標(biāo)題：可用于系統(tǒng)架構(gòu)和嵌入式軟硬件開發(fā)的虛擬系統(tǒng)原型
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)開發(fā)延遲，還有超過9%的開發(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)的開發(fā)步驟中，硬件設(shè)計(jì)要超前軟件開發(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)開發(fā)步驟在嵌入式系統(tǒng)開發(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)間也越來越短(后文舉出的手機(jī)開發(fā)的例子總開發(fā)時(shí)間還不到一年)，這又給嵌入式系統(tǒng)的開發(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，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)級設(shè)計(jì)(ESL)中最受關(guān)注的問題。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)級設(shè)計(jì)自動化為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自動化為硬件建模語言(能將順序軟件語義翻譯為基于狀態(tài)機(jī)的并行硬件語言) 的工具，不但要求開發(fā)人員創(chuàng)建并維護(hù)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(hù)這些“多視角”本身就有問題，而這些視角之間在時(shí)序和功能方面的不一致還會導(dǎo)致驗(yàn)證錯(cuò)誤。此外，最終將其轉(zhuǎn)為RTL的過程主要仍是一個(gè)手工操作的過程。
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)級模型，然后隨著開發(fā)人員從架構(gòu)階段進(jìn)入軟硬件協(xié)同開發(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)還沒有一種全自動化的工具鏈能夠?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)過編譯和鏈接的目標(biāo)代碼，因而能夠準(zhǔn)確預(yù)測系統(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)對實(shí)時(shí)性的要求建模。
一旦模型建立，硬件和軟件開發(fā)就可以同時(shí)啟動，這樣一來，既減少了開發(fā)所用的總資源，也縮短了開發(fā)周期。
傳統(tǒng)的“丟棄式”系統(tǒng)級模型在硬件和軟件實(shí)現(xiàn)階段就過時(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，還可以用原來的高級VSP模型將RTL模型換出。系統(tǒng)級測試范例是作為可執(zhí)行系統(tǒng)規(guī)范的一部分生成的，然后，隨著軟硬件開發(fā)過程的進(jìn)展，再由上至下地生成結(jié)構(gòu)、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發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送軟件模型也比運(yùn)送電路板更簡單。這樣一來，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，由于軟硬件開發(fā)采用的是同一個(gè)虛擬系統(tǒng)原型，因此集成起來也更快和更容易。
虛擬系統(tǒng)原型在無線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用舉例
在單芯片系統(tǒng)的開發(fā)中，無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最復(fù)雜也是競爭最激烈的領(lǐng)域。越來越多領(lǐng)先的無線設(shè)計(jì)公司開始利用虛擬系統(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、多級存儲器、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30個(gè)外設(shè)，外加超過兩百萬行代碼。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2：利用VSP技術(shù)，軟件開發(fā)可以在硬件就緒前9個(gè)月甚至更早開始。
以前的項(xiàng)目結(jié)束后，這個(gè)設(shè)計(jì)小組決定必須改變傳統(tǒng)的“先硬件后軟件”的設(shè)計(jì)方法才能滿足日益縮短的上市時(shí)間需求。
采用VSP的結(jié)果
他們選擇了VaST Systems提供的虛擬系統(tǒng)原型方案，這不但是一個(gè)高性能的方案，而且絲毫無損設(shè)計(jì)精度。從系統(tǒng)架構(gòu)階段直到軟硬件協(xié)同開發(fā)和驗(yàn)證階段都可以采用同一個(gè)VaST處理器模型(虛擬系統(tǒng)原型的核心)。
根據(jù)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(jié)構(gòu)和多級總線的多內(nèi)核系統(tǒng)時(shí)，在保持周期精度的同時(shí)速度可達(dá)10到100MIPS。
首先，系統(tǒng)架構(gòu)師利用VSP進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)研究和分析。VSP能夠運(yùn)行基于應(yīng)用的軟件，因此設(shè)計(jì)師可以據(jù)此考慮緩存的大小、處理器的處理能力等性能問題，同時(shí)還可以檢查出系統(tǒng)中潛在的資源共享、同步和總線帶寬問題。此外，利用VSP，設(shè)計(jì)小組還可以在真實(shí)系統(tǒng)的環(huán)境下檢查第三方IP。
有了VSP，軟件開發(fā)人員可以提前幾個(gè)月開始編寫系統(tǒng)中的關(guān)鍵函數(shù)(例如系統(tǒng)初始化程序、硬件抽象層、RTOS/OS及其相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序、中間件軟件，甚至是嵌入式應(yīng)用的代碼)，然后再進(jìn)入傳統(tǒng)的硬件、軟件開發(fā)流程。
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
在使用VSP之后，這家公司發(fā)現(xiàn)他們的競爭優(yōu)勢得到了很大提升，于是決定繼續(xù)將VSP技術(shù)作為其首選設(shè)計(jì)方法。
本文小結(jié)
嵌入式系統(tǒng)不論從絕對數(shù)量還是從復(fù)雜度來說都在飛速地發(fā)展，而且在嵌入式系統(tǒng)中，通過軟件實(shí)現(xiàn)的功能越來越多。
傳統(tǒng)的先硬件后軟件的設(shè)計(jì)方法對這種復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)已不再適用。因?yàn)椴坏珡馁|(zhì)量還是從生產(chǎn)力的角度說，軟件和硬件都必須同時(shí)開發(fā)和驗(yàn)證。
人們早期所作的用軟件來建模硬件系統(tǒng)的嘗試存在很多問題，包括要求設(shè)計(jì)師創(chuàng)建并維護(hù)模型的多個(gè)“角度”。要解決這些問題，硬件系統(tǒng)的軟件模型必需同時(shí)具備快速和準(zhǔn)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(tǒng)架構(gòu)階段，又能成為出色的軟硬件協(xié)同開發(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(zhǔn)確的虛擬處理器模型(嵌入式系統(tǒng)的核心)。已經(jīng)有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用了我們的系統(tǒng)原型，根據(jù)配置的不同，該模型在單處理器內(nèi)核系統(tǒng)中的仿真速度可達(dá)50到 200 MIPS，在帶分層存儲器結(jié)構(gòu)和多級總線的多內(nèi)核系統(tǒng)中可達(dá)10到 100 MIPS。
一家領(lǐng)先的手機(jī)嵌入式系統(tǒng)供應(yīng)商采用了虛擬系統(tǒng)原型 技術(shù)，并在硬件就緒之前9個(gè)月就開始了軟件開發(fā)。用他們的話說，采用虛擬系統(tǒng)原型 技術(shù)可謂“用更少的成本和更短的開發(fā)時(shí)間設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品”。