数字系统软硬件协同综合设计

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1、数字系统软硬件协同综合设计作者：RajeshK.GuptaGiovanniDeMicheli计算机系统实验室，斯坦福大学摘要随着系统设计复杂度的不断提高，预设计组件的使用，如通用微处理器，有效的降低了综合硬件的复杂度。当系统的设计包括更换新的处理器和ASIC芯片时，由于针对特定应用的硬件和处理器软件，计算模型和频率不同，给这种异构或混合系统的计算机辅助综合设计带来了挑战性的问题。在本论文中，通过使用时间限制来控制软硬件上的任务，最终达到要求的性能限制，我们展示了实现异构系统合成的可行性。第1章介绍大多数特

2、定用途的数字系统是由通用处理器，存储器和特定应用的硬件电路组成。这种嵌入式系统广泛分布于医疗仪器，工程控制，汽车自动化和网络与通信系统中。除了针对特定应用之外，这类系统的设计还要考虑到针对执行时间的各种限制，至此这类系统之称之为实时嵌入式系统。设计和分析实时嵌入式系统面临诸多挑战，如性能评估，合适的系统实施步骤选择，系统功能性和时间性属性的验证。在实际应用中，这类系统是从没有严格定义功能的系统规格说明书开始实施，并采用以设计为导向的开发方法。例如，如图1所示的网络处理器的设计，它连接了一条串行线和存储器。

3、这个处理器的作用是通过串行线使用特定的通信协议（如以太网连接中的CS/CD协议）发送和接受数据。用特定硬件还是用运行在处理器上的软件来实现该功能，通常是基于可获得的性能和实现该功能的各部分成本。这种软硬划分很大程度上取决于设计者的经验，而且发生在系统设计实施的早期阶段，并影响着设计的每个阶段，它通常导致设计部分不是无法满足性能要求，就是过于超出性能要求。更重要的是，由于整个设计过程的对等性质，无法保证给定的实现是否满足系统的性能需求（可能的话，除非重复设计）。图1–面向设计的系统实现相反，一种称之为协调设

4、计的系统实现方法学已经在独立的集成电路芯片（芯片级协同设计）方面取得很大成功。系统设计对于特定系统的硬件属于行为级，可以通过适当的专用语言来描述。为数字系统选择一种合适的描述语言属于正在进行的一个研究课题，近年来，使用硬件描述语言HDLs已经广泛地为人所接受。针对数字硬件电路的系统设计方法学，实现了电路功能的行为描述，并试图产生一种纯硬件的门级实现（如图2所示）。图2–软硬件协同综合设计最近在高水平协同设计方面的进展，使得从高水平的系统规格开始实施数字电路软硬件协同设计成为可能，并且在工业界和学术界已经有

5、了一些可用的这类系统。协同设计的输出是由单个或多个芯片实现的门级或几何级描述。随着门数（逻辑单元）的增加，这种设计方法需要利用定制或半定制的设计方法，从而也导致了成本和设计周期的相应增加。因此，对于大型系统设计，综合硬件解决方案依赖于芯片实现所需要的技术选择而变得相当的昂贵。在系统开发成本和性能簇的另一方面，我们可以用通用编程语言创造一个仿真的软件原型系统，如快速原型系统。这类软件原型系统可以快速的创建，经常用于需要修改系统功能的开发中。然而，软件原型系统在有时间限制的系统设计中往往达不到性能要求（如图2

6、）。尽管如此，在实践中，有效成本设计常常综合使用软硬件来实现全部的目标（如图1），这就为尝试使用综合设计方法实现由软硬件组成的系统提供了动力。这种方法得益于普遍存在的权衡设计的系统分析，并设计出有效成本的系统。实现这个目标的一种途径就是指定最终实现的系统在成本和性能上的要求（如图3）。图3–系统实现的建议方案在本论文中，我们将阐述一种系统的研究方法，实现以限制为驱动的系统设计。此项研究建立在数字硬件的高水平综合设计技术之上，并扩展了系统实现的资源需求的思想，图4表示了这种方法必备的各种条件。图4–嵌入式系

7、统综合设计在一个初步确定了软硬件实施方案的系统模型中，需要考虑到行为规范。然后将这个软硬件划分模型综合成一个软硬件组件相互关联的目标系统架构（如图5所示）。这个目标架构将一个处理器嵌入到一个特定用途的硬件中，这个处理器的指令和数据操作只使用一级存储器和地址空间。同时，为了简化硬件组件的的综合和性能评估，特定用途的硬件不采用流水线。用于它的相对简化，该目标架构可以在嵌入式系统领域得到广泛的应用。图5–目标系统架构本论文的组织结构如下：第二章阐述了如何获取系统功能和限制，并产生一个中间表示，从而系统地研究软硬

8、件划分权衡方案。第三章介绍了一种系统功能划分的技术。第四章阐述了实现混合系统设计中使用的综合设计技术。第五章和第六章我们举了一个设计实例，并为我们在系统综合设计方面的试验做了一个总结。第1章获取系统功能和限制规约我们用一种硬件描述语言（HardwareC）来描述系统功能，这里阐述的系统综合设计方法并不依赖于HDL语言的某个特定选择，也可以用其他的硬件描述语言（HDLs）来描述，如VHDL或Verilog等。HardwareC利