1、武漢紡織大學武漢紡織大學碩碩 士士 學學 位位 論論 文文基于基于 Web 的的 ASIP 集成集成設計環設計環境研究境研究作者姓名：作者姓名： 上上 官官 松松 指指導導教教師師： ： 朱朱 勇勇 學科學科門類門類： ： 工工 學學 專專 業業： ： 物理物理電電子學子學 研究方向：研究方向： 嵌入式系嵌入式系統統及及應應用用 完成日期：完成日期： 二零一三年四月二零一三年四月 Wuhan Textile UniversityM. E. DissertationResearch for Integrated Development Environment of ASIP based on W

2、ebByDirected byProfessor March 2013獨創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解 武武漢紡織漢紡織大學大學 有關保留、使用學位論文的規定。特授權 武武漢紡織漢紡織大大學學 可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，并采用影印、

3、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。（保密的學位論文在解密后適用本授權說明）學位論文作者簽名： 導師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 論文題目：基于 Web 的 ASIP 集成設計環境研究專業：物理電子學碩士生：上官松指導老師：朱勇摘要摘要專用指令集處理器(ASIP，application Specific instruction processor)設計是多年來嵌入式系統研究的熱點，融合了許多先進微處理器設計方法和技術，并可以在滿足功能的同時縮短嵌入式微處理的研發時間。當前 ASIP 設計研究進展諸如 ASIP

4、的設計方法方法很多，從理論研究到實際系統設計方法，對通用的 ASIP 設計開發平臺的設計嘗試。如基于 Petri 網的 ASIP 系統設計，基于 UML/XML 的 ASIP 系統級設計、基于 GEF 框架的 ASIP 集成開發環境 ，并通過實例對這些方法進行有效性和正確性的嘗試。本文討論了 ASIP 的研究情況、ASIP 開發工具研究現狀，在原有研究的基礎上，對ASIP 的集成開發環境的設計進行了新的嘗試,提出了基于 Web 的 ThinkPHP 框架的集成設計環境的設計方法，采用 web 應用程序作為集成開發設計環境，方便開發者撇開傳統應用程序，通過移動設備方便地登錄，并對開源系統進行在線

5、設計。采 ThinkPHP 作為框架結構，采用第三方 JS 庫實現功能主界面；在目標板 linux 系統下部署數據庫，存儲硬件邏輯模塊 I/O、IP 核及芯片資料，采用第三方 JS 庫實現數據庫綁定及 CURD操作、編輯總線、硬件模塊的對象屬性，包括模塊 I/O 和芯片 PIN 的編輯；同時，采用第三方 JS 庫表現模塊及總線連接，包括模塊的空間集成特性和狀態機的時間狀態表現特性。詳細講解了開源的硬件底層和操作系統及網絡 IE 功能實現，簡單地描述了ADL 模型轉換，代碼映射、ADL 與 EDA 接口可執行流程。通過設計基于 Altera CycloneIV 的 FPGA 小系統版，調用開源

6、openrisc 軟核的開發板移植 ubantu 系統，實現以太網功能，先在 Windows 系統開發 ASIP 集成開發環境，然后在 linux 系統部署web 應用程序來測試設計的有效性。關鍵詞：關鍵詞：ASIP；ThinkPHP；第三方 JS 庫；openrisc；研究類型：研究類型：應用研究Subject：Research for Integrated Development Environment of ASIP based on Web Specialty：Computer Application TechnologyName：Instructor：ABSTRACTSpecific

7、 instruction set processor (ASIP, application Specific instruction processor) design of embedded systems over the years a hot research incorporates many advanced microprocessor design methods and techniques, and can shorten the embedded microprocessor at the same time meet the functional development

8、 time. The current the ASIP design research progress such as ASIP design method are many, from theoretical research to practical system design methods, design of ASIP design and development platform for generic try. Such as the ASIP system design based on Petri nets, UML / XML-based the ASIP system-

9、level design, integrated development environment based on the the GEF framework of ASIP, and through the example of these methods, the validity and accuracy of the attempt.This thesis, a detailed discussion of some of ASIP design methodology as well as the latest research developments, and its concr

10、ete realization of the the ASIP system-level design methods appropriate improvements proposed design method based on the integrated design environment of the of the Web ThinkPHP framework , web application as integrated development design environment, facilitate the development of the traditional ap

11、plications aside, through mobile devices easily log online design and open source systems. The mining ThinkPHP as a frame structure, the use of third-party JS library function main interface; database, storage hardware logic module I / O, IP core and chip data set in the open source database end, th

12、e use of third-party JS library database binding and CURD operation the edit bus hardware module object properties, including the module I / O, and chip PIN editing; using third-party JS library performance modules and bus connections, including the integrated nature of space and time state of the s

13、tate machine module performance characteristics. Explain in detail the open source hardware function of the underlying operating system and network IE, simply described the ADL model transformation, code mapping, ADL and EDA interface executable process. Through open source openrisc development boar

14、d transplant ubantu system, Ethernet functionality, layout of the web application environment to test the effectiveness of the design of the system.Key words：ASIP ThinkPHP MiniUI OpenRisc Thesis： Applied Research1 1 緒論緒論 .1 11.1 選題背景.11.2 ASIP 研究意義 .11.3 國內外研究現狀及發展趨勢 .31.4 研究目標及主要研究內容.31.5 論文組織.42 2

15、 設計方法研究設計方法研究 .5 52.1 嵌入式系統設計方法學 .52.2 ASIP 設計方法學 .72.2.1 傳統的 ASIP 設計方法 .72.2.2 ASIP 行為級設計方法.82.2.3 ASIP 系統級設計方法.92.3 基于 Web 的 ASIP 系統級設計方法.92.4 本章小結.113 3 系統方案分析與設計系統方案分析與設計 .12123.1 web 訪問功能實現的系統分析 .123.1.1 需求分析 .123.1.2 技術可行性分析 .123.2 以太網硬件方案.133.3 以太網 MAC 控制器.133.4 本章小節.144 4 開發環境開發環境 .15154.1 T

16、hinkPHP 框架 .154.2 第三方控件 MiniUI.194.3 本章小結.215 5 系統設計關鍵技術系統設計關鍵技術 .22225.1 第三方 JS 庫.225.2 ASIP 建模 .225.2.1 ASIP 的 UML 建模.225.2.2 ASIP 的 模型存儲.255.2.3 HDL 底層描述.275.3 模擬仿真.295.3 BSP 網絡驅動及硬件實現 .295.3.1 以太網 MII 接口.295.3.2 以太網控制器內部結構 .315.3.3 嵌入式 linux 介紹 .395.3.4 liunx 配置和啟動 .405.3.5 集成以太網控制器 .425.5 MVC 設

17、計模式 .445.6 本章小結.466 6 ASIPASIP 集成設計環境的軟件實現集成設計環境的軟件實現.47476.1 界面功能實現.476.2 ASIP 的 UML 模型實現 .506.3 ASIP 模型存儲的實現 .516.4 模型數據加載.526.5 ASIP ADL 模型映射的實現 .546.6 框架及功能集成.566.7 本章小結.597 7 結論結論 .60607.1 本文工作總結.607.2 未來展望.60致致 謝謝 .6262參考文獻參考文獻 .6363附錄附錄 .65651 緒論1.1 選題背景 嵌入式系統（Embedded system），是一種“完全嵌入受控器件內部，

18、為特定應用而設計的專用計算機系統”，嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。ASIP，Application Specific Instruction Set Processor（專用指令集處理器）是一種新型的具有處理器結構的芯片，它為某個或某一類型應用而專門設計。通過權衡速度、功耗、成本、靈活性等多個方面的設計約束，設計者可以定制 ASIP 達到最好的平衡點，從而適應嵌入式系統的需要。 嵌入式系統通常可以分為硬件和軟件兩大部分，其中硬件部分以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、I/O 設備、通訊模塊等必要

19、的外圍硬件；軟件部分包括設備驅動、操作系統和應用程序等。隨著開發對象復雜度的提高，系統的設計須由一個團隊來分工合作完成，開發形式為軟硬件協同設計方式，使用 C/C+ 、ADL 等高級程序語言。隨著嵌入式應用的飛速發展，作為軟硬件高度結合的嵌入式系統硬件環境之間差異逐漸增大。當前以交叉開發方式為主，并過多的依賴于硬件平臺和本地開發工具，再加上軟件的開發與硬件環境的構造的影響，導致定位存在錯誤，不能及時完成軟件功能調試和性能測試，軟件質量低、開發進度慢，嵌入式系統的開發效率在很大程度上受到開發工具的集成度和可用性的影響，促使了嵌入式系統開發工具的市場需求。同時，立足于云計算的設計思路，方便開發者在

20、瀏覽器端便可以輕松開發、調試和部署網絡應用程這種思想也在興起。1.2 ASIP 研究意義隨著嵌入式技術的發展以及芯片制作工藝技術的進步，在單個芯片上可以集成越來越多的晶體管，片上系統 SoC（System-on-Chip）設計成為芯片設計的一個重要研究領域。在整個 SoC 設計中，專用指令集處理器 ASIP（Application Specific Instruction Set Processor）1則是一個重要模塊，它是一種新型的具有處理器結構的芯片，具有可訂制特性，它為某個或某一類型應用而專門設計，能夠更高效的解決嵌入式系統設計中的實際問題。如圖1.1，ASIP 能在 SoC 系統中作為

21、控制核或某些功能模塊。近年來，ASIP 已滲透到計算機應用的更廣泛的領域，許多公司都推出了 ASIP 處理器產品，這些產品的特點都是在高可配置的處理器核基礎上，能針對特定應用進行優化，同時提供完備的開發工具的支持，如可重定向編譯器、功能單元自動產生器等加速開發過程。設計者根據系統設計的速度、功耗、成本、靈活性等多個方面的設計約束，可以定制 ASIP 達到最好的平衡點，從而適應嵌入式系統的需要，也正是由于自身設計采用專門定制的方法，使其具有多方面權衡和可調整能力，與專用集成電路 ASIC 和通用處理器 GPP 相比，ASIP 提供了 ASIC 所無法具有的靈活性和比 GPP 更好的性價比。ASI

22、P 處理器2的最主要的優點是面向某一個具體的應用，能夠實現最優的系統平衡（性能、功耗、成本等），靈活性主要體現在根據應用特征，能夠對基準的處理器進行適當的定制，去除某些無關的處理邏輯，并增加能有明顯提高應用性能的特殊功能單元（SFU），最大限度的利用有限的硬件資源。ASIP 的這些優點使其具有良好的發展前景，被廣泛應用于嵌入式系統中，它很好地解決了通用處理器 GPP 在嵌入式系統中性能不高和功耗過大的問題，以及 ASIC 靈活性差，開發難度高的缺點。隨著嵌入式系統應用領域的不斷擴大，ASIP 的這一技術特點使得其越來越受到嵌入式系統設計人員的青睞，也成為了目前學術界的研究熱點。但設計人員在系統

23、定制 ASIP 處理器4時往往受到芯片面積、上市時間（TTM）和功耗等非功能性的約束，我們必須要找到一款合適的處理器體系結構，所以在設計的初期要針對特定應用進行設計空間搜索1,27,45,46（DSE），利用 ADL 對目標結構進行描述并用硬件描述語言（HDL）來進行硬件實現。傳統設計方法中，以上工作需要手工完成，而且直接使用 HDL 語言來進行硬件設計相當困難，導致設計周期漫長。這里，作者探討了一種基于 ADL 體系結構描述語言的系統級設計方法，對處理器指令集和微構架在系統級進行建模，并在此基礎上研究系統級的綜合，由 ADL 描述通過相應機制映射成 RTL 級的 HDL 描述，加快處理器的設

24、計速度。ASIP 介于 GPP 通用處理器和 ASIC 專用集成電路之間，解決了通用處理器在嵌入式系統中性能不高和功耗過大的問題，以及 ASIC 靈活性差，開發難度高的缺點。隨著嵌入式系統應用領域的不斷擴大，ASIP 的這一技術特點使得其越來越受到嵌入式系統設計人員的青睞，在目前也成為了學術界的研究熱點。因為 ASIP 結合了通用處理器 GPP和專用集成電路 ASIC 的優點而受到了越來越多的研究設計人員及芯片廠商的關注。但目前還缺少通用性強和易掌握應用的 ASIP 設計開發平臺，因此，本文提出的基于 Web的 ASIP 系統級設計方法，是實現 ASIP 設計開發平臺的一種新的嘗試。1.3 國

25、內外研究現狀及發展趨勢隨著對 ASIP 研究的逐步深入與應用的推廣，ASIP 系統設計方法也經歷了相應的變化，從傳統的設計方法、到基于 IP 模塊的系統設計，再到基于軟硬件協同的設計以及基于平臺的設計方法。從大的方面來說，ASIP 處理器設計44主要需要解決兩個關鍵問題，一是如何面向具體的應用生成最優的系統體系結構，二是為定制的 ASIP 系統結構快速生成目標工具鏈，并且充分驗證工具鏈的正確性。在應用需求迅速發展的趨勢下，對產品上市時間的要求越來越高，傳統的設計方法在系統規范階段、硬件/軟件設計階段和整合測試階段暴露出了軟硬件的開發過程割裂、設計自動化層次低、周期長、缺乏對設計重用的支持等問題

26、；設計重用是基于 IP 模塊設計的最大優勢，但隨著 IP模塊的越來越多，也帶來了 IP 模塊功能、接口、電氣特性等復雜、難于理解等缺點；軟硬件協同的設計方法則存在一個軟硬件劃分的傳統難題；基于平臺的設計方法，目前只提出了一種理論上的概念框架，并沒有完整的設計環境和支撐工具的支持，且難于建立相對穩定又有充分靈活性的設計框架。在嵌入式應用領域，應用的需求多種多樣，并且變化頻繁。應用即使做一次小規模的改動，ASIP 處理器的設計流程也需要重新進行，其中很大一部分的工作需要系統設計人員手工完成，大大增加了系統開發時間。在 ASIP 處理器設計上，如何快速有效的提供面向應用領域的系統解決方案是亟待解決的

27、問題，也是幾年來學術界研究的熱點和難點問題。此外，目前的ASIP設計方法缺乏對具體應用領域計算特征的系統分析，另一方面，針對ASIP系統設計的相關研究工作多對某個特定的問題展開，雖然也存在一些設計環境，但總體而言沒有從整體系統的層面提供易用、快速和可評估的設計方法和環境。目前，已經有團隊在研究ASIP設計軟件IDE,作為ASIP嵌入專用指令集式處理器的基本軟件開發工具。設計目標是所有軟件開發編輯任務都能在ASIP IDE下完成，編譯和調試程序在底層可綜合SystemC的開發平臺實現系統級綜合，完成ADL描述到RTL級HDL描述的自動轉換。1.4 研究目標及主要研究內容 本文在全面系統的分析了嵌

28、入式系統設計和 ASIP 設計方法學4的基礎之上，提出了基于 Web 的系統級的設計方法，通過第三方 JS 庫平臺下的圖形化編輯框架 MiniUI和基于第三方框架對 ASIP 中的一些功能部件進行建模，由此生成元模型。再通過 XML來存儲模型的數據表格，通過修改模型屬性和 XML 參數可配置相應的部件模型和體系結構的設計，達到 ASIP 設計中要根據具體需求定制的目標。給出新的設計思想,設計基于嵌入式和移動設備訪問的開源 ASIP 設計，發揮開源設計的優勢。本文的主要任務集中在采用功能主界面的實現、對象圖形，網絡 IE BSP 網絡驅動技術實現 IE 訪問、ASIP 的 UML 建模，實現基于

29、 web 的 ASIP 集成設計環境。最后，再以 OpenRisc1200 可裁剪的核心和 wishbone 總線及各種模塊集成平臺來驗證我們的設計，并通過 openrisc的以太網接口來實現對 openrisc 的訪問。1.5 論文組織本論文共分六章，各章的組織如下:第一章：緒論，首先介紹了該課題研究背景，包括 ASIP 在嵌入式領域中應用的意義和和當前形勢。主要講了 ASIP 集成設計環境的形勢，然后講述了本文的創新設計和研究目的。第二章：講解了 ASIP 設計方法，對嵌入式系統設計方法學進行簡單全面的介紹，重點闡述基于 web 的 ASIP 設計方法。第三章：對基于 web 的 ASIP

30、 設計方法進行了需求分析和系統分析第四章：介紹了基于 web 的 ASIP 集成開發環境的開發工具。第五章：講述了系統的設計的幾個關鍵技術的研究，包括 ASIP 建模、BSP 網絡驅動等簡述了基于 web 的 ASIP 集成設計環境的實現過程。2 設計方法研究設計方法研究設計方法學是研究產品設計規律、設計程序及設計中思維和工作方法的一門綜合性學科。設計方法學以系統工程的觀點分析設計的戰略進程和設計方法、手段的戰術問題。在總結設計規律、啟發創造性的基礎上促進研究現代設計理論、科學方法、先進手段和工具在設計中的綜合運用。設計方法學是研究產品設計規律、設計程序、設計中思維和方法的一門綜合性學科。設計

31、方法學的關鍵是針對設計條件的約束，尋找最佳的解決方案。鼓勵創新意識和協同思維，便于處理設想，達成最佳方案。其中最關鍵的考量是迎合用戶需求和設想。而且設計方法學中也運用一些基本的研究方法，例如分析和測試。設計方法學的發展路線：可行性設計最優化設計系統設計。本節將論述一些傳統的設計方法，本文為則提出基于 Web 的 ASIP 系統級設計方法。2.1 嵌入式系統設計方法學目前，實現嵌入式系統的硬件方法主要有：定制邏輯（ASIC）、現場可編程門陣列（FPGA）和嵌入式微處理器三種。在實際系統實施中，絕大多數系統是采用嵌入式微處理器方式，如單片機、單板機或嵌入式微處理器芯片等。這是因為用微處理器實現嵌入

32、式系統是一種十分有效的方法，它使得在不同價位上設計不同特性的產品系列成為可能，并且能夠擴充新特性以滿足飛速發展變化的市場需求。嵌入式系統設計方法的演化總的來說是由應用需求牽引和 IT 技術推動。如微電子技術和半導體技術不斷創新和發展，大規模集成電路集成度和工藝水平不斷提高，計算機硬件平臺性能也隨之大幅提高，使很多復雜算法和操作簡單的界面得以實現；高性能 EDA 綜合開發工具不斷智能化，給極其復雜嵌入式系統的設計提供了布線、編譯、模擬、綜合和驗證等一體化便于學習和使用集成開發環境9； HDL 的發展可以對各種復雜的電子系統硬件建立模型，其描述能力和抽象能力相當強，給硬件電路特別是定制大規模集成電

33、路設計帶來了重大變革；軟件技術進步，特別是嵌入式實時操作系統 EOS(Embedded Operation System）推出，為開發復雜嵌入式系統應用軟件提供了底層支持和高效率開發平臺，形成了嵌入式系統的基本結構。面向對象的嵌入式系統建模同任何軟件密集型系統建模一樣，從系統中的類建模開始。為了解類的結構，首先對系統工作過程作一個總體陳述。無論是采用問題空間詞匯抽象方法還是采用用例（use case）驅動建模方法，目標都是找到系統以類或對象作為構造塊的類圖。如果采用用例驅動的系統分析方法，該內容也可以用用例視圖加以模型規格說明，然后使其作為系統白盒測試依據。由于使用用例視圖做的規格說明篇幅比較

34、大。當系統的分析與設計采用面向對象方法時，并不意味著所使用的編程語言也一定是面向對象的。事實上，這種分析設計方法的具體實現可以使用任何編程語言（如匯編語言或 C 語言）；但是，在程序設計上要盡可能地使用面向對象的思想，如體現程序結構方面的封裝性、消息傳遞等。這種才會使程序結構清晰，便于應付隨著需求變化而產生的不斷更新和系統維護。目前嵌入式系統設計方法學有：（1） 基于 IP 復用的設計方法學：把經過驗證的 IC 電路以模塊即 IP 核以模塊形式加入系統設計中。IP 模塊分為軟核（Soft-Core）、固核（Firm-Core）和硬核（Hard-Core）。其中，軟核以 HDL 的方式提交,其性

35、能通過時序模擬進行驗證。由于軟核不依賴于任何實現工藝或實現技術,具有很大的靈活性。使用者可以方便地將其映射到自己所使用的工藝上去,可復用性很高。軟核的另外一個重要的優點是使用者擁有全部源代碼。使用者可以通過修改源代碼,方便地生成同樣功能且自有版權的新軟核,從而避免向原有軟核作者支付版稅。同時聰明的軟核使用者還可以通過增加自己的知識和經驗,產生出遠比原始軟核廣泛得多的新的軟核。硬核以 IC 版圖的形式提交,并經過實際工藝流片驗證。顯然,硬核強列地依賴于某一個特定的實現工藝,而且在具體的物理尺寸,物理形態及性能上具不可更改性。硬核已經過驗證并具有最優的面積代價和性能的設計,使用者不需考慮與上相關的

36、優化問題。憂的是硬核與工藝的強相關性迫使使用也只能使用核工藝完成電路其它部分的設計,而且要在布局布線遵守注意固核的物理限制。顯然,固核的特點決定了使用者進行電路設計時的靈活性很小,希望通過獲得固核以生成其它固核的可能基本上沒有。即使有,受到加工工藝、經費和知識產權等方面的限制,也會失去意義于軟核和硬核之間的固核以電路網表的形式提交并通常采用硬件進行驗證。硬件驗證的方式有很多種,比如可以采用可編程器件（如 FPGA,EPLD）進行驗證,采用硬件仿真器進行驗證等。固核往往對應于某一個特定的實現工藝,在該實現工藝的條件下固核具有最優的面積和性能特性。對于使用者來說不需要對固核的功能給于過多地關注,可

37、以減少許多相關的設計工作,同時由于固核的時序特性是經過嚴格檢驗的,設計者只要保證在布局布線過程中電路關鍵路徑的分布參數不會引起時序混亂就可以保證芯片的設計成功。（2）軟硬件協同的設計方法學：面向 SoC 的軟硬件協同設計理論應該是從一個給定的系統任務描述著手,通過有效地分析系統任務和所需的資源,采用一系列變換方法并遵循特定的準則自動生成符合系統功能要求的,符合實現代價約束的硬件和軟件架構。EDA 工具必須提供能夠設計和驗證這樣的軟硬件系統的開發工具，軟硬件協同設計一般包括三個階段，即協同規范階段，協同綜合階段，協同模擬與評估階段。（3）基于平臺的設計方法學：基于平臺的方法可提供一種完全集成的通

38、用架構，設計師能夠利用這些共同特點，簡單、快速地開發出 SoC。而且，通過采用事先設計和特性確定的組件而不是定制設計的方法，有利于加速開發團隊的設計流程，減少逐漸增加的上市時間壓力。把它們應用于多個 SoC 項目，重復使用現有的知識產權(IP)模塊有利于減少開發成本。基于平臺的設計過程主要包括模塊生成、IP 模塊重用、芯片集成和軟件開發等部分。將功能和實現分開，強調功能與結構的分享，平臺的開發可以獨立的進行，設計平臺可以分成自行設計平臺、可定制平臺、應用特定的平臺和可配置平臺。到目前為止，只是提出了理論上的概念框架，并沒有完整的設計環境和支持工具。基于平臺的方法有利于 SoC 設計師滿足日益增

39、加的復雜性和市場細分的要求。憑借基于平臺的架構，設計師只要增加或更換一些 IP 組件，就能迅速開發出派生產品。此外，預先集成的架構有利于減少顯著增加開發團隊難度和導致項目失敗風險的驗證不確定性。最后，通過在設計內選擇第三方的模塊，平臺方法有利于設計團隊將自己的資源集中于其核心競爭力上。2.2 ASIP 設計方法學2.2.1 傳統的 ASIP 設計方法ASIP 是由嵌入式系統的發展而出現的，起初它的設計方法主要也是嵌入式系統設計中的軟硬件協同設計方法。軟硬件協同設計是指對系統中的軟件部分和硬件部分使用統一的描述和集成開發工具進行開發,在設計完之后可對整個系統的進行設計的驗證，而且還能跨越軟硬件界

40、面進行系統設計中的一些優化，便于設計最佳的系統。傳統的嵌入式系統設計都是要先將嵌入式系統設計劃分為相對獨立的軟件設計和硬件設計，即所謂的軟硬件分開設計，這樣的設計不僅在設計時軟硬件設計的使用技術多而復雜，而且系統的設計差別較大，在時間上也會不同步，會選硬件設計滯后或軟件設計帶后的情況。現在的一些綜合技術可以將硬件和軟件同等看待，在設計上和更高的抽象層次上它們之間沒有什么區別，如 VLSI,ASIC,PLD 等硬件可以 VHDL 或 SystemC 實現。而且當今嵌入式系統設計的發展趨勢是軟硬件相互融合、滲透：硬件設計的軟件化，如VHDL, Verilog 等；軟件實現的硬件化，如各種實現特定應

41、用算法的 ASIC。在給定功能的硬件和軟件選擇只是在多種設計指標上進行折衷，如性能，功耗，大小，價格，靈活性等，至于用硬件實現，還是用軟件實現沒有太大差別。這些發展都對嵌入式系統設計產生一些影響，雖然可以在設計時增加靈活性，但同時也給設計增加了風險。如今，軟硬件協同設計的開發工具已經相當豐富，現總結如下：(1)硬件設計 EDA 工具：系統級設計工具 cadence 的 SPW,System View;(2)模擬電路系統仿真工具:Pspice,EWB;(3)PCB 設計工具:Protel,PADS 的 Power PCB&Tool kit,Mentor 的Expedition&Tool Kit(

42、4)可編程邏輯器件設計工具：Mentor FPGA Advantage&modelSim, Xilinx Foundation ISE&Tool Kit,各種綜合和仿真第三方工具。軟硬件協同設計就是在進入設計階段之初首先對軟硬件進行劃分，劃分哪些功能由軟件來實現和哪些功能用硬件實現之后，軟件設計和硬件設計可以同時進行，其中驗證要貫穿軟硬件設計的整個過程；軟硬件分開設計的開發路線，會導致代價昂貴的糾錯成本和開發進度的下降。在軟硬件協同設計中所用到的一些關鍵技術，如可編程邏輯綜合和功能模型描述的進步，使軟硬件協同設計變得越來越簡單。當前，軟硬件協同設計缺乏標準化的設計方法和驗證評估方法，可通過擴展

43、已有的硬件/軟件語言開發工具和擴展形式化驗證技術并應用到軟硬件領域，如基于 FPGA 的嵌入式系統設計SOPC 設計來解決。軟硬件協同設計就是在進入設計階段之初首先對軟硬件進行劃分，劃分哪些功能由軟件來實現和哪些功能用硬件實現之后，軟件設計和硬件設計可以同時進行，其中驗證要貫穿軟硬件設計的整個過程；軟硬件分開設計的開發路線，會導致代價昂貴的糾錯成本和開發進度的下降。在軟硬件協同設計中所用到的一些關鍵技術，如可編程邏輯綜合和功能模型描述的進步，使軟硬件協同設計變得越來越簡單。當前，軟硬件協同設計缺乏標準化的設計方法和驗證評估方法，可通過擴展已有的硬件/軟件語言開發工具和擴展形式化驗證技術并應用到

44、軟硬件領域，如基于 FPGA 的嵌入式系統設計SOPC 設計來解決。2.2.2 ASIP 行為級設計方法ASIP 行為級設計方法的基礎是行為級體系結構描述語言（Architecture Description Language, ADL），用于描述候選處理器指令集體系結構5,14。行為級設計首先為備選體系結構生成指令集模擬器，之后在模擬器上模擬執行要在 ASIP 上運行的應用程序，通過剖析(profile)得到所執行的應用程序特征，以及處理器參數信息對指令集體系結構的進行優化，然后對優化后的指令集反復執行、分析和優化，一直到設計出滿足應用約束條件的指令集。為了描述 ASIP 的行為級設計中需要

45、的所有信息，行為級 ADL 在設計時，要能準確、完整和方便完成。對指令集進行行為級描述，行為級 ADL 需要定義有關指令集體系結構的指令的功能、格式、編碼和一些必要的硬件信息（如 cache）10,11。在基于 ADL 的 ASIP 設計流程中，體系結構描述語言處于核心地位。ASIP 的開發特點對 ADL 提出了兩個方面的要求：一是 ADL 必須能夠描述各種體系結構特性，從而方便用戶定制指令和進行體系結構空間搜索；二是 ADL 要對體系結構的描述應盡量簡潔，縮短開發時間。而這兩種要求往往以是相互矛盾，所以要折中處理。目前關于 ADL 的研究很多，如 nML 和 ISDL 是指令集描述語言(Is

46、 ADL)； LISA 和Expression 是通用 ADL 的代表，能同時描述了指令集和微體系結構級信息；TIE 不能描述一個完整的處理器，只能給基礎處理器添加新指令。但 TIE 能夠快速地開發ASIP，且相關的開發工具已經相當成熟。這些 ADL 中最成功就是 LISA 和 TIE，它們都被實現了商業化，其中 TIE 已經取得了較大成功。2.2.3 ASIP 系統級設計方法目前，在嵌入式系統設計革新當中，系統級設計方法正是充滿希望的一個，在面臨數百萬門級系統設計中，原有的寄存器傳輸級設計方法已經捉襟見肘，提高抽象層次，提出系統級設計新方法已成為解決問題復雜性的必然手段。ASIP 系統級的設

47、計15是從高抽象級到低抽象級的逐層實現的過程，每層都會涉及到描述、驗證和轉換(綜合)，系統級比 RTL(寄存器轉送級)級更高的抽象層次，包含了硬件和軟件等的實現，系統級層的主要對象是 ASIC、微處理器、存儲器和可編程邏輯等，因此系統級設計方法是與系統級相關的各種描述、驗證和綜合技術的總稱。系統級設計的主要任務包括12：1、系統級描述：與軟硬件協同設計中的軟硬件統一描述相同，但是在與實現無關的抽象層次上描述整個系統的行為，分析和驗證系統。2、系統級綜合：不僅關注軟硬件的劃分問題，而且把系統體系結構和軟硬件的劃分問題放在了同等的位置上考慮，并發進行，相互影響，反復迭代和循環。目前普通采用的系統級

48、綜合方法是把應用系統功能的系統實現和行為描述的不同體系結構描述分離，使得相同的系統功能在體系結構不同的情況下也能實現，通過綜合生成與相3、系統級驗證:系統級驗證面臨設計空間搜索優化的任務，因此對驗證的效率要求比較高。目前驗證的方法主要形式化驗證方法和模擬驗證。在系統級設計方法學中，系統描述占據主要位置，選擇的系統描述語言決定著具體的綜合和驗證技術。因此，要選擇一種合適的 ADL 來完成對 ASIP 的設計至關重要。2.3 基于 Web 的 ASIP 系統級設計方法基于 Web 的 ASIP 集成開發環境是一個跨平臺的集成開發環境，它立足于云計算的設計思路，方便開發者在瀏覽器端便可以輕松開發、調

49、試和部署網絡應用程序。本身作為一款 APP 程序，基于 Web 的 ASIP 集成開發環境級融入了分享機制，開發者可以有選擇的上傳項目代碼，使用云技術來協同同事完成項目工作。基于 Web 的ASIP 系統級主要支持一些嵌入式系統開發語言包括 UML、HDL、ADL 等，數據庫支持MySQL Server。基于 Web 的 ASIP 集成開發環境的目的就是要把 IDE 平臺搬到 Web 上來。和之前的IDE 碼庫相比，基于 Web 的 ASIP 集成開發環境為 Web 應用提供了一個基于瀏覽器的開發工具，它的客戶端和所有工具都是用通過 IE 實現訪問的。它可以在瀏覽器標簽頁里運行的 IDE，也能

50、共享。可以在新標簽頁里打開文件。”基于 Web 的 ASIP 集成開發環境的服務器端的計劃是基于 Linux 實現的，采用 PHP 搭建 Web 服務。客戶端 UI 跟服務器之間的通信都基于 Web 實現。在基于 Web 的 ASIP 集成開發環境中，UML(統一建模語言)都可以非常直觀地展現出系統設計中的各個環節的問題和細節。軟硬件設計師們只要能看懂 UML 符號就可以輕松地交流，還可以共同設計一個系統。同時，通過 web 訪問的開發方式，第一能提供開源 ASIP 系統的，設計師可以不借助本地的開發工具，方便的訪問開源的 ASIP 系統進行設計。系統級設計方法的核心是系統級描述語言。傳統的設

51、計描述語言如 HDL 等，面向低抽象級，不適于算法級和行為級描述，面向對象技術適用于行為級以上更高的抽象層次和 IP 重用，用面向對象的方法分析、設計嵌入式系統會是今后發展的方向。UML是一種設計語言，不是設計方法，它可以獨立于任何一種開發過程，但卻可以支持其過程。同其他建模語言相比，UML 用于嵌入式系統設計的主要優勢有，UML 靜態結構和動態行為等方面的描述進行了了統一；UML 可以從邏輯視圖或物理視圖不同的視角來構建模型，用于理解和規劃系統的不同設計階段；UML 具有良好的擴展機制，使用擴展的UML 語言可以為一些特定應用領域進行建模。在 ASIP 系統設計方法中，可用 UML 為ASI

52、P 系統的行為、時間和結構等特征建模。使用 UML 中的用例圖、對象圖、類圖及狀態圖對于系統級硬件建模已足夠。雖隨著通用處理器技術的發展，目前通用處理器已經具有成熟的指令集結構，不同處理器的差別主要在于微體系結構層和硬件實現。ASIP 設計的要根據設計需求選擇合適的指令集結構，具有很大的靈活性。而 XML 具有良好的擴展性，采用 XML 能很好的描述 ASIP 的微體系結構，滿足各方面的功能設計需求。對設計中的指令、微體系結構的部件和互連結構進行定義和描述。UML 可用于嵌入式系統的設計，而且可用于嵌入式系統中的 ASIP 硬件設計，即ASIP 中硬部件的建模。本文主要闡述的是是用 UML 類

53、圖來描述 ASIP 硬部件的建模，這是與其它 UML 的建模使用的不一樣的地方。其它 ASIP 的建模如狀態圖，部署圖在以后的研究中再實現，它們可以從不同的視角來為 ASIP 進行建模。如部署圖，用例圖等，以不同的視角來描述 ASIP 的設計。UML 模型序列化成 XML：由于 XML 的語法特性，可采用 XML 來描述 ASIP 的體系結構和 ASIP 的 UML 模型的存儲。在 ASIP 的 UML 類圖建立之后，可采用 XML 來存儲模型數據。在基于 UML/XML 的 ASIP 系統級設計方法中在使用 XML 上只是運用了 XML 的語法規則，所做的就是自己定制 XML 的語法標記，用

54、于存儲 ASIP 的數據模型。其實現主要是圍繞模型驅動框架（MDA），研究 ASIP 系統的平臺無關模型（PIM）-UML 模型和平臺相關模型（PSM）-XML 模型，從而有效分離系統功能和實現描述13。采用 UML 可為ASIP 系統級設計建立模型，建立的模型可以被 UML 工具轉化成指定的程序語言代碼如HDL(Hardware Description Language)代碼。UML 作為一種模型語言，它使開發人員專注于建立產品的模型和結構，而不是選用什么程序語言和算法實現。UML 可作為 ASIP系統設計的建模方法及設計方案的表述形式,以 XML 作為一種與平臺無關的信息封裝形式。兩者共同

55、構建 ASIP 數據模型 DM(Data Modeling of ASIP)，以統一 ASIP 數據結構。2.4 本章小結本章主要是系統地簡述的嵌入式系統設計方法學和 ASIP 的設計方法，在這些設計方法學的基礎上，提出來了基于 Web 的 ASIP 系統設計方法。嵌入式系統的設計方法經過了本地開發工具的電路級、邏輯門級、寄存器級和系統級設計的發展過程。本文提出的基于 Web 的 ASIP 的設計方法也一種開發性的系統級的設計方法。系統級設計的過程是通過 web 的訪問，從較高的抽象層次上由行為描述，逐漸轉向結構描述，最后到物理實現的過程。在系統的設計過程 ，其主要任務可分為系統級描述、系統級

56、綜合和系統分析、驗證。3 系統方案分析與設計3.13.1 webweb 訪問功能實現的系統分析訪問功能實現的系統分析3.1.1 需求分析基于 web 的 ASIP 集成開發環境功能需求如下：1、提供工程管理、源代碼編輯器、編譯器、調試器、軟件組件等主要功能。 （1）工程管理功能提供工程管理任務，加快嵌入式應用程序的開發進度； （2）源代碼編輯器是一個成熟的全功能源文件編輯器，具備文件管理、搜索等功能。（3）編譯器是 C/C+編譯器，提供易用的按鈕式流程，允許開發人員手工設置高級編譯選項。（4）調試器要求調試信息查看，使用戶可以訪問開發對象的變量、寄存器、存儲器、斷點以及表達式賦值函數。（5）軟

57、件組件使開發者通過軟件組件來快速定制系統，軟件組件主要包括硬件抽象層運行庫，可對庫文件進行編輯。2、該開發環境是基于 web 的用來編寫代碼和系統設計的框架，支持即時部署、在線編輯等功能。3、該開發環境是在帶網絡功能的基于 ASIP 的目標板的嵌入式操作系統上部署。3.1.2 技術可行性分析該集成開發環境可以在 Linux 操作系統下 Apache+PHP+phpMyadminb+MySQL5.0 來實現，即部署了 web 服務的嵌入式操作系統。這套開發軟件及環境都是免費且可從網上下載，不需要任何費用。要完成基于 ASIP 集成開發環境的 web 訪問，必須能夠配置嵌入式操作系統的 PHP 程

58、序。同時，硬件層面還需要能夠移植 linux 到基于 ASIP 軟核的帶以太網接口及的目標板。我們可以采用開源 Openrisc 軟核來驗證設計，所以可以設計開發帶以太網的 FPGA 小系統板來實現底層硬件支持，移植 Linux 操作系統并搭建Apache+PHP+phpMyadminb+MySQL5.0 來部署 ASIP 集成開發環境這個基于 web 的 IDE 服務。該集成開發環境可通過第三方 JS 空間來設計功能界面、存儲訪問等功能，通過可執行規約實現 PHP 和 EDA 之間的接口。3.2 以太網硬件方案我們參考以往的 openrisc 硬件平臺設計了 FPGA 目標板，以滿足驗證 A

59、SIP 設計的OPpenrisc 處理器 SoC 設計的要求。主板支持最常見接口，支持簡單地連接和調試。該主板能夠支持 openrisc 的快速啟動。根據預先定義的 Openrisc SOC 設計，確保 OpenRISC 處理器系統的隨時運行。同時，創建 VirtualBox 鏡像，即 ubantu linux系統，可在該系統支持下搭建 web 環境。目標板采用 Altera 公司的 Cyclone IV E，22K LUT FPGA，32 MB SDRAM、1MB SPI FLASH、以太網控制芯片、USB Host/Slave、采用 USB 供電。兩個 JTAG 接口（用于對FPGA 進行

60、編程，外部 SPI 閃存和 OpenRISC 調試通過 GDB 工具）、兩個 UART 接口。Linux 下的軟件工具已經安裝并制成 VirtualBox 鏡像。在開發板上移植 Ubantu linux系統并添加 web 訪問服務，ASIP 集成設計環境、使 win 或 Android 設備能通過 IE 訪問orsoc 開發板，對 ASIP 進行系統設計。3.3 以太網 MAC 控制器為驗證本文 ASIP 設計而采用 Openrisc 軟核移植 linux 系統進行功能試驗，而基于 openrisc 軟核的以太網不能離開底層以太網控制器及其驅動的支持。開源 Opencore組織提供了 Ethe