硬件-软件协同设计如何彻底改变
在快速发展的技术世界中，嵌入式系统构成了我们数字基础设施的支柱。从智能手机到卫星，这些系统变得越来越复杂，需要一种新的设计和开发方法。进入软硬件协同设计 – 一种正在重塑嵌入式系统工程格局的革命性方法。
嵌入式系统新时代的曙光
软硬件协同设计不仅仅是一种趋势;这是一种范式转变，它重新定义了我们进行嵌入式系统开发的方式。随着设备变得越来越复杂和互联，单独开发硬件和软件的传统方法已不再适用。协同设计提供了一个整体解决方案，使工程师能够同时优化硬件和软件组件，从而产生更高效、更强大和更具成本效益的系统。
这种集成方法正在彻底改变各行各业的产品开发。从汽车到航空航天，从医疗保健到消费电子产品，软硬件协同设计正在实现曾经被认为不可能的创新。它使公司能够以更快的速度、更好的性能和更低的成本将产品推向市场。
了解硬件-软件协同设计：一种协同方法
从本质上讲，软硬件协同设计是打破硬件和软件开发之间的传统障碍。这是一种将整个系统视为一个整体，而不是作为单独组件的方法。
历史背景：从孤岛到协同
从历史上看，硬件和软件是孤立开发的。硬件工程师将设计物理组件，而软件工程师将编写代码以在该硬件上运行。这种方法通常会导致次优设计，软件难以充分利用硬件功能，或者硬件无法满足软件要求。
协同设计的概念出现在 1990 年代，因为工程师们认识到需要一种更加集成的方法。如今，它已成为嵌入式系统开发中必不可少的实践。
协同设计范式的转变
向协同设计的转变代表了我们处理系统设计方式的根本性变化：
统一系统模型：协同设计使用代表硬件和软件元素的统一系统模型，而不是单独的硬件和软件模型。
并行开发：硬件和软件同时开发，允许持续的反馈和优化。
设计空间探索：协同设计支持探索不同的硬件-软件分区选项，以找到最佳平衡。
系统级优化：决策基于整体系统性能，而不仅仅是单个组件的优化。
协同设计的好处：优势的三重威胁
增强的性能：
- 示例：在数字信号处理系统中，协同设计可能会揭示在硬件 （FPGA） 而不是软件中实现特定滤波器可以显著提高处理速度。
- 指标：与传统设计方法相比，一些共同设计的系统的性能提高了 50%。
提高效率：
- 功耗：协同设计可以带来更高效的电源管理。例如，在电池供电的 IoT 设备中，协同设计可能会根据软件状态对未使用的硬件组件进行动态电源门控。
- 资源利用率：通过优化软硬件接口，协同设计可以减少内存需求和芯片面积。
- 示例：在智能手机中，图形子系统的协同设计可以带来更好的帧速率和更低的功耗。
更快的上市时间：
- 早期集成：尽早发现和解决问题，减少代价高昂的后期重新设计。
- 并行开发：硬件和软件团队可以同时工作，从而缩短整体开发周期。
- 示例：在汽车行业，协同设计在某些情况下帮助将新车型的开发时间缩短了 30%。
实践中的协同设计：一个简短的案例研究
考虑现代智能手表的开发：
- 传统方法：硬件团队设计处理器、内存和传感器。软件团队编写作系统和应用程序。集成揭示了性能瓶颈和电池寿命问题。
- 协同设计方法：
定义了系统级要求（例如，长达一周的电池寿命、实时运行状况监控）。
硬件和软件是分区的（例如，用于始终在线显示的专用硬件，用于偶尔进行复杂计算的软件）。
开发同时进行，并定期集成和测试。
跨硬件-软件边界进行优化（例如，常用软件功能的硬件加速）。
结果：满足性能和功耗要求的更高效的系统。
这种协同设计方法使智能手表从简单的通知设备发展成为具有更长电池寿命的复杂健康监测工具。
协同设计过程：系统开发的整体方法
硬件-软件协同设计不仅仅是一种技术方法;它是一个包含整个开发过程的综合方法。让我们通过具体示例更深入地研究每个阶段。
系统级设计和分区
协同设计过程从系统的高级视图开始。工程师定义系统要求、功能和约束。接下来是分区 – 决定哪些功能将在硬件中实现，哪些功能将在软件中实现。
示例：无人机自主控制系统
系统要求：
- 实时飞行控制
- 障碍物检测和避障
- 视频捕获和流式传输
- 电池续航时间至少 30 分钟
分区决策：
- 硬件：在 FPGA 中实现飞行控制算法以实现低延迟响应
- 软件：在软件中开发障碍物检测算法，以实现灵活性和更轻松的更新
- 硬件：使用专用的图像信号处理器进行高效的视频处理
- 软件：在软件中实现电池管理和用户界面
硬件与软件的权衡：平衡的艺术
协同设计就是做出明智的权衡。工程师必须根据系统要求仔细权衡这些权衡。
示例：智能家居安全系统
运动检测：
- 硬件实现：使用专用的运动检测芯片，以实现低功耗和快速响应。
- 软件实现：在软件中实现以获得更复杂的算法和更轻松的更新。
- 权衡：选择硬件方法以实现更低的功耗和可靠性。
视频分析：
- 硬件实现：使用神经处理单元进行快速、高效的图像识别。
- 软件实现：使用高级语言为复杂、不断发展的算法进行开发。
- 权衡：混合方法 – 使用硬件进行基本处理，使用软件实现高级功能。
并行开发策略
协同设计的关键方面之一是硬件和软件的并行开发。这种并发方法允许早期集成和测试，有助于更快地识别和解决问题。
示例：电动汽车电池管理系统
硬件团队：
- 开发电池监控电路
- 设计配电硬件
软件团队：
- 开发电池状态估计算法
- 创建电源管理软件
同期活动：
- 定期集成会议以调整接口
- 在最终硬件准备就绪之前，使用硬件仿真器进行软件测试
- 根据集成结果对硬件和软件进行迭代优化
协同设计环境中的验证和确认
协同设计在验证和确认方面带来了新的挑战。工程师必须确保硬件和软件组件无缝协同工作。
示例：医用输液泵
协同仿真：
- 使用 Simulink 等工具对硬件（泵机构）和软件（控制算法）组件进行建模
- 模拟各种场景，包括错误条件和边缘情况
硬件在环测试：
- 将实际泵硬件连接到模拟软件环境
- 在实际条件下进行测试软件控制
形式验证：
- 使用形式化方法验证集成系统的关键安全特性
- 确保硬件和软件交互不会导致不安全的情况
法规遵从性：
- 进行综合系统测试，以满足医疗器械法规
- 记录协同设计方法如何确保系统安全性和可靠性
通过遵循这个全面的协同设计流程，工程师可以创建更健壮、更高效和创新的嵌入式系统。关键是在整个开发过程中保持系统的整体视图，不断平衡硬件和软件考虑因素以实现最佳结果。
协同设计的基本工具和技术
软硬件协同设计的成功在很大程度上取决于支持这种集成方法的工具和技术。让我们探索一下行业中使用的一些关键工具，按它们的主要功能分类。
高级综合工具
高级综合 （HLS） 工具彻底改变了硬件设计。它们允许工程师使用 C 或 C++ 等高级语言描述硬件功能，然后自动转换为硬件描述语言 （HDL）。这弥合了软件和硬件开发之间的差距，使软件工程师更容易为硬件设计做出贡献。
常用 HLS 工具的示例包括：
Xilinx Vivado HLS：作为 Vivado Design Suite 的一部分，该工具将 C、C++ 和 SystemC 代码合成到 Xilinx FPGA 的 RTL 中。
英特尔 HLS 编译器：该工具专为英特尔 FPGA 设计，可将 C++ 代码转换为 RTL，从而针对英特尔的 FPGA 架构进行优化。
Cadence Stratus HLS：一种独立于平台的 HLS 工具，支持 C、C++ 和 SystemC，能够为 ASIC 和 FPGA 设计生成 RTL。
Mentor Catapult HLS：提供 C++ 和 SystemC 综合，具有高级功耗优化功能。
硬件描述语言和仿真工具
VHDL 和 Verilog 仍然是硬件设计的基石。这些语言允许对硬件组件进行详细描述，并且在协同设计过程中是必不可少的。
此类别中的关键工具包括：
ModelSim：一种流行的 HDL 仿真和调试环境，支持 VHDL、Verilog 和 SystemVerilog。
Xilinx ISE 和 Vivado：面向 Xilinx FPGA 的全面设计套件，提供 HDL 综合、仿真和实现工具。
Intel Quartus Prime：面向 Intel FPGA 的设计软件，提供 HDL 编译、分析和仿真功能。
Synopsys VCS：一款高性能仿真工具，支持各种 HDL 并提供高级调试功能。
软件建模和仿真工具
在软件方面，允许对软件行为进行准确建模和仿真的工具至关重要。这些工具有助于了解软件将如何与硬件交互，甚至在物理硬件可用之前。
示例包括：
MATLAB 和 Simulink：广泛用于嵌入式系统的算法开发、建模和仿真。
Qemu：一个开源机器仿真器和虚拟化器，可用于在虚拟化硬件上运行和测试嵌入式软件。
Wind River Simics：一个全系统模拟器，无需物理硬件即可进行软件开发和测试。
Vector CANoe：专门从事汽车嵌入式系统的仿真和测试，特别是那些使用 CAN、LIN 和 FlexRay 协议的系统。
协同验证环境
协同验证工具允许工程师在统一的环境中仿真和验证整个系统（包括硬件和软件）。这对于确保所有组件按预期协同工作至关重要。
该领域的关键工具包括：
Synopsys Virtualizer：为软件开发和系统验证提供虚拟原型设计，支持各种处理器架构。
Cadence Palladium Z1：一个允许对硬件和软件进行高速协同验证的仿真平台。
Mentor Questa：提供支持 UVM（通用验证方法）和混合信号验证的综合验证平台。
Aldec HES：基于 FPGA 的仿真系统，用于 SoC 和 ASIC 验证，可实现高速软硬件协同验证。
嵌入式系统的集成开发环境 （IDE）
为嵌入式系统开发量身定制的 IDE 为编码、调试提供了一个统一的平台，并且通常与硬件设计工具集成。
流行的 IDE 包括：
Eclipse CDT：一种开源 IDE，广泛用于嵌入式系统中的 C/C++ 开发，具有适用于特定平台的各种插件。
IAR Embedded Workbench：一个全面的 IDE，支持各种微控制器并提供高级调试功能。
Keil MDK：专门从事基于 ARM 的微控制器开发，提供完整的软件开发环境。
STM32CubeIDE：一个高级 C/C++ 开发平台，具有面向 STM32 微控制器的外设配置、代码生成、代码编译和调试功能。
版本控制和协作工具
鉴于协同设计的协作性质，版本控制和团队协作工具是必不可少的。
此类别中的关键工具包括：
Git：使用最广泛的分布式版本控制系统，通常用于 GitHub 或 GitLab 等平台。
Perforce Helix Core：硬件设计环境中流行的版本控制系统，能够有效地处理大型二进制文件。
Atlassian Suite（Jira、Confluence）：提供敏捷软硬件协同设计项目中经常使用的项目管理和协作工具。
通过有效利用这些工具，团队可以简化协同设计流程，改善硬件和软件工程师之间的协作，并最终创建更高效、更具创新性的嵌入式系统。工具的选择通常取决于项目的具体要求、目标硬件平台和团队的专业知识。
软硬件协同设计的实际应用
硬件-软件协同设计的影响最好通过其在各个行业的应用来理解。
汽车系统：驱动未来
在汽车行业，协同设计对于开发高级驾驶辅助系统 （ADAS） 和自动驾驶汽车至关重要。这些系统需要传感器、处理器和软件的紧密集成，才能在瞬间做出决策。协同设计允许优化性能，同时满足严格的安全性和可靠性标准。
消费电子产品：更智能、更快、更小
智能手机和 IoT 设备是协同设计的完美示例。对小尺寸和低功耗的高性能需求要求硬件和软件设计采用紧密集成的方法。
航空航天和国防：达到新的高度
在航空航天领域，协同设计用于开发航空电子系统和通信设备。这些系统必须在极端条件下可靠运行，因此硬件和软件的集成至关重要。
医疗器械：为健康而创新
可穿戴健康监测器和诊断设备从协同设计中受益匪浅。这些设备需要体积小、节能且高度可靠 - 这些都是有效软硬件集成的标志。
软硬件协同设计的挑战
虽然协同设计提供了许多好处，但它也带来了一系列挑战。
管理大型系统中的复杂性
随着系统变得越来越复杂，管理协同设计过程变得越来越困难。工程师必须处理大量的变量和相互依赖关系。
平衡性能和功耗
在许多嵌入式系统中，尤其是移动和 IoT 设备，在最大限度地提高性能和最大限度地降低功耗之间一直存在着斗争。协同设计在找到正确的平衡方面起着至关重要的作用。
确保互连系统的安全性
随着 IoT 和互联设备的兴起，安全性已成为一个主要问题。协同设计必须考虑硬件和软件级别的安全性。
跟上快速发展的技术
嵌入式系统领域正在迅速发展。协同设计方法和工具必须不断适应新技术和范式。
成功协同设计的最佳实践
为了克服这些挑战并获得协同设计的好处，遵循最佳实践至关重要。
在硬件和软件团队之间建立清晰的沟通
有效的沟通是成功的协同设计的基石。硬件和软件团队必须密切合作，共同分享见解并应对挑战。
实施有效的版本控制和变更管理
随着硬件和软件的并行开发，强大的版本控制和变更管理流程对于保持一切同步至关重要。
在协同设计项目中利用敏捷方法
适用于软硬件协同设计的敏捷方法可以帮助团队更快地响应变化，并在整个开发过程中整合反馈。
持续集成和测试策略
定期集成和测试硬件和软件组件有助于及早发现问题，降低开发周期后期出现重大问题的风险。
软硬件协同设计的未来
展望未来，几个趋势正在塑造软硬件协同设计的发展。
协同设计中的人工智能和机器学习
AI 和 ML 不仅仅是嵌入式系统的应用;它们也正在成为协同设计过程本身的工具。AI 辅助设计工具正在帮助工程师在软硬件分区和优化方面做出更好的决策。
协同设计在边缘计算和 5G 技术中的作用
随着边缘计算和 5G 网络变得越来越普遍，协同设计将在开发高效、高性能的系统方面发挥关键作用，这些系统可以以最小的延迟在本地处理数据。
新兴趋势：量子计算和神经形态系统
展望未来，量子计算和神经形态系统为协同设计提出了新的前沿。这些技术将需要全新的方法来集成硬件和软件。
软硬件协同设计的职业机会
软硬件协同设计领域为具有合适技能的人提供了令人兴奋的职业机会。
协同设计专业人士的热门技能
该领域的专业人士需要独特的技能组合，包括：
- 对硬件和软件原理有深入的理解
- 熟练掌握硬件描述语言和高级编程语言
- 系统级思维和解决问题的能力
- 了解各种设计和仿真工具
协同设计领域的工作角色和职责
协同设计的职业道路包括：
- 嵌入式系统工程师
- 硬件-软件集成专家 （Hardware-Software Integration Specialist）
- 系统架构师
- FPGA 设计师
- IoT 解决方案开发人员
行业需求和薪酬趋势
对擅长软硬件协同设计的专业人员的需求正在迅速增长。根据最近的行业报告，这些职位的薪水一直高于科技行业的平均水平，这反映了对这些专业技能的高度重视。
结论：拥抱协同设计革命
硬件-软件协同设计不仅仅是一种方法;这是我们进行嵌入式系统开发方式的根本性转变。随着设备变得越来越复杂和互联，协同设计硬件和软件的能力对于创新和竞争力至关重要。
嵌入式系统的未来在于这种集成方法。从自动驾驶汽车到智慧城市，从可穿戴健康监测器到下一代智能手机，软硬件协同设计将成为塑造我们世界的技术的核心。
对于有抱负的工程师和经验丰富的专业人士来说，掌握软硬件协同设计的艺术和科学可以打开一个充满机遇的世界。这是一个需要不断学习和适应的领域，但在技术前沿工作也带来了回报。
当我们站在新技术前沿的边缘时，有一点很清楚：那些能够弥合硬件和软件之间差距的人将成为我们数字未来的架构师。掌握软硬件协同设计的旅程充满挑战，但目的地 - 一个更智能、更高效、更具创新性的嵌入式系统的世界 - 非常值得付出努力。
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