（计算机应用技术专业论文）嵌入式软件仿真开发平台的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 随着嵌入式系统的深入发展，对开发工具提出了更高的要求。在传统软硬件 协同开发模式中，软件和硬件开发相互牵制，硬件干扰引起的异常行为严重影响 软件的调试和测试，延误开发进度，致使软件质量难以保证。仿真开发是摆脱困 境的一条有效途径。利用仿真技术模拟嵌入式硬件系统的真实运行，使软件开发 和系统集成在虚拟平台上进行，在硬件原型制造前就完成系统模型验证和运行行 为分析，避免软硬件开发相互等待，从而提高开发效率，降低风险和成本。 在嵌入式软件仿真开发平台的实现中，主要涉及以下几项关键技术：基于构 件技术的软件系统具有很高的重用性，可以在构造硬件平台的仿真系统时引入； e c l i p s e 的插件机制是组装仿真系统的有效工具；软件仿真技术也是实现仿真平台 的关键，包括基于事件驱动和基于电路两种仿真方式。 在参考现有嵌入式开发平台和技术成果的基础上，本文提出嵌入式软件仿真 开发平台的设计思路和实现技术。仿真开发平台采用构件化设计思想，构建于 e c l i p s e 的插件机制上，由一组维护运行的管理工具和仿真构件组成，它们以对象 的形式进行交互，通过事件驱动模拟硬件环境的运行行为。 针对硬件部件的物理特性和仿真环境下的特殊要求，平台给出简洁的仿真构 件模型，由构件的外部属性接口、功能属性接口和仿真控制属性接口组成，按照 构件模型实现的仿真构件接口标准、功能明确、易于扩展。平台提供一组管理工 具支持用户对仿真构件的操作。其中，构件库管理器是浏览查询构件的窗口，运 行环境配置器是搭建仿真目标板的平台，运行环境管理器则是维护仿真环境正常 运行的管理者，虚拟逻辑分析仪可供用户查看仿真构件运行时的引脚信号，而基 于g d b 的调试器则实现了嵌入式系统的“交叉调试”功能。 在上述研究基础上，本课题已实现了一个嵌入式软件仿真开发平台。该平台 支持从构件库中选取需要的仿真构件，以可视化图形编辑的方式构造仿真目标硬 件环境；加载目标码的仿真运行环境启动后，各仿真构件能在应用软件逻辑的控 制下协调运行，从而支持嵌入式系统软件的调试和测试验证。系统具有较高的仿 真度，良好的扩展性，提供图形化的配置管理，并且仿真运行达到周期精确。 关键词：嵌入式系统，开发平台，软件仿真，仿真构件 一i a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n - d e p t hd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m ，ah i g h e rr e q u i r e m e n tt o t h ed e v e l o p m e n tt o o l sh a sb e e nr a i s e d i nt h et r a d i t i o n a ls o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o o p c r a t i v ed e v e l o p m e n tm o d c ，t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n t c o n t a i n se a c ho t h e r t h eu n c o n v e n t i o n a la c t i v i t i e sc a u s e db yt h eh a r d w a r ei n t e r f e r eh a v e s e r i o u s l ye f f e c t e dt h ec o m m i s s i o na n dt e s to fs o f t w a r e ，w h i c hm a k et h eq u a l i t yo f s o f t w a r eb e i n gh a r dt ob eg u a r a n t e e dw i t ht h ed e l a yi nd e v e l o p m e n tp r o c e s s s i m u l a t i o n d e v e l o p m e n ti s a ne f f e c t i v em e t h o dt ob r e a ka w a yf r o mt h em e s s s i m u l a t i o n t e c h n o l o g ys h a ub eu t i l i z e dt os i m u l a t et h er e a lr u n n i n go fe m b e d d e dh a r d w a r es y s t e m t oe n a b l et h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n ds y s t e mi n t e g r a t i o ni m p l e m e n t e do nav i r t u a l s t a g e ，s oa st oc o m p l e t et h es y s t e mm o d e lv e r i f i c a t i o na n dr u n n i n ga c t i v i t ya n a l y s i s b e f o r et h em a n u f a c t u r eo fh a r d w a r ep r o t o t y p e ，a v o i d i n gt h em u m a lw a i tb e t w e e nt h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n t ，i no r d e rt oi m p r o v et h ed e v e l o p m e n t e f f i c i e n c ya n dl o w e rt h er i s k sa n dc o s t s t h e r ea r es e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si ni m p l e m e n t i n gt h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o r e m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t f i r s t l y , s i n c et h ec o m p o n e n tt e c h n o l o g yc a l lp r o v i d e s o f t w a r ew i t hg r e a tr e u s a b l i t y , i ts h a l lb ei n t r o d u c e di n t ot h ec o n s t r u c t i o no fs i m u l a t i o n s y s t e mf o rh a r d w a r ep l a t f o r m s e c o n d l y , t h eg o o de x p a n s i b i l i t yo ft h es i m u l a t i o n s y s t e mi ss u p p o r t e db yt h ep l u g i nm e c h a n i s mo fe c l i p s ep l a t f o r m t h i r d l y , t h es y s t e m s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa l s oak e yt oi m p l e m e n tt h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c h i n c l u d e st w om o d e s ：t h ee v e n t - d r i v e ns i m u l a t i o na n dt h ec i r c u i ts i m u l a t i o n r e f e r i n g t h e e ) 【i s t i n g e m b e d d e dd e v e l o p m e n t p l a t f o r m a n dt e c h n o l o g i c a l a c h i e v e m e n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns u b m i t st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o n p l a f f o r mf o re m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h i sp l a t f o r mi sd e s i g n e db a s e do n c o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n db u i l to nt h ep l u g i nm e c h a n i s mo fe c l i p s e i ti sc o n s t i t u t e d w i t hs i m u l a t i o nc o m p o n e n t sa n das e to fm a n a g e m e n tt o o l s t h em o d u l e so ft h i s p l a t f o r mi n t e r a c ti nt h ef o r mo fo b j e c ta n ds i m u l a t et h er e a lr u n n i n go fh a r d w a r e e n v i r o n m e n tt h r o r i g he v e n t - d r i v e n s u b j e c tt o t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i co fh a r d w a r e ，as i m p l i f i e ds i m u l a t i o n a b s t r a c t c o m p o n e n tm o d e li sg i v e n i t ss t r u c t u r ei sc o n s t i t u t e dw i t ht h ee x t e r i o rc h a r a c t e r i s t i c i n t e r f a c e ，p h y s i c a lp e r f o r m a n c ei n t e r f a c ea n ds i m u l a t ec o n t r o li n t e r f a c e t h es i m u l a t i o n c o m p o n e n tc o n f o r m st ot h i sc o m p o n e n tm o d e ls t a n d a r dh a ss t a n d a r di n t e r f a c e ，c l e a r f u n c t i o na n dg o o de x p a n s i b i l i t y t h ep l a t f o r mp r o v i d e sas e to fm a n a g e m e n tt o o l st o o p e r a t es i m u l a t i o nc o m p o n e n t s a m o n gw h i c h ，t h ec o m p o n e n tl i b r a r ym a n a g e ri st h e w i n d o wt ob r o w s ea n di n q u i r yc o m p o n e n t s ；t h ee n v k o n m e n ta l l o c a t o ri st h ep l a t f o r mt o b u i l dt h es i m u l a t i v et a r g e tb o a r d ；t h ee n v i r o n m e n tm a n a g e ri st h et o o lt om a i n t a i nt h e r u n n i n go fs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ；t h ev i r t u a ll o g i c a la n a l y z e ra n dt h ed e b u g g e ra r et h e t o o l st ot e s ta n dv e r i f yt h ee m b e d d e ds o f t w a r e b a s e do nt h ea b o v es t u d y , ns i m u l a t i o n p l a t f o r m f o re m b e d d e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n th a sr e a l i z e d a f t e rt h es t a r t - u po fs i m u l a t i o nr u n n i n ge n v i r o n m e n tw i t h l o a d e do b j e c tc o d e ，e a c hs i m u l a t i o nc o m p o n e n ts h a l lh a r m o n i o u sr u nu n d e rt h el o g i c c o n t r o lo fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h es y s t e mh a sh i g h l ys i m u l a t i o nd e g r e a sw e l la s e x c e h e n te x p a n s i b i l i t y , a n di tp r o v i d e sg r a p h i c a li n t e r f a c e sf o rc o n f i g u r i n g e s p e c i a l l y , i t sac y c l e - a c c u r a t es i m u l a t i o np l a t f o r m k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，d e v e l o p m e n tp l a t f o r m , s o f t w a r es i m u l a t i o n ， s i m u l a t i o nc o m p o n e n t m 一 目录 图目录 图2 1 传统嵌入式系统开发过程图1 0 图2 2 嵌入式系统仿真开发过程图1 0 图2 3 仿真三要素关系图1 l 图2 4 基于事件驱动的仿真过程图1 3 图2 - 5 面向构件软件开发流程：2 0 图2 - 6x m l 基础标准2 1 图2 - 7e c l i p s e 的体系结构2 5 图乒1 仿真开发过程3 l 图4 2 应用仿真开发环境3 2 图乒3 仿真开发平台的体系结构图3 4 图4 4 仿真开发平台集成模型3 5 图4 5 仿真目标板结构图3 6 图4 6 运行实例示意图3 8 图4 - 7 仿真时钟工作原理图3 9 图4 8 构件连接关系示意图4 0 图4 - 9 仿真环境运行示意图4 2 图4 - 1 0 虚拟逻辑分析仪体系结构4 3 图4 - 1 1 调试器体系结构图4 4 图5 1 构件模型类图5 0 图6 1 新建项目5 6 图6 2 仿真配置器中生成仿真目标板5 6 图6 3 配置存储器构件5 7 图6 4 启动仿真运行环境5 7 图6 5 在仿真平台上运行a r m - l i n u x 5 8 表目录 表3 - 1a r m u l a t o r 和s k y e y e 的比较2 9 表4 1 构件a 的路由表4 0 表t 2 构件b 的路由表4 0 缩略词表 英文缩写 卫c e s o c e m u m c u e d s p r t o s c b d x m l i s i m 缩略词表 英文全称中文释义 i n c i r c u i te m u l a t o r在线仿真器 s y s t e mo nc h i p 片上系统 e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t嵌入式微处理器 m i c r o c o n t r o l l e ru n i t嵌入式微控制器 e i n b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r嵌入式d s p 处理器 r e a l 髓mm u l t i - t a s k i n go p e r a t i o ns y s t e m实时多任务操作系统 c o m p o n e n tb a s e dd e v e l o p m e n t 面向构件的软件开发 e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e可扩展标签语言 ，本文的嵌入式软件仿 i8 i m u l a t e 真开发平台 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：墼 日期：力0 1 年午月均日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：隆塞导师签名：铋 日期：硼年牛月留e t 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 传统的嵌入式系统的开发通常需要建立一个交叉编译环境，这使得只有在目 标硬件系统设计完成之后，才能进行操作系统和应用软件的调试和开发，软件和 硬件开发相互牵制。而硬件干扰引起的异常行为又严重影响软件的调试和测试， 延误开发进度，致使软件质量难以保证。 仿真开发是解决上述问题的一条有效途径之一。该方法利用仿真技术模拟嵌 入式硬件系统的真实运行，使软件开发和系统集成在虚拟平台上进行，在硬件原 型制造前就完成系统模型验证和运行行为分析，避免软硬件开发相互等待，提高 开发效率，降低风险和成本。 本文在了解当前嵌入式产品的开发需求和技术现状的基础上，重点分析和研 究了嵌入式软件开发仿真技术、构件技术以及领域工程，提出了一种基于嵌入式 系统仿真的应用软件开发平台架构，为嵌入式软件的快速设计验证提供一系列的 支持。所设计的仿真开发平台采用纯软件的方式仿真嵌入式系统硬件部件，组合 仿真的硬件部件构成虚拟目标环境，实现运行环境的整体仿真。基于该虚拟的协 同环境，嵌入式软件开发可以完全脱离真实硬件，不仅使软件的设计错误在系统 制造之前就被发现、修改【l 】，还可以获得系统功能的真实描述，对硬件方案的设计 进行验证和调整。同时，再加上仿真平台提供的丰富的调试工具和逻辑分析仪， 不仅可以跟踪调试应用软件的执行过程，也可以对m c u 的运行状态了如指掌。 1 2 国内外现状 1 2 1 嵌入式开发 因为嵌入式软件规模不断扩大，必须采用嵌入式操作系统来管理软、硬件资 源。在现在嵌入式系统中，由于引入了操作系统，减少了很多不确定的因素，系 统的稳定性也得到了极大的保证，同时缩短了开发周期，嵌入式开发人员也从繁 杂的c p u 和硬件控制工作中解脱出来，从而能够专注于应用系统的开发。现在流 电子科技大学硕士学位论文 行的嵌入式实时操作系统一般都提供了相应的集成开发平台，如v x w o r k s 上的 t o r n a d o ，w i n c e 上的e v c ，以及d e l t a o s 上的l a m b d a t o o l 等。 同时，由于嵌入式软件规模的扩大，以往的面向过程的模块化分析方法已经 很难满足要求。基于对象的统一建模语言( u m l ) 可以描述对于实时系统极为关键的 结构和行为方面，并且已成为有效设计的优秀媒介。h a s s a ng o n a a 提出的并发对 象建模和体系结构设计方法( c o m e t ) 以及b r u c ep o w e ld o u l g l a s s 等人提出的嵌入 式系统的快速面向对象过程( r o p e s ) 都是在吸收了统一建模语言精髓的基础上，并 融合了嵌入式实时系统固有特点发展而来的基于u m l 的嵌入式系统建模和分析 方法。 嵌入式系统可以归入电子技术和计算机技术交叉学科的范畴，因此存在着硬 件、软件在设计时的协调和配合问题。虽然在系统设计的初始阶段考虑了软硬件 接口问题，但由于软硬件分别开发，各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成 时出错误。由于设计方法的限制，这些错误不但很难定位，而且对它们的修改往 往会涉及整个软件结构和硬件配置的改动，会带来灾难性后果。为了避免上述问 题，软硬件协同设计的方法应运而生。首先，采用有限状态机( f s m ) 、统一化规格 语言( c s p ) 和硬件描述语言( h d l ) 等方法对系统进行抽象描述，对软硬件统一表 示，便于功能划分和综合；然后，在此基础上对软，硬件进行划分。这种方法的特 点是在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑软，硬件的关系，并在设计的 每个层次上给予测试验证，从而尽早发现和解决问题。 1 2 2 仿真开发 目前，针对仿真开发技术，国内外都进行了大量的研究和应用。在原理上， 仿真开发也可看成是一种交叉开发方式一宿主机和目标机虽然在同一个平台上， 但其运行环境( 包括仿真硬件、操作系统和设备驱动等) 各不相同；交叉在两个 环境之间进行。按照所使用环境的差别，仿真开发分成硬件仿真开发和软件仿真 开发两种。 在硬件仿真方面，最常用的是在线仿真器( i c e ) 。在线仿真器是1 9 7 5 年美国 i n t e l 公司提出的概念，所谓仿真是指用一个拥有样机c p u 所有功能的调试装置 来取代该样机的c p u ，这种调试装置具有协调该样机软、硬件工作的能力。随着 电子技术的更新换代数字仿真器取代了模拟仿真器。在各种控制系统的开发过程 中在线仿真器为系统的软硬件联调提供了很大的方便。在线仿真器就是通过开发 2 第一章绪论 系统与目标系统的联接，用一个仿真微处理器取代目标系统中的微处理器，通过 开发系统对目标系统进行控制和仿真操作。它综合软件开发、硬件调试和逻辑分 析的功能，是一种综合性的开发工具 2 1 。在线仿真器分为以下几类：嵌入式在线仿 真器3 ( e m b e d d e di n - c i x c u i te m u l a t o r ) 、多在线仿真器( m u l t ii n c i r c u i te m u l a t o r s ) 、 独立型在线仿真器e 4 1 ( s t a n d a l o n ei n - c i r c u i te m u l a t o r ) 。但是，在线仿真器又有以下 缺点【5 】；特定性强，一种在线仿真器能仿真的有限；价格昂贵，一套在线仿真器的 价格一般都需要几千至上万人民币甚至更高；在应用开发过程中仍需与硬件打交 道，软，硬件问敏感的交互影响会产生大量的麻烦和进度的延误，很多不确定因素 会引起错误。 在一个完整的嵌入式开发环境中，基本上是既提供交叉开发环境，又提供仿 真开发环境，以适应不同应用、不同开发阶段的需要。t o r n a d o 提供的目标机仿 真器v x s i m ，使开发者可独立于硬件环境而先行开发应用程序，从而节省了新产 品的研发时间和硬件方面的开销【6 】。d e l t a o s 中的嵌入式应用系统设计仿真环境提 供了这样一个帮助设计嵌入式应用系统的前期软件模型和分析其实时性能的工具 【7 】。n o k i a t o o l k i t 为开发者提供了非常友好、方便的界面，并能很好的模拟、编辑、 测试、调试、应用自己的软件。西北工业大学计算机系实现了一个l i n u x 上嵌入式 集成开发环境c c “n u x e t k s d k ，提供了对仿真开发的支持脚。 纯软件的仿真开发平台可迸一步改善开发环境，避免硬件干扰，集中精力开 发软件。它是用计算机软件模拟实际硬件电路的运行，构建应用软件运行所需的 虚拟硬件环境，提供嵌入式软件开发和调试的真正“软”平台。软件仿真器己有 数十年的历史，这可以追溯到1 9 6 4 年。那时，m m 的新s y s t e m 3 6 0 可以执行为 m1 0 4 0 写的程序唧，只是速度比在真正的芯片上运行要慢很多。仿真器可以使 人自由的在其所希望的计算机上运行其所希望的程序，而无需关心底层硬件和系 统软件的技术差异，因此在芯片的开发和应用领域有广泛的应用。m m 公司在1 9 9 4 年用c + + 实现了一个面向其p o w c r p c6 0 3 处理器的时钟精确模型 1 0 1 。服务器巨头 s u n 公司在1 9 9 5 年开发u l t r a s p a r c 处理器时，设计了名叫i n c a s 的时钟精确仿 真模型【1 l 】。1 9 9 2 年威斯康星大学编写了一个叫s i m p l e s c a l a r 的工具剿1 2 1 ，并在1 9 9 5 年成为开源工具。而嵌入式处理器供应商a r m 的d c s i g n s t a r t 计划则是时钟精确 仿真平台应用的成功例子【1 珂。斯坦福大学的开源项目s i m o s 主要仿真m i p s 处理 器族，是一个全系统仿真平台，可以运行m t x ( u n ) 操作系统【”】。m m o u d g i l l 实 现了每小时运行超过3 5 0 万条指令的仿真软件t o r a n d o t e l 5 1 。e d d yq u i c k s a u ，k e n g i b s o n 提出了种利用仿真环境加速驱动开发的方法【l 们。国内芯片设计厂商苏州 - 3 一 电子科技大学硕士学位论文 国芯科技有限公司在2 0 0 3 年推出基于摩托罗拉的m * c o m 名为c * s o c 的s o c 仿 真验证平台7 1 ，其中包括一个仿真器- - s i m d e v 。李霞、亓雪冬提出并实现了在i , i n u x 系统上的r t o s 通用仿真环境l i n u x v a l 1 羽。浙江大学的金方其等设计实现了一个 可重配置的时钟精确嵌入式处理器仿真平台1 9 1 。 1 2 3 构件技术 软件构件技术的出现，根本上改善目前软件生产高成本、低效率的状况，为 实现软件由作坊式生产向工业化生产的飞跃，带来了新的机会。但目前的软件构 件技术，尚不能使软件生产达到目前成熟产业的工业化水平。简单介绍一下国内 外相关领域的研究情况。 1 ) 1 9 9 0 年由西欧e s p r i t 实现的r e b o o t ( r e u s eb a s e do no b j e c t - o r i e n t e d t e c h n i q u e s ) 是国际上比较著名的构件库系统，它包括一个存储可复用构 件的构件库和一组产生、认证、插入、提取、评价和适配等可复用构件的 工具。同时，强调重用并不仅限于代码，构件也可来自分析和设计阶段， 构件的规模可大可小。 2 ) 3 c 模型是在1 9 8 9 年的“r e u s e i n p r a c t i c e w o r k s h o p ”中由一些系统工程领 域的专家提出，它是一个指导性构件属性模型。该模型由构件的三个不同 方面的属性组成，即概念、内容和上下文嗍。 3 ) 自1 9 6 8 年d o u gm a l l o r y 首次提出共享构件库以来，软件重用正在吸引越 来越多的人。尽管障碍重重，人们仍旧坚信系统化的软件重用和基于构件 的开发是大幅度改善软件过程的最有希望的途径。a t & t ，g t e ，n e c 和 t o s h i b a 的研究和实践表明：重用可以是软件的上市时间缩短2 到5 倍， 软件开发成本减少1 5 到7 5 ，软件的维护费用降低5 到1 0 倍，故障率 降低5 到l o 倍。 钔i n v a rj a c o b s o n 作为o o s e 的发明人和r a t i o n a l 的创始人，他在e r i c s s o n 从事a x e 电信交换系统开发的过程中提出了一套大幅度支付重用的体系 结构和软件工程过程，并与m a r t i ng r i d s 和p a t r i c kj o h n s o n 合作与1 9 9 9 年 提出的r s e b ( r e u s e - d r i v e ns o f t w a r ee n g i n e e r i n gb u s i n e s s ) 一个进行系统 化软件重用的过程和组织架构。 5 ) m i c r o s o f t 提出的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 是一个以构件为发布单 元的对象模型，该模型使各种软件构件可以用一种统一的方式进行交互。 4 第一章绪论 c o m 既提供了构件之间进行交互的规范，也提供了实现交互的环境，是 不同语言协作开发的一种标型2 ”。o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 提出的 c o r b a 原理与c o m 类似，区别在于前者主要运用于i 琳操作系统， 而后者主要运用于w i n d o w s 操作系统平台圈。而j a v a b e a n 组件系统e j b 则是一种解决平台依赖性和语言依赖性的软件构件技术田】。 6 ) 国内由杨芙清先生主持开展的青鸟工程，该系统采用面向对象技术，支持 软件重用为基线，基于“构件一框架”模式的软件工业化生产技术，代表 了国内在这一领域的最高水平。 1 3 课题来源 本论文来源于电子科技大学所承担的国家中小企业创新基金项目“嵌入式软 件仿真开发平台”。该项目面向嵌入式应用软件开发领域，通过创建一个实际硬件 系统的仿真平台，在系统硬件目标板开发出来前，即可对应用程序进行仿真调试， 使用户可以脱离真实的硬件系统完成软件的调试、逻辑分析和运行，从而提高嵌 入式软、硬件开发的并行程度，达到嵌入式软件系统开发和硬件的开发同步进行 的目的。项目中定义的嵌入式系统是指由高端的嵌入式处理器核如a r m ，m i p s ， p o w e r p c 等和外围设备控制器组成s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 应用系统。通过对仿真 运行平台的研究，可以帮助企业更高效、快速地开发以嵌入式软件系统为核心的 新产品，产生极大的社会和经济效益，增强在市场中的竞争力。本人在项目中担 任主研人员，参与仿真开发平台体系结构设计，并负责部分仿真构件的设计实现。 1 4 论文结构及内容安排 本论文以嵌入式系统开发为出发点，研究和实现支持软件仿真开发的仿真开 发平台。引入计算机仿真、构件化等关键技术，研究仿真开发平台的体系结构。 第一章，介绍了本文的课题背景，概要介绍了国内外嵌入式仿真开发的现状， 说明了课题来源，最后，指出了论文的主要研究内容和章节安排。 第二章，介绍了嵌入式系统的基本知识；比较了传统嵌入式系统开发和嵌入 式仿真开发；重点介绍了嵌入式仿真开发的相关知识和软件仿真的相关技术。 第三章，详细介绍并比较了现在流行的嵌入式仿真开发平台a r m u l a t o r 和 s k y e y e ；简要介绍了其它仿真平台。 5 电子科技大学硕士学位论文 第四章，介绍了本文的嵌入式软件仿真开发平台i s i m 的设计思路和系统架构； 给出了系统各主要模块的工作流程。 第五章，深入研究了仿真构件的知识，重点介绍了嵌入式软件仿真开发平台 i s i m 中的仿真构件模型和仿真构件库的详细实现。 第六章，介绍了仿真开发平台的使用，本文给出了平台部分运行截图，证明 了仿真开发平台的设计是正确的和有效的。 第七章，对全文做出总结，阐述了本系统的特点；提出了今后需要进一步深 入研究的方向。 6 第二章嵌入式软件仿真开发平台的相关技术 第二章嵌入式软件仿真开发平台的相关技术 嵌入式系统是现代科学的多学科互相融合的以应用技术产品为核心，以计算 机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器，进行 i n t e r n e t 网络技术的连接，从而适应应用环境的产品。嵌入式系统是强调硬软件的 协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严 格要求的专用计算机系统。它包含了广泛应用的各种不同类型的设备，嵌入式系 统是知识密集，投资规模大，产品更新换代快，且具有不断创新特征才能不断发 展的系统。 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、 定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储 器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、 移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电 子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整 合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全 世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列。 根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类。 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t e m p u ) ：嵌入式微处理器的基 础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上， 只保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为 了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基 本是一样的，和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成 本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种 外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及 其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ：嵌入式微控制器一般以某一种微 7 一 电子科技大学硕士学位论文 处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时 ，计数器、w a t c h d o g 、f o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多 种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的 配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能适合，从而 减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积 大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) ：d s p 处理器对 系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指 令执行速度也较高。在数字滤波、f f r 、谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌 入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用 嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过 单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器；二是在通用单片机或 s o c 中增加d s p 协处理器，推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个因素是嵌入式系 统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加 解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压缩解压系统，虚拟现实显示等。这类智 能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些 正是d s p 处理器的长处所在。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化， 及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已经到 来，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标 准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为v i s i 设计中一种标准的器件，用标 准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿 真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件 以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板 将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。s o c 可以分为通用 和专用两类。专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。 嵌入式软件开发是和硬件的发展密不可分的，早期，嵌入式系统开发的全过 程( 包括软件和硬件) 都是由一个工程师完成的。软件开发工作只占全部工作的5 l o ；随着时间的推移，8 0 年代，软件开发工作已经占到全部工作的5 0 ；近几 年，随着硬件复杂性的增加，软件开发工作急剧增长，经常达到全部工作的7 0 8 0 。软件开发扮演了越来越重要的角色。如果嵌入式系统的功能比较简单，则嵌 8 第二章嵌入式软件仿真开发平台的相关技术 入式软件只需要完成比较简单的功能，就不需要嵌入式操作系统的支持。如果嵌 入式系统比较复杂。需要网络功能、存储器管理、进程，线程管理等，则通过嵌入 式操作系统的帮助，可以加快嵌入式系统软件的开发进度和可靠性。可以简单的 说嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的操作系统，本质上与通用操作系统 没有太大的区别，一般具有实时特点。实时系统是指一个系统在执行时能够对外 部发生的事务，在一定的时间采取响应。为了满足这样的要求，高效的中断处理 能力与高速的输入偷出能力是实时系统所必备的基本特征。实时多任务操作系统 ( r e a lt i m em u l t i - t a s k i n go p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础和开发 平台。r t o s 是针对不同处理器优化设计高效率实时多任务内核，r t o s 可以面对 几十个系列的嵌入式处理器e m p u 、m c u 、d s p 、s o c 等提供类同的a p i 接口，这 是r t o s 基于设备独立的应用程序开发基础。在r t o s 基础上可以编写出各种硬 件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应用程序一起， 可以作为产品销售，促进行业的知识产权交流，因此r t o s 又是个软件开发平台。 嵌入式系统通常需要使用“交叉调试”的技术。从其实现途径以及它的应用 情景两个角度来看，通常分为“硬件级调试工具技术”和“源码级软件调试工具 技术”两大类。如，在线仿真器i c e 和j t a g 仿真器，逻辑分析仪等就属于硬件 级调试技术，而g d b ( 包括运行在目标机上的g d b s e r v e r 和g d b