在快速發展的技術世界中，嵌入式系統構成了我們數字基礎設施的支柱。從智能手機到衛星，這些系統變得越來越復雜，需要一種新的設計和開發方法。進入軟硬件協同設計 – 一種正在重塑嵌入式系統工程格局的革命性方法。

嵌入式系統新時代的曙光

軟硬件協同設計不僅僅是一種趨勢;這是一種范式轉變，它重新定義了我們進行嵌入式系統開發的方式。隨著設備變得越來越復雜和互聯，單獨開發硬件和軟件的傳統方法已不再適用。協同設計提供了一個整體解決方案，使工程師能夠同時優化硬件和軟件組件，從而產生更高效、更強大和更具成本效益的系統。

這種集成方法正在徹底改變各行各業的產品開發。從汽車到航空航天，從醫療保健到消費電子產品，軟硬件協同設計正在實現曾經被認為不可能的創新。它使公司能夠以更快的速度、更好的性能和更低的成本將產品推向市場。

了解硬件-軟件協同設計：一種協同方法

從本質上講，軟硬件協同設計是打破硬件和軟件開發之間的傳統障礙。這是一種將整個系統視為一個整體，而不是作為單獨組件的方法。

歷史背景：從孤島到協同

從歷史上看，硬件和軟件是孤立開發的。硬件工程師將設計物理組件，而軟件工程師將編寫代碼以在該硬件上運行。這種方法通常會導致次優設計，軟件難以充分利用硬件功能，或者硬件無法滿足軟件要求。
協同設計的概念出現在 1990 年代，因為工程師們認識到需要一種更加集成的方法。如今，它已成為嵌入式系統開發中必不可少的實踐。

協同設計范式的轉變
向協同設計的轉變代表了我們處理系統設計方式的根本性變化：

• 統一系統模型：協同設計使用代表硬件和軟件元素的統一系統模型，而不是單獨的硬件和軟件模型。

• 并行開發：硬件和軟件同時開發，允許持續的反饋和優化。

• 設計空間探索：協同設計支持探索不同的硬件-軟件分區選項，以找到最佳平衡。

• 系統級優化：決策基于整體系統性能，而不僅僅是單個組件的優化。

協同設計的好處：優勢的三重威脅

1. 增強的性能：

- 示例：在數字信號處理系統中，協同設計可能會揭示在硬件 （FPGA） 而不是軟件中實現特定濾波器可以顯著提高處理速度。

- 指標：與傳統設計方法相比，一些共同設計的系統的性能提高了 50%。

1. 提高效率：

- 功耗：協同設計可以帶來更高效的電源管理。例如，在電池供電的 IoT 設備中，協同設計可能會根據軟件狀態對未使用的硬件組件進行動態電源門控。

- 資源利用率：通過優化軟硬件接口，協同設計可以減少內存需求和芯片面積。

- 示例：在智能手機中，圖形子系統的協同設計可以帶來更好的幀速率和更低的功耗。

1. 更快的上市時間：

- 早期集成：盡早發現和解決問題，減少代價高昂的后期重新設計。

- 并行開發：硬件和軟件團隊可以同時工作，從而縮短整體開發周期。

- 示例：在汽車行業，協同設計在某些情況下幫助將新車型的開發時間縮短了 30%。

實踐中的協同設計：一個簡短的案例研究

考慮現代智能手表的開發：

- 傳統方法：硬件團隊設計處理器、內存和傳感器。軟件團隊編寫作系統和應用程序。集成揭示了性能瓶頸和電池壽命問題。

- 協同設計方法：

1. 定義了系統級要求（例如，長達一周的電池壽命、實時運行狀況監控）。

2. 硬件和軟件是分區的（例如，用于始終在線顯示的專用硬件，用于偶爾進行復雜計算的軟件）。

3. 開發同時進行，并定期集成和測試。

4. 跨硬件-軟件邊界進行優化（例如，常用軟件功能的硬件加速）。

5. 結果：滿足性能和功耗要求的更高效的系統。

這種協同設計方法使智能手表從簡單的通知設備發展成為具有更長電池壽命的復雜健康監測工具。

協同設計過程：系統開發的整體方法

硬件-軟件協同設計不僅僅是一種技術方法;它是一個包含整個開發過程的綜合方法。讓我們通過具體示例更深入地研究每個階段。

系統級設計和分區
協同設計過程從系統的高級視圖開始。工程師定義系統要求、功能和約束。接下來是分區 – 決定哪些功能將在硬件中實現，哪些功能將在軟件中實現。

示例：無人機自主控制系統

1. 系統要求：

- 實時飛行控制

- 障礙物檢測和避障

- 視頻捕獲和流式傳輸

- 電池續航時間至少 30 分鐘

1. 分區決策：

- 硬件：在 FPGA 中實現飛行控制算法以實現低延遲響應

- 軟件：在軟件中開發障礙物檢測算法，以實現靈活性和更輕松的更新

- 硬件：使用專用的圖像信號處理器進行高效的視頻處理

- 軟件：在軟件中實現電池管理和用戶界面

硬件與軟件的權衡：平衡的藝術

協同設計就是做出明智的權衡。工程師必須根據系統要求仔細權衡這些權衡。

示例：智能家居安全系統

1. 運動檢測：

- 硬件實現：使用專用的運動檢測芯片，以實現低功耗和快速響應。

- 軟件實現：在軟件中實現以獲得更復雜的算法和更輕松的更新。

- 權衡：選擇硬件方法以實現更低的功耗和可靠性。

1. 視頻分析：

- 硬件實現：使用神經處理單元進行快速、高效的圖像識別。

- 軟件實現：使用高級語言為復雜、不斷發展的算法進行開發。

- 權衡：混合方法 – 使用硬件進行基本處理，使用軟件實現高級功能。

并行開發策略

協同設計的關鍵方面之一是硬件和軟件的并行開發。這種并發方法允許早期集成和測試，有助于更快地識別和解決問題。

示例：電動汽車電池管理系統

1. 硬件團隊：

- 開發電池監控電路

- 設計配電硬件

1. 軟件團隊：

- 開發電池狀態估計算法

- 創建電源管理軟件

1. 同期活動：

- 定期集成會議以調整接口

- 在最終硬件準備就緒之前，使用硬件仿真器進行軟件測試

- 根據集成結果對硬件和軟件進行迭代優化

協同設計環境中的驗證和確認

協同設計在驗證和確認方面帶來了新的挑戰。工程師必須確保硬件和軟件組件無縫協同工作。

示例：醫用輸液泵

1. 協同仿真：

- 使用 Simulink 等工具對硬件（泵機構）和軟件（控制算法）組件進行建模

- 模擬各種場景，包括錯誤條件和邊緣情況

1. 硬件在環測試：

- 將實際泵硬件連接到模擬軟件環境

- 在實際條件下進行測試軟件控制

1. 形式驗證：

- 使用形式化方法驗證集成系統的關鍵安全特性

- 確保硬件和軟件交互不會導致不安全的情況

1. 法規遵從性：

- 進行綜合系統測試，以滿足醫療器械法規

- 記錄協同設計方法如何確保系統安全性和可靠性

通過遵循這個全面的協同設計流程，工程師可以創建更健壯、更高效和創新的嵌入式系統。關鍵是在整個開發過程中保持系統的整體視圖，不斷平衡硬件和軟件考慮因素以實現最佳結果。

協同設計的基本工具和技術

軟硬件協同設計的成功在很大程度上取決于支持這種集成方法的工具和技術。讓我們探索一下行業中使用的一些關鍵工具，按它們的主要功能分類。

高級綜合工具

高級綜合 （HLS） 工具徹底改變了硬件設計。它們允許工程師使用 C 或 C++ 等高級語言描述硬件功能，然后自動轉換為硬件描述語言 （HDL）。這彌合了軟件和硬件開發之間的差距，使軟件工程師更容易為硬件設計做出貢獻。

常用 HLS 工具的示例包括：

1. Xilinx Vivado HLS：作為 Vivado Design Suite 的一部分，該工具將 C、C++ 和 SystemC 代碼合成到 Xilinx FPGA 的 RTL 中。

2. 英特爾 HLS 編譯器：該工具專為英特爾 FPGA 設計，可將 C++ 代碼轉換為 RTL，從而針對英特爾的 FPGA 架構進行優化。

3. Cadence Stratus HLS：一種獨立于平臺的 HLS 工具，支持 C、C++ 和 SystemC，能夠為 ASIC 和 FPGA 設計生成 RTL。

4. Mentor Catapult HLS：提供 C++ 和 SystemC 綜合，具有高級功耗優化功能。

硬件描述語言和仿真工具

VHDL 和 Verilog 仍然是硬件設計的基石。這些語言允許對硬件組件進行詳細描述，并且在協同設計過程中是必不可少的。

此類別中的關鍵工具包括：

1. ModelSim：一種流行的 HDL 仿真和調試環境，支持 VHDL、Verilog 和 SystemVerilog。

2. Xilinx ISE 和 Vivado：面向 Xilinx FPGA 的全面設計套件，提供 HDL 綜合、仿真和實現工具。

3. Intel Quartus Prime：面向 Intel FPGA 的設計軟件，提供 HDL 編譯、分析和仿真功能。

4. Synopsys VCS：一款高性能仿真工具，支持各種 HDL 并提供高級調試功能。

軟件建模和仿真工具

在軟件方面，允許對軟件行為進行準確建模和仿真的工具至關重要。這些工具有助于了解軟件將如何與硬件交互，甚至在物理硬件可用之前。

示例包括：

1. MATLAB 和 Simulink：廣泛用于嵌入式系統的算法開發、建模和仿真。

2. Qemu：一個開源機器仿真器和虛擬化器，可用于在虛擬化硬件上運行和測試嵌入式軟件。

3. Wind River Simics：一個全系統模擬器，無需物理硬件即可進行軟件開發和測試。

4. Vector CANoe：專門從事汽車嵌入式系統的仿真和測試，特別是那些使用 CAN、LIN 和 FlexRay 協議的系統。

協同驗證環境

協同驗證工具允許工程師在統一的環境中仿真和驗證整個系統（包括硬件和軟件）。這對于確保所有組件按預期協同工作至關重要。

該領域的關鍵工具包括：

1. Synopsys Virtualizer：為軟件開發和系統驗證提供虛擬原型設計，支持各種處理器架構。

2. Cadence Palladium Z1：一個允許對硬件和軟件進行高速協同驗證的仿真平臺。

3. Mentor Questa：提供支持 UVM（通用驗證方法）和混合信號驗證的綜合驗證平臺。

4. Aldec HES：基于 FPGA 的仿真系統，用于 SoC 和 ASIC 驗證，可實現高速軟硬件協同驗證。

嵌入式系統的集成開發環境 （IDE）

為嵌入式系統開發量身定制的 IDE 為編碼、調試提供了一個統一的平臺，并且通常與硬件設計工具集成。

流行的 IDE 包括：

1. Eclipse CDT：一種開源 IDE，廣泛用于嵌入式系統中的 C/C++ 開發，具有適用于特定平臺的各種插件。

2. IAR Embedded Workbench：一個全面的 IDE，支持各種微控制器并提供高級調試功能。

3. Keil MDK：專門從事基于 ARM 的微控制器開發，提供完整的軟件開發環境。

4. STM32CubeIDE：一個高級 C/C++ 開發平臺，具有面向 STM32 微控制器的外設配置、代碼生成、代碼編譯和調試功能。

版本控制和協作工具

鑒于協同設計的協作性質，版本控制和團隊協作工具是必不可少的。

此類別中的關鍵工具包括：

1. Git：使用最廣泛的分布式版本控制系統，通常用于 GitHub 或 GitLab 等平臺。

2. Perforce Helix Core：硬件設計環境中流行的版本控制系統，能夠有效地處理大型二進制文件。

3. Atlassian Suite（Jira、Confluence）：提供敏捷軟硬件協同設計項目中經常使用的項目管理和協作工具。

通過有效利用這些工具，團隊可以簡化協同設計流程，改善硬件和軟件工程師之間的協作，并最終創建更高效、更具創新性的嵌入式系統。工具的選擇通常取決于項目的具體要求、目標硬件平臺和團隊的專業知識。

軟硬件協同設計的實際應用

硬件-軟件協同設計的影響最好通過其在各個行業的應用來理解。

汽車系統：驅動未來

在汽車行業，協同設計對于開發高級駕駛輔助系統 （ADAS） 和自動駕駛汽車至關重要。這些系統需要傳感器、處理器和軟件的緊密集成，才能在瞬間做出決策。協同設計允許優化性能，同時滿足嚴格的安全性和可靠性標準。

消費電子產品：更智能、更快、更小

智能手機和 IoT 設備是協同設計的完美示例。對小尺寸和低功耗的高性能需求要求硬件和軟件設計采用緊密集成的方法。

航空航天和國防：達到新的高度

在航空航天領域，協同設計用于開發航空電子系統和通信設備。這些系統必須在極端條件下可靠運行，因此硬件和軟件的集成至關重要。

醫療器械：為健康而創新

可穿戴健康監測器和診斷設備從協同設計中受益匪淺。這些設備需要體積小、節能且高度可靠 - 這些都是有效軟硬件集成的標志。

軟硬件協同設計的挑戰

雖然協同設計提供了許多好處，但它也帶來了一系列挑戰。

管理大型系統中的復雜性

隨著系統變得越來越復雜，管理協同設計過程變得越來越困難。工程師必須處理大量的變量和相互依賴關系。

平衡性能和功耗

在許多嵌入式系統中，尤其是移動和 IoT 設備，在最大限度地提高性能和最大限度地降低功耗之間一直存在著斗爭。協同設計在找到正確的平衡方面起著至關重要的作用。

確保互連系統的安全性

隨著 IoT 和互聯設備的興起，安全性已成為一個主要問題。協同設計必須考慮硬件和軟件級別的安全性。

跟上快速發展的技術

嵌入式系統領域正在迅速發展。協同設計方法和工具必須不斷適應新技術和范式。

成功協同設計的最佳實踐

為了克服這些挑戰并獲得協同設計的好處，遵循最佳實踐至關重要。

在硬件和軟件團隊之間建立清晰的溝通

有效的溝通是成功的協同設計的基石。硬件和軟件團隊必須密切合作，共同分享見解并應對挑戰。

實施有效的版本控制和變更管理

隨著硬件和軟件的并行開發，強大的版本控制和變更管理流程對于保持一切同步至關重要。

在協同設計項目中利用敏捷方法

適用于軟硬件協同設計的敏捷方法可以幫助團隊更快地響應變化，并在整個開發過程中整合反饋。

持續集成和測試策略

定期集成和測試硬件和軟件組件有助于及早發現問題，降低開發周期后期出現重大問題的風險。

軟硬件協同設計的未來

展望未來，幾個趨勢正在塑造軟硬件協同設計的發展。

協同設計中的人工智能和機器學習

AI 和 ML 不僅僅是嵌入式系統的應用;它們也正在成為協同設計過程本身的工具。AI 輔助設計工具正在幫助工程師在軟硬件分區和優化方面做出更好的決策。

協同設計在邊緣計算和 5G 技術中的作用

隨著邊緣計算和 5G 網絡變得越來越普遍，協同設計將在開發高效、高性能的系統方面發揮關鍵作用，這些系統可以以最小的延遲在本地處理數據。

新興趨勢：量子計算和神經形態系統

展望未來，量子計算和神經形態系統為協同設計提出了新的前沿。這些技術將需要全新的方法來集成硬件和軟件。

軟硬件協同設計的職業機會

軟硬件協同設計領域為具有合適技能的人提供了令人興奮的職業機會。

協同設計專業人士的熱門技能

該領域的專業人士需要獨特的技能組合，包括：

- 對硬件和軟件原理有深入的理解

- 熟練掌握硬件描述語言和高級編程語言

- 系統級思維和解決問題的能力

- 了解各種設計和仿真工具

協同設計領域的工作角色和職責

協同設計的職業道路包括：

- 嵌入式系統工程師

- 硬件-軟件集成專家 （Hardware-Software Integration Specialist）

- 系統架構師

- FPGA 設計師

- IoT 解決方案開發人員

行業需求和薪酬趨勢

對擅長軟硬件協同設計的專業人員的需求正在迅速增長。根據最近的行業報告，這些職位的薪水一直高于科技行業的平均水平，這反映了對這些專業技能的高度重視。

結論：擁抱協同設計革命

硬件-軟件協同設計不僅僅是一種方法;這是我們進行嵌入式系統開發方式的根本性轉變。隨著設備變得越來越復雜和互聯，協同設計硬件和軟件的能力對于創新和競爭力至關重要。

嵌入式系統的未來在于這種集成方法。從自動駕駛汽車到智慧城市，從可穿戴健康監測器到下一代智能手機，軟硬件協同設計將成為塑造我們世界的技術的核心。

對于有抱負的工程師和經驗豐富的專業人士來說，掌握軟硬件協同設計的藝術和科學可以打開一個充滿機遇的世界。這是一個需要不斷學習和適應的領域，但在技術前沿工作也帶來了回報。

當我們站在新技術前沿的邊緣時，有一點很清楚：那些能夠彌合硬件和軟件之間差距的人將成為我們數字未來的架構師。掌握軟硬件協同設計的旅程充滿挑戰，但目的地 - 一個更智能、更高效、更具創新性的嵌入式系統的世界 - 非常值得付出努力。