軟件部件，設(shè)計(jì)中必須決定什么功能由硬件實(shí)現(xiàn)，什么功能由軟件實(shí)現(xiàn)。,,硬件和軟件具有雙重性,,軟硬件變動對系統(tǒng)的決策造成影響,,劃分和選擇需要考慮多種因素,,硬件和軟件的雙重性是劃分決策的前提,,通常由軟件實(shí)現(xiàn)的部分,,,操作系統(tǒng)功能,,任務(wù)調(diào)度,,資源管理,,設(shè)備驅(qū)動,,協(xié)議棧,,TCP／IP,,應(yīng)用軟件框架,,除基本系統(tǒng)、物理接口、基本邏輯電路，許多由硬件實(shí)現(xiàn)的功能都可以由軟件實(shí)現(xiàn)。,,,雙重性部分,,,算法,,加密／解密,,編碼／解碼,,壓縮／解壓,,……,,數(shù)學(xué)運(yùn)算,,浮點(diǎn)運(yùn)算， FFT， ……,,……,,,標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和自行設(shè)計(jì)構(gòu)件,,構(gòu)件的實(shí)現(xiàn),,選擇標(biāo)準(zhǔn),,自行設(shè)計(jì),,標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件 ＝ ？現(xiàn)成構(gòu)件,,已經(jīng)產(chǎn)品化,,形成規(guī)模生產(chǎn),,標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件 ＋ 自行設(shè)計(jì)構(gòu)件 ＝ 用戶系統(tǒng),,構(gòu)件包括了硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件,,構(gòu)件本身可以是層次性的，可以由子構(gòu)件組成,,標(biāo)準(zhǔn)硬構(gòu)件,,硬構(gòu)件的形式：,,IC,：集成電路,,PCB,：印刷電路板,,IP,：Intellectual Property,,,標(biāo)準(zhǔn),IC,,CPU, DSP, ……,,RAM, ROM, 接口控制器，……,,ASIC,……,,標(biāo)準(zhǔn),IP,,CPU核，……,,標(biāo)準(zhǔn)模塊,,GPRS模塊,GSM模塊,藍(lán)牙模塊, ……,,顯示模塊，……,,標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算平臺,,基于PC104的嵌入式計(jì)算機(jī),,基于Compact PCI的嵌入式計(jì)算機(jī),,SOC,……,,標(biāo)準(zhǔn)軟構(gòu)件,,OS / RTOS,,協(xié)議棧,,TCP/IP,,路由協(xié)議,,H.323,,……,,圖形開發(fā)包,,VxWorks的ZINK,,……,,驅(qū)動程序,,,自研硬構(gòu)件,,內(nèi)容,,邏輯電路，專用加速器，……,,實(shí)現(xiàn)方式,,PCB：,,IC：PLD FPGA ASIC,……,,EDA設(shè)計(jì)工具,,板級：,,原理圖設(shè)計(jì)工具,,PCB設(shè)計(jì)工具,,IC,,硬件描述語言: VHDL,Verilog,,原理圖描述工具,,綜合仿真工具,,布線器, …………,,自研軟構(gòu)件,,BSP,,驅(qū)動程序,,應(yīng)用程序,,……,,,軟硬件技術(shù)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響,,硬軟件設(shè)計(jì)的趨勢——融合、滲透,,硬件設(shè)計(jì)的軟件化,,VHDL, Verilog,,HANDL-C,,軟件實(shí)現(xiàn)的硬件化,,各種算法的ASIC,,對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響——協(xié)同設(shè)計(jì),,增加靈活性,,增加了風(fēng)險(xiǎn),,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要求,,,懂得系統(tǒng)的整個(gè)構(gòu)架,,,詳細(xì)了解硬件的細(xì)節(jié),,,軟件設(shè)計(jì)滿足：,,,實(shí)時(shí)要求,,,低功耗,,,代碼量小,,,詳細(xì)了解領(lǐng)域知識,,,嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),,,,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),硬件設(shè)計(jì)工具（EDA工具）,,系統(tǒng)級設(shè)計(jì)工具,,Cadence的SPW,,System View,,模擬電路系統(tǒng)仿真工具,,Pspice,,EWB,,PCB設(shè)計(jì)工具,,Protel,,PADs 的Power PCB & Tool Kit,,Mentor的Expedition & Tool Kit,,可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具,,Mentor FPGA Advantage & ModelSim,,Xilinx Foundation ISE & Tool Kit,,各種綜合和仿真第三方工具,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)定義與主要概念,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)定義,,The meeting of system-level objectives by exploiting the trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent design,,主要概念,,Concurrent,（并發(fā)）,: hardware and software developed at the same time on parallel paths,,Integrated,（一體化）,: interaction between hardware and software developments to produce designs that meet performance criteria,,and functional specifications,,嵌入式系統(tǒng),快速原型,設(shè)計(jì)過程,SYSTEM,DEF.,SW,DESIGN,VIRTUAL PROTOTYPE,REUSE DESIGN LIBRARIES AND DATABASE,Primarily,software,Primarily,hardware,SW,CODE,FUNCTION,DESIGN,HW &,SW,PART.,HW,DESIGN,HW,FAB,INTEG.,&,TEST,HW & SW,CODESIGN,HW & SW Partitioning & Codesign,,,嵌入式系統(tǒng)快速原型開發(fā)的基本要素,系統(tǒng)定義（需求分析）,,軟硬件劃分,,結(jié)構(gòu)規(guī)劃,–,處理器類型,,,軟硬件之間的接口類型,,,等,.,,劃分目的,–,滿足系統(tǒng)速度,,,延遲,,,體積,,,成本等方面的要求,.,,劃分策略,- high level partitioning by hand, automated partitioning using various techniques, etc.,,調(diào)度,,Operation scheduling in hardware,,Instruction scheduling in compilers,,Process scheduling in operating systems,,軟硬件設(shè)計(jì)過程中的建模,,傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型,System,,Concepts,Sys/HW,,Require.,,Analysis,Sys/SW,,Require.,,Analysis,Operation.,,Testing and,,Eval.,Software,,Require.,,Analysis,Prelim.,,Design,Detailed,,Design,Coding,,,Unit test.,,,Integ. test,SW Development,HWCI,,Testing,CSCI,,Testing,System,,Integ. and,,test,Hardware,,Require.,,Analysis,Prelim.,,Design,Detailed,,Design,Fabric.,HW Development,DOD-STD-2167A,,傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程,傳統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)過程的基本特征,:,,系統(tǒng)在一開始就被劃分為軟件和硬件兩大部分,,軟件和硬件獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì),,“Hardware first” approach often adopted,,隱含的一些問題,:,,軟硬件之間的交互受到很大限制,,軟硬件之間的相互性能影響很難評估,,系統(tǒng)集成相對滯后，NRE較大,,因此,:,,Poor quality designs,（設(shè)計(jì)質(zhì)量差）,,Costly modifications,（設(shè)計(jì)修改難）,,Schedule slippages,（研制周期不能有效保障）,,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的尖銳矛盾,,隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的提高，軟硬件設(shè)計(jì)中的一些錯誤將使開發(fā)過程付出昂貴的代價(jià),,,“,Hardware first,” approach often compounds,（混合）,software cost because software must compensate for,（補(bǔ)償）,hardware inadequacies,（不充分）,,軟硬件設(shè)計(jì)過程發(fā)展方向－協(xié)同設(shè)計(jì),System,,Concepts,Sys/HW,,Require.,,Analysis,Sys/SW,,Require.,,Analysis,Hardware,,Require.,,Analysis,Software,,Require.,,Analysis,Operation.,,Testing and,,Evaluation,SW Development,HW Development,System,,Integ. and,,test,HWCI,,Testing,CSCI,,Testing,[,Franke91],,Integrated Modeling Substrate,Integrated Modeling Substrate,（一體化建模底層）,Prelim.,,Design,Prelim.,,Design,Detailed,,Design,Detailed,,Design,Fabric.,Coding,,,Unit test.,,,Integ. test,©,IEEE 1991,,嵌入式軟件的開發(fā)過程（瀑布模型）,Requirement Analysis,Software Design,Coding,Testing,Release,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本需求,統(tǒng)一的軟硬件描述方式,,軟硬件支持統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和分析工具（技術(shù)）,,允許在一個(gè)集成環(huán)境中仿真（評估）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì),,支持系統(tǒng)任務(wù)在軟件和硬件設(shè)計(jì)之間的相互移植,,交互式軟硬件劃分技術(shù),,允許多個(gè)不同的軟硬件劃分設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和比較,,輔助最優(yōu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q策,,將軟硬件劃分應(yīng)用到模塊設(shè)計(jì)，以便最佳地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。,Partitioning applied to modules to best meet design criteria (,功能和性能目標(biāo),),,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本需求,(,續(xù),),完整的軟硬件模型基礎(chǔ),,支持在設(shè)計(jì)過程中的幾個(gè)階段的綜合評價(jià),,支持軟硬件逐步的開發(fā)和集成,,正確的驗(yàn)證方法,,確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)要求,,典型的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程,,,System,,Integration,Instruction set level,,HW/SW evaluation,Unified representation,,(Data/control flow),,HW/SW,,Partitioning,,,Interface,,Synthesis,,Software,,Synthesis,SW,Hardware,,Synthesis,HW,,System,,Description,,(Functional),Concurrent processes,,Programming languages,,FSM-,,directed graphs,,Another,,HW/SW,,partition,,經(jīng)典的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法,Analysis of Constraints,,and Requirements,System Specs..,HW/SW,,Partitioning,Hardware Descript.,Software Descript.,HW Synth. and,,Configuration,Interface Synthesis,Software Gen.,,& Parameterization,Configuration,,Modules,Hardware,,Components,HW/SW,,Interfaces,Software,,Modules,HW/SW Integration,,and Cosimulation,Integrated,,System,System Evaluation,Design Verification,[,Rozenblit94],©,IEEE 1994,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢,在設(shè)計(jì)初始階段就可進(jìn)行軟硬件交互設(shè)計(jì)和調(diào)整,,Provides continual verification throughout the design cycle,（貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)周期）,,Separate HW/SW development paths,（開發(fā)路線）,can lead to costly modifications and schedule slippages,（導(dǎo)致代價(jià)昂貴的糾錯成本和開發(fā)進(jìn)度的下降）,,關(guān)鍵技術(shù)（如可編程邏輯綜合技術(shù)、器件接口和功能模型描述）的進(jìn)步使得軟硬件交互設(shè)計(jì)變得簡單起來,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀,主要問題,:,,缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的表示方法,,缺乏好的驗(yàn)證和評價(jià)方法,,可能的解決方案,:,,擴(kuò)展已有的硬件/軟件語言工具并應(yīng)用到不同種類情況,,擴(kuò)展形式驗(yàn)證技術(shù)并應(yīng)用到硬件/軟件領(lǐng)域,,基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)－－SOPC設(shè)計(jì),,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟,HW-SW system involves,,Specification（設(shè)計(jì)描述）,,modeling （設(shè)計(jì)建模）,,design space exploration and partitioning,,synthesis and optimization（綜合與優(yōu)化）,,Validation（設(shè)計(jì)驗(yàn)證）,,implementation （設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)）,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟,Specification（設(shè)計(jì)描述）,,List the functions of a system that describe the behavior of an abstraction clearly with out ambiguity.,,Modeling,（設(shè)計(jì)建模）,,Process of conceptualizing and refining the specifications, and producing a hardware and software model.,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟,Validation:,,Process of achieving a reasonable level of confidence（置信度） that the system will work as designed.,,Takes different flavors per application domain（根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域而不同）: cosimulation for performance and correctness（性能與功能的協(xié)同仿真）,,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟,Implementation:,,Physical realization of the hardware (through synthesis),,and of executable software (through compilation).,,協(xié)同設(shè)計(jì)中的軟硬件劃分與調(diào)度,(where and when),A hardware/software,partitioning,represents a physical partition of system functionality into application-specific hardware and software.,,Scheduling,is to assign an execution start time to each task in a set, where tasks are linked by some relations.,,,嵌入式系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì),（硬件節(jié)能、軟件節(jié)能）,,,,嵌入式系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì),節(jié)能計(jì)算成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件重點(diǎn)考慮的基本方面：,,節(jié)能計(jì)算包括：,,硬件體系結(jié)構(gòu)支持,,在小巧外形尺寸下，如何實(shí)現(xiàn)所需電源性能的工藝和技術(shù),,熱管理、降噪、電池管理和功能整合,,軟件支持,,節(jié)能編譯,,操作系統(tǒng),,節(jié)能策略,,現(xiàn)狀,電源管理策略,,面向PC、筆記本電腦、服務(wù)器、通信設(shè)備的刀片服務(wù)器,,APM：高級電源管理方案,,ACPI：高級配置和電源接口,,根據(jù)嵌入式系統(tǒng)模型定制節(jié)能技術(shù)非常缺乏，甚至在某些方面是空白,,手持設(shè)備電源管理,電池壽命不等同于電源管理的成效,,性能、多媒體系統(tǒng)、數(shù)碼攝像,,新增功能增加系統(tǒng)的耗電量,,縮短電池壽命,,影響因素,,CPU 功能,,系統(tǒng)軟件,,中間件,,管理策略,,傳統(tǒng)手持設(shè)備管理策略,處理器時(shí)鐘變慢,,操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)入待機(jī)、睡眠狀態(tài),,動態(tài)電源管理 (DPM),,調(diào)整內(nèi)核電壓和頻率,,高性能存儲器,,彩色顯示器,,無線接口,,固化為通用電源管理IC,,軟件節(jié)能策略,預(yù)測什么時(shí)候設(shè)備的未來使用狀況或者使用率,,“time-out”策略預(yù)測特定的時(shí)間長度,,基于GSPN網(wǎng)絡(luò)和HMM的技術(shù),,Montavista,,基于linux,,通用性強(qiáng)，但是嵌入式系統(tǒng)定制性強(qiáng)，效果不佳,,能耗測試,測試出每條指令的能耗，估計(jì)測試程序運(yùn)行完的總能耗,,測試出每個(gè)函數(shù)的能耗，然后利用這些函數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)去估計(jì)其他函數(shù)運(yùn)行的能耗,,節(jié)能操作系統(tǒng),目的,,保證操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的前提下，完成能耗計(jì)算,,調(diào)度算法的節(jié)能優(yōu)化,,中斷處理優(yōu)化,,低功耗文件系統(tǒng),,CPU 電壓和頻率調(diào)節(jié)會給實(shí)時(shí)性能帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),,可能造成不穩(wěn)定,,“重新鎖定”鎖相環(huán)路和其它動態(tài)時(shí)鐘機(jī)制需要時(shí)間，造成了很長的等待時(shí)間（有時(shí)是毫秒級別）,,鎖定期間 CPU 既不能執(zhí)行計(jì)算操作，又不能響應(yīng)外部事件（中斷）,,每一軟件,,相應(yīng)的手機(jī)最低電壓,,CPU頻率,,相應(yīng)設(shè)備,,通過動態(tài)的調(diào)節(jié)CPU的內(nèi)核頻率與內(nèi)核電壓，以及動態(tài)的關(guān)閉系統(tǒng)的某些設(shè)備和調(diào)整某些設(shè)備的狀態(tài),,外設(shè)驅(qū)動,針對不同功能部件的能耗，進(jìn)行合理的功耗優(yōu)化,,從電池開始，嚴(yán)格和精確地電量測量,,根據(jù)外設(shè)特征研究不同的電源管理策略下的驅(qū)動,,現(xiàn)有情況,,硬件產(chǎn)品有幾種狀態(tài)定義,,狀態(tài)提供不同的服務(wù)質(zhì)量和消耗的能量,,提供各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換接口,,算法目標(biāo),,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的節(jié)能策略,,減少待機(jī)能耗,,人工智能技術(shù)的應(yīng)用,,通過軟件來動態(tài)的預(yù)測和控制某些部件的開關(guān),,節(jié)能通訊協(xié)議棧,連接干預(yù),,節(jié)能的傳輸調(diào)度算法,,緩沖區(qū)技術(shù),,局部性原理與預(yù)取,,低功耗壓縮算法,,節(jié)能編譯,對每條指令的能耗進(jìn)行測試,,對函數(shù)編譯結(jié)果的能耗進(jìn)行估計(jì),,錯誤處理代碼的能耗設(shè)計(jì),,基于ICE進(jìn)行函數(shù)執(zhí)行代碼統(tǒng)計(jì),,