可用于嵌入式軟硬件開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬系統(tǒng)原型

復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)已日益普及并成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧Ｒ惠v汽車平均包含80個(gè)每秒能執(zhí)行上億條指令的嵌入式處理器。以一個(gè)單獨(dú)的dsp上以軟件方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)調(diào)制解調(diào)器的配置為例，現(xiàn)在的手機(jī)包含2到4個(gè)處理器。 　　然而隨著嵌入式系統(tǒng)日益普及，設(shè)計(jì)危機(jī)也逐漸凸現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近40%的嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的矛頭都指向基本工程方法的失敗。在傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步驟中，硬件設(shè)計(jì)要超前軟件開(kāi)發(fā)，而嵌入式系統(tǒng)中軟件正日益占據(jù)關(guān)鍵地位。因而，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)步驟在嵌入式系統(tǒng)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(jī)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(tǒng)的開(kāi)發(fā)雪上加霜。很明顯，嵌入式設(shè)計(jì)的方法和工具需要進(jìn)行一次革命。 　　也就是說(shuō)，系統(tǒng)架構(gòu)、硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)各階段之間的關(guān)系需要調(diào)整，而這種需求恰好正是目前的電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)(esl)中最受關(guān)注的問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)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(shè)計(jì)模式，一套能夠?qū)θ到y(tǒng)建模的方法，以促進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)研究并實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，以允許設(shè)計(jì)人員從原始設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，直到最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。 　　至今為止，大多數(shù)將soc系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)自動(dòng)化為rtl實(shí)現(xiàn)的嘗試都存在設(shè)計(jì)精確度和設(shè)計(jì)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(jī)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(hù)功能事務(wù)級(jí)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(hù)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(dǎo)致驗(yàn)證錯(cuò)誤。此外，最終將其轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)走出困境，很重要的一點(diǎn)就是讓設(shè)計(jì)師們能夠采用一種在系統(tǒng)架構(gòu)階段設(shè)計(jì)的定時(shí)精確的高性能系統(tǒng)級(jí)模型，然后隨著開(kāi)發(fā)人員從架構(gòu)階段進(jìn)入軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)和驗(yàn)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?qū)崿F(xiàn)從系統(tǒng)架構(gòu)到rtl實(shí)現(xiàn)這一系列完整的設(shè)計(jì)任務(wù)，但一些嵌入式設(shè)計(jì)方案供應(yīng)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(tǒng)原型技術(shù)。
圖1：每個(gè)公司一年里啟動(dòng)的項(xiàng)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(xiàng)目所占百分比)。 　　虛擬系統(tǒng)原型(vsp)是一種基于軟件仿真的電子系統(tǒng)模型，其中可以包含一個(gè)或多個(gè)處理器、總線、硬件外設(shè)，甚至可以包含作為整個(gè)系統(tǒng)一部分的機(jī)械或模擬子系統(tǒng)模型。但最重要的是，vsp運(yùn)行的是與真實(shí)硬件相同的經(jīng)過(guò)編譯和鏈接的目標(biāo)代碼，因而能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際情況下的表現(xiàn)。此外，vsp還是一種周期精確(cycle-accurate)的模型，因此，被設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以根據(jù)對(duì)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(tǒng)的“丟棄式”系統(tǒng)級(jí)模型在硬件和軟件實(shí)現(xiàn)階段就過(guò)時(shí)了，而vsp仍可繼續(xù)用于硬件驗(yàn)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(xiàn)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(yùn)行更大的軟件實(shí)體，還可以用原來(lái)的高級(jí)vsp模型將rtl模型換出。系統(tǒng)級(jí)測(cè)試范例是作為可執(zhí)行系統(tǒng)規(guī)范的一部分生成的，然后，隨著軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程的進(jìn)展，再由上至下地生成結(jié)構(gòu)、模塊和單元測(cè)試。 　　最后一點(diǎn)，vsp的升級(jí)和分發(fā)也很容易。對(duì)那些在地域上分布較零散的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送軟件模型也比運(yùn)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(tǒng)原型，因此集成起來(lái)也更快和更容易。 虛擬系統(tǒng)原型在無(wú)線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用舉例 　　在單芯片系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最復(fù)雜也是競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域。越來(lái)越多領(lǐng)先的無(wú)線設(shè)計(jì)公司開(kāi)始利用虛擬系統(tǒng)原型技術(shù)提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)力、縮短上市時(shí)間，并降低風(fēng)險(xiǎn)。以下介紹的無(wú)線設(shè)計(jì)在一塊芯片中容納了兩個(gè)處理器內(nèi)核、一個(gè)dsp、多級(jí)存儲(chǔ)器、6種復(fù)雜的多層總線結(jié)構(gòu)、一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、超過(guò)30個(gè)外設(shè)，外加超過(guò)兩百萬(wàn)行代碼。這款手機(jī)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(jī)接口，以及一系列諸如wifi和usb之類的其他接口。
圖3：傳統(tǒng)的手機(jī)設(shè)計(jì)流程和利用虛擬系統(tǒng)原型的手機(jī)設(shè)計(jì)流程的比較