第一章 绪论gai

1、嵌入式系统设计：软硬件统一嵌入式系统设计：软硬件统一讲授教师：章勇勤院 系：信息学院1电话邮箱: 嵌入式系统设计：软硬件统一嵌入式系统设计：软硬件统一v教材：教材：l 中文版：Frank Vahid, Tony Givargis 编著，骆丽译，嵌入式系统设计，北京航空航天出版社，2004.l 英文版：Frank Vahid, Tony Givargis, Embedded System Design: A Unified Hardware/Software Introduction, John Wiley & Sons, Inc., 2002.23嵌入式系统设

2、计：软硬件统一嵌入式系统设计：软硬件统一第一章第一章 绪论绪论嵌入式系统综述嵌入式系统综述什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？ 设计所面临的挑战设计所面临的挑战设计指标的最优化设计指标的最优化 掌握什么技术？掌握什么技术？ l 处理器技术处理器技术l IC技术技术l 设计技术设计技术123概概 述述4嵌入式系统综述嵌入式系统综述v计算系统无处不在，遍布我们的生活计算系统无处不在，遍布我们的生活v台式计算机？台式计算机？ 个人计算机（个人计算机（PC） 笔记本电脑（笔记本电脑（Laptops） 大型机（大型机（Mainframes） 服务器（服务器（Servers）v其实，有一种其它类型的计算系

3、统其实，有一种其它类型的计算系统 非常普遍非常普遍5嵌入式系统综述嵌入式系统综述v嵌入式计算系统嵌入式计算系统 嵌入电子设备的计算系统嵌入电子设备的计算系统 基本上囊括了除台式电脑外所有的计基本上囊括了除台式电脑外所有的计算系统算系统 每年以几十亿数量出产的嵌入式单元每年以几十亿数量出产的嵌入式单元VS 以百万数量出产的台式机单元以百万数量出产的台式机单元 基本上基本上50%的日用品和移动设备都是的日用品和移动设备都是嵌入式嵌入式台式机由很多的计算系统组成，尽管总价低于分别单独购买这些系统的和。6嵌入式系统应用举例嵌入式系统应用举例.防锁死刹车器自动对焦相机自动提款机自动收款系统自动传动航空电

4、子系统电池充电器便携式摄像机移动电话移动电话基站无绳电话定速控制路边收费机数码相机磁盘驱动器电子读卡器电子仪器电子玩具/游戏工厂控制传真机指纹识别家庭安全系统生命维持系统医疗检测系统调制解调器MPEG 解码器网卡网络交换机/路由器车（船）载导航寻呼机影印机销售站系统掌上游戏机打印机卫星电话扫描仪智能型烤箱/洗碗机语音识别立体声系统远程电话系统电视机温度控制器防盗追踪系统电视机机顶盒DVD播放器游戏（电玩）控制台可视电话洗衣机和烘干机7嵌入式系统的几个特点嵌入式系统的几个特点v功能单一功能单一 重复的执行单一程序重复的执行单一程序v约束严格约束严格 体积小、速度快、功耗低、成本低等等体积小、速度

5、快、功耗低、成本低等等v 反应性与实时性反应性与实时性 对系统环境下的变化不断地做出反应对系统环境下的变化不断地做出反应 实时计算出确定的结果实时计算出确定的结果8嵌入式系统实例嵌入式系统实例数码相机数码相机MicrocontrollerCCD preprocessorPixel coprocessorA2DD2AJPEG codecDMA controllerMemory controllerISA bus interfaceUARTLCD ctrlDisplay ctrlMultiplier/AccumDigital camera chiplensCCDv 单一功能单一功能 - 比如用作数

6、码相机比如用作数码相机v 约束严格约束严格 - 小体积、高速、低功耗、低成本小体积、高速、低功耗、低成本v 反应性和实时性反应性和实时性 - 在某一范围内具备在某一范围内具备9所面临的挑战所面临的挑战不断地优化设计参数不断地优化设计参数v明确设计目标明确设计目标 构造实现目标功能的设计方案构造实现目标功能的设计方案v明确设计所面临的最主要挑战明确设计所面临的最主要挑战 不断地优化各种设计参数不断地优化各种设计参数v设计参数（设计指标）设计参数（设计指标） 系统执行的过程中，表现出一些可测量的特征系统执行的过程中，表现出一些可测量的特征 优化设计参数是最主要的优化设计参数是最主要的10所面临的挑

7、战所面临的挑战不断地优化设计参数不断地优化设计参数v常用设计参数常用设计参数 NRE 成本成本: 设计系统所需支付的一次性货币成设计系统所需支付的一次性货币成本本 单位成本单位成本: 除除NRE成本外，制造单个成品所需支成本外，制造单个成品所需支付的货币成本付的货币成本 大小：系统所占的物理面积大小：系统所占的物理面积 性能：系统的执行时间性能：系统的执行时间 功率：系统所消耗的能量功率：系统所消耗的能量 灵活性：不会大量增加灵活性：不会大量增加NRE成本时，改变系统成本时，改变系统功能的能力功能的能力11所面临的挑战所面临的挑战不断地优化设计参数不断地优化设计参数v常用设计参数常用设计参数

8、样机建立时间样机建立时间: 建立可运行版本所需的时间建立可运行版本所需的时间 上市时间：从系统开发到上市出售给消费者所上市时间：从系统开发到上市出售给消费者所需的时间需的时间 可维护性可维护性:系统初始版本发布后可被修改的难易系统初始版本发布后可被修改的难易性性 正确性、安全性等等正确性、安全性等等12设计指标的竞争性设计指标的竞争性折衷的考虑折衷的考虑SizePerformancePowerNRE costv各个指标之间一般是相各个指标之间一般是相互竞争的，改善了某种互竞争的，改善了某种指标经常会导致其他指指标经常会导致其他指标的恶化。标的恶化。v应用软件和硬件的专业应用软件和硬件的专业技术

9、来优化设计参数技术来优化设计参数 从软硬件综合的角度来考从软硬件综合的角度来考虑虑 对于所需实现的功能和给对于所需实现的功能和给定的约束，设计者必须综定的约束，设计者必须综合考虑各个参数，最终使合考虑各个参数，最终使整体设计指标最优。整体设计指标最优。13上市时间上市时间苛刻的设计指标苛刻的设计指标Revenues ($)Time (months)v产品开发到上市所要求的产品开发到上市所要求的时间时间v市场时间窗市场时间窗 产品销售量最大阶段的产品销售量最大阶段的周期周期v平均上市时间约束为平均上市时间约束为8个个月月v延迟将造成损失延迟将造成损失14上市延迟造成的损失上市延迟造成的损失On-

10、time Delayedentry entryPeak revenuePeak revenue from delayed entryMarket riseMarket fallW2WTimeDOn-timeDelayedRevenues ($)v简单收益模型简单收益模型 产品周期产品周期 = 2W, 峰值为峰值为 W 商品上市的模型为一个三商品上市的模型为一个三角形角形, 代表了市场的占有率代表了市场的占有率 三角形的面积对应收益三角形的面积对应收益v损失损失 准时上市的三角形与延时准时上市的三角形与延时上市的三角形面积之差上市的三角形面积之差15NRE和单位成本和单位成本v成本成本 单位成本

11、单位成本: 除除NRE成本外，制造单个成品所需支付的货币成本外，制造单个成品所需支付的货币成本成本 NRE成本：设计系统所需支付的一次性货币成本成本：设计系统所需支付的一次性货币成本 总成本总成本=NRE成本成本+单位成本单位成本产品数量产品数量 单个产品成本单个产品成本=总成本总成本/产品数量产品数量=NRE成本成本/产品数量产品数量+单单位成本位成本v例如例如 NRE=2000￥，单位成本￥，单位成本=100￥ 产品数量为产品数量为10 总成本总成本=2000￥+10100￥=3000￥ 单个产品成本单个产品成本=2000￥/10+100￥=300￥16NRE和单位成本和单位成本v对比各技

12、术成本，可知成本和出售数量密切相关对比各技术成本，可知成本和出售数量密切相关 技术技术A：NRE=2000￥，单位成本￥，单位成本=100￥ 技术技术B：NRE=3000￥，单位成本￥，单位成本=30￥ 技术技术C：NRE=10000￥，单位成本￥，单位成本=2￥$0$40, 000$80, 000$120, 000$160, 000$200, 000080016002400ABC$0$40$80$120$160$200080016002400N um ber of uni ts (vol um e)ABCN um ber of uni ts (vol um e)total cost (x10

13、00)per product cost17性能指标性能指标v 系统的性能：系统完成规定任务所需时间系统的性能：系统完成规定任务所需时间 时钟频率，每秒指令数时钟频率，每秒指令数不能被很好的测量不能被很好的测量 以数码相机为例以数码相机为例 用户关心处理单张照片所需的时间，用户关心处理单张照片所需的时间，而不是时钟速度或每秒指令数而不是时钟速度或每秒指令数v 反应或响应时间反应或响应时间 一个任务从开始执行完成所需的时间一个任务从开始执行完成所需的时间 例如，数码相机例如，数码相机A和和B处理照片的时间均为处理照片的时间均为0.25sv 吞吐量吞吐量 每秒完成的任务量，如：数码相机每秒完成的任务

14、量，如：数码相机A每秒可处理每秒可处理4张图片张图片 考虑到并行操作的原因，单位产量不能单纯的直接用延考虑到并行操作的原因，单位产量不能单纯的直接用延迟时间来推导迟时间来推导,如数码相机如数码相机B采用了并行操作，每秒可处采用了并行操作，每秒可处理理8张照片张照片 v B相对于相对于A的加速比的加速比= B的性能的性能 / A的性能的性能 B相对于相对于A的吞吐量加速比的吞吐量加速比 = 8/4 = 218嵌入式系统的核心技术嵌入式系统的核心技术v技术技术 完成一项任务所采用的方式完成一项任务所采用的方式, 特别是使用技术的程序、特别是使用技术的程序、方法和背景方法和背景v嵌入式系统的三个核心

15、技术嵌入式系统的三个核心技术 处理器技术处理器技术 IC技术技术 设计技术设计技术19处理器技术处理器技术v与实现系统功能所需的计算引擎结构相关与实现系统功能所需的计算引擎结构相关v处理器并非全是可编程数字系统处理器并非全是可编程数字系统 处理器不能单纯的等同于通用处理器（可编程软件处理处理器不能单纯的等同于通用处理器（可编程软件处理器）器）Application-specificRegistersCustomALUDatapathControllerProgram memoryAssembly code for: total = 0 for i =1 to Control logic and

16、 State registerDatamemoryIRPCSingle-purpose (“hardware”)DatapathControllerControl logicState registerDatamemoryindextotal+IRPCRegisterfileGeneralALUDatapathControllerProgram memoryAssembly code for: total = 0 for i =1 to Control logic and State registerDatamemoryGeneral-purpose (“software”)20处理器技术处理

17、器技术total = 0for i = 1 to N loop total += Miend loop 单用途处理器（Single-purpose processor）专用处理器（Application-specific processor）目标功能随处理器的问题不同，处理器有不同的定制化程度。随处理器的问题不同，处理器有不同的定制化程度。通用处理器（General-purpose processor）21通用处理器通用处理器v用于不同类型应用的可编程器件用于不同类型应用的可编程器件 微处理器微处理器v特点特点 程序存储器程序存储器 拥有大寄存器文档的通用数据路径拥有大寄存器文档的通用数据路径

18、和通用和通用ALUv优点优点 上市时间和上市时间和NRE成本低成本低 灵活性高灵活性高v如：如：Intel酷睿酷睿IRPCRegisterfileGeneralALUDatapathControllerProgram memoryAssembly code for: total = 0 for i =1 to Control logic and State registerDatamemory22单用途处理器单用途处理器v用于执行一个特定程序的数字电用于执行一个特定程序的数字电路路 协处理器、加速器、外设协处理器、加速器、外设v特点特点 数据路径只含有程序执行必要的元件数据路径只含有程序执行必

19、要的元件来执行单一程序来执行单一程序 无程序存储器无程序存储器v优点优点 高速、低功耗、小体积高速、低功耗、小体积DatapathControllerControl logicState registerDatamemoryindextotal+23专用处理器专用处理器v针对某些特定类型应用而优化设针对某些特定类型应用而优化设计的可编程处理器。计的可编程处理器。 通用处理器和单用途处理器的折衷通用处理器和单用途处理器的折衷v特点特点 可编程存储器可编程存储器 最优化的数据路径最优化的数据路径 专用功能单元专用功能单元v优点优点 较高的灵活性，良好的性能、功耗、较高的灵活性，良好的性能、功耗、体

20、积体积IRPCRegistersCustomALUDatapathControllerProgram memoryAssembly code for: total = 0 for i =1 to Control logic and State registerDatamemory24IC技术技术v将数字实现（门级）映射到将数字实现（门级）映射到IC上上 IC: 集成电路（集成电路（Integrated circuit）, 或芯片或芯片 IC 技术的差别在于设计的定制程度技术的差别在于设计的定制程度 IC采用多层布局的设计方式采用多层布局的设计方式l每层所采用的每层所采用的IC技术也存在差异。技

21、术也存在差异。sourcedrainchanneloxidegateSilicon substrateIC packageIC 25IC技术技术v三种不同类型的三种不同类型的IC设计技术设计技术 全定制设计，如全定制设计，如VLSI设计设计 半定制半定制ASIC （采用门阵列或标准单元）（采用门阵列或标准单元） 可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD: Programmable Logic Device)26全定制设计全定制设计/VLSIv根据嵌入式系统的特有数字实现来优化各个层根据嵌入式系统的特有数字实现来优化各个层 晶体管的布局晶体管的布局 晶体管的尺寸晶体管的尺寸 布线布线v优点优点 性能

22、很高、体积小、功耗低性能很高、体积小、功耗低v缺点缺点 NRE成本很高，上市时间长成本很高，上市时间长27半定制设计半定制设计ASICv较低层已经全部或部分建立，只需设计高层较低层已经全部或部分建立，只需设计高层 设计者只需布线或布局部分单元设计者只需布线或布局部分单元v优点优点 性能良好、体积较小、性能良好、体积较小、NRE成本比全定制设计低成本比全定制设计低v缺点缺点 仍需要数周或几个月的制造时间仍需要数周或几个月的制造时间28可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLDv所有的层都已经存在所有的层都已经存在 设计者只需在编程设计之前购买实际的设计者只需在编程设计之前购买实际的IC 根据所需的功能，

23、设计者连接或断开根据所需的功能，设计者连接或断开IC上的连接线上的连接线 实例：实例：FPGAv优点优点 NRE成本低，时效性很高成本低，时效性很高v缺点缺点 速度慢、体积大、功耗高、价格昂贵速度慢、体积大、功耗高、价格昂贵29摩尔定律摩尔定律v反映了嵌入式系统最主要的发展趋势反映了嵌入式系统最主要的发展趋势 1965年，年，Intel公司的创始人之一公司的创始人之一Gordon Moore预测预测“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍个月便会增加一倍，性能也将提升一倍” 。 最早提

24、出人是加州理工的最早提出人是加州理工的Carver Mead教授教授“如果给定如果给定价格的电脑处理能力每两年提高一倍，那么这一价位的价格的电脑处理能力每两年提高一倍，那么这一价位的电脑处理装置同期就会降价一半电脑处理装置同期就会降价一半”。当时很多人认为这个发展速度太高了，以这样的速率增长简直难以想象，事实呢？30摩尔定律摩尔定律31反摩尔定律反摩尔定律v反摩尔定律是反摩尔定律是Google的前的前CEO埃里克埃里克.施密特提施密特提出的：出的：如果你反过来看摩尔定律，一个如果你反过来看摩尔定律，一个IT公司如果今天和公司如果今天和18个月前卖掉同样多的、同样的产品，它的营业额就要降个月前卖

25、掉同样多的、同样的产品，它的营业额就要降一半。一半。IT界把它称为反摩尔定律。界把它称为反摩尔定律。v反摩尔定律逼着所有的硬件设备公司必须赶上摩尔反摩尔定律逼着所有的硬件设备公司必须赶上摩尔定律所规定的更新速度，否则将面临被收购，如定律所规定的更新速度，否则将面临被收购，如SUN（Oracle）32设计技术设计技术v将大脑中所构思的系统转化成现实将大脑中所构思的系统转化成现实Libraries/IP: Incorporates pre-designed implementation from lower abstraction level into higher level.Systemspe

26、cificationBehavioralspecificationRTspecificationLogicspecificationTo final implementationCompilation/Synthesis: Automates exploration and insertion of implementation details for lower level.Test/Verification: Ensures correct functionality at each level, thus reducing costly iterations between levels

27、.Compilation/SynthesisLibraries/IPTest/VerificationSystemsynthesisBehaviorsynthesisRTsynthesisLogicsynthesisHw/Sw/OSCoresRTcomponentsGates/CellsModel simulat./checkersHw-SwcosimulatorsHDL simulatorsGate simulators33设计效率呈指数增长设计效率呈指数增长 在过去的几十年，统计出的设计效率表现出呈指数增长在过去的几十年，统计出的设计效率表现出呈指数增长的特点。的特点。100,00010,

28、0001,0001001010.10.01198319811987198919911993198519951997199920012003200520072009Productivity(K) Trans./Staff Mo.34协同设计的方法协同设计的方法v从前从前 软件设计技术和硬件设计技术相距甚远软件设计技术和硬件设计技术相距甚远 现如今，成熟的综合技术使设计者应用软硬件统一的设现如今，成熟的综合技术使设计者应用软硬件统一的设计视角进行设计计视角进行设计v软硬件协同设计软硬件协同设计 为实现特定功能采取的软硬件协同设计技术，实质上也为实现特定功能采取的软硬件协同设计技术，实质上也是一种参

29、考了各个设计参数的折衷设计，如性能、尺寸、是一种参考了各个设计参数的折衷设计，如性能、尺寸、功耗、灵活性和功耗、灵活性和NRE成本等。到底是用软件实现还是用成本等。到底是用软件实现还是用硬件？如果都能实现预期功能，其实也没有本质的不同。硬件？如果都能实现预期功能，其实也没有本质的不同。35协同设计的方法协同设计的方法ImplementationAssembly instructionsMachine instructionsRegister transfersCompilers(1960s,1970s)Assemblers, linkers(1950s, 1960s)Behavioral sy

30、nthesis(1990s)RT synthesis(1980s, 1990s)Logic synthesis(1970s, 1980s)Microprocessor plus program bits: “software”VLSI, ASIC, or PLD implementation: “hardware”Logic gatesLogic equations / FSMsSequential program code (e.g., C, VHDL)36处理器和处理器和IC技术的独立性技术的独立性v基本的折衷基本的折衷 通用通用 VS 定制定制 就就IC技术和处理器而言，这两者是互相独立

31、的技术和处理器而言，这两者是互相独立的General-purposeprocessorASIPSingle-purposeprocessorSemi-customPLDFull-customGeneral,providing improved:Customized, providing improved:Power efficiencyPerformanceSizeCost (high volume)FlexibilityMaintainabilityNRE costTime- to-prototypeTime-to-marketCost (low volume)37设计效率的差距设计效率的差

32、距vIC设计效率与芯片容量的差距越来越大设计效率与芯片容量的差距越来越大l 1981年年,完成一个高端的芯片需要完成一个高端的芯片需要100个设计者月个设计者月10000个晶体管个晶体管/（100个晶体管个晶体管/月）月）l 2002年年,完成一个高端的芯片需要完成一个高端的芯片需要3000个设计者个设计者月月150,000,000个晶体管个晶体管/（5000个晶体管个晶体管/月）月）高端芯片设计成本从高端芯片设计成本从$1M增长到增长到$300M38设计效率的差距设计效率的差距 尽管在过去的几十年里，设计效率以令人钦佩尽管在过去的几十年里，设计效率以令人钦佩的速度增长，但依然无法跟上芯片容量的增长。的速度增长，但依然无法跟上芯片容量的增长。10,0001,0001001010.10.010.001Logic transistors per chip(i