《軟件學(xué)報(bào)》注重刊登反映計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件新理論、新方法和新技術(shù)以及學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)的文章,主要涉及理論計(jì)算機(jī)科學(xué)、算法設(shè)計(jì)與分析、系統(tǒng)軟件與軟件工程、模式識(shí)別與人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、多媒體技術(shù)及其他相關(guān)的內(nèi)容.
　　[摘要]簡(jiǎn)述了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及智能控制在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上著重討論嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、支撐環(huán)境，虛擬系統(tǒng)集成技術(shù)在構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境中的應(yīng)用，介紹幾種虛擬驗(yàn)證方法。

　　[關(guān)鍵詞]嵌入式系統(tǒng),嵌入式軟件,虛擬系統(tǒng)集成

　　一、模糊技術(shù)與人工智能技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　嵌入式系統(tǒng)與模糊邏輯相結(jié)合反映在兩個(gè)方面。一方面產(chǎn)生了模糊微控制器，另一方面產(chǎn)生了用于模糊控制的各種模糊開(kāi)發(fā)軟件和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。模糊邏輯開(kāi)發(fā)軟件和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)有兩類。一類是針對(duì)數(shù)字微控制器的，它的模糊控制機(jī)理要用軟件實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)軟件和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的目的就是要產(chǎn)生能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的模糊控制方式的微控制器軟件。另一類是針對(duì)對(duì)模糊微控制器的，它的模糊控制機(jī)理要用參數(shù)設(shè)定，這種開(kāi)發(fā)軟件和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的目的則是要產(chǎn)生模糊微控制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　二、幾種常用的嵌入式系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境

　　簡(jiǎn)單軟件仿真系統(tǒng)。這種方法是在宿主機(jī)上只構(gòu)造虛擬目標(biāo)機(jī)。仿真執(zhí)行嵌入式軟件時(shí)，虛擬目標(biāo)機(jī)與外部環(huán)境之間的信號(hào)交換需通過(guò)手工設(shè)定并以交互方式進(jìn)行。這種方法很難描述外部環(huán)境的并發(fā)性和實(shí)時(shí)性，離不開(kāi)對(duì)硬件調(diào)試設(shè)備及手段的依賴。

　　在線仿真器調(diào)試方法。這種方法是目前調(diào)試嵌入式軟件普遍使用的方法。這種方法是在宿主機(jī)上交叉匯編生成目標(biāo)機(jī)的目標(biāo)碼，然后通過(guò)仿真頭將目標(biāo)機(jī)的執(zhí)行碼裝入到目標(biāo)機(jī)上實(shí)際運(yùn)行，并通過(guò)宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)上的監(jiān)控程序之間的信息傳遞來(lái)控制目標(biāo)機(jī)上的目標(biāo)碼的執(zhí)行。該方法需要反復(fù)調(diào)試嵌入式軟件及嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境。

　　分布式仿真解決方案。大致包括以下幾個(gè)部分：(1)起運(yùn)行控制作用的仿真頭。(2)利用調(diào)試軟件，通過(guò)仿真頭訪問(wèn)外部硬件環(huán)境，并執(zhí)行調(diào)試功能。(3)通過(guò)LAN連到主機(jī)的邏輯分析儀提供實(shí)時(shí)的分析。

　　作為硬件設(shè)計(jì)工具的邏輯分析儀，目前在嵌入式設(shè)計(jì)的不同階段都可發(fā)揮很大的作用。隨著LAN以及主機(jī)X-WINDOWS界面技術(shù)的發(fā)展，分析人員利用其可以較容易地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)集成過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題。分布式仿真為軟件開(kāi)發(fā)者及硬件工程師開(kāi)發(fā)調(diào)試以新一代處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)提供了一個(gè)一致的、靈活的、且具有一定規(guī)模的工具。

　　三、虛擬集成與虛擬驗(yàn)證技術(shù)

　　一般，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為幾個(gè)不同的開(kāi)發(fā)階段。首先通過(guò)需求分析確定嵌入式系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，并在系統(tǒng)級(jí)對(duì)所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。然后將功能分解為軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分。在此之后系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)入兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的開(kāi)發(fā)階段。當(dāng)嵌入式軟件及外部硬件環(huán)境設(shè)計(jì)結(jié)束之后，進(jìn)入系統(tǒng)集成及系統(tǒng)測(cè)試階段。在此階段嵌入式軟件運(yùn)行于目標(biāo)硬件環(huán)境中，以此來(lái)調(diào)試嵌入式軟件并同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

　　隨著硬件技術(shù)，特別是VLSI技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷提高。與此同時(shí)，專用集成電路的廣泛應(yīng)用使得嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的難度進(jìn)一步增加。在嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，常常因?yàn)橛布�設(shè)計(jì)的不當(dāng)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此在嵌入式系統(tǒng)硬件制造之前，應(yīng)首先對(duì)包括硬件在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，以確保系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能與最初功能規(guī)格說(shuō)明中的要求相一致。解決上述矛盾的一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的方法是加強(qiáng)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)及外圍硬件設(shè)計(jì)階段之間的信息交流。即在功能分解階段后，借助模擬技術(shù)和虛擬原型技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成及測(cè)試，以期發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并對(duì)功能分解進(jìn)行優(yōu)化。這種虛擬系統(tǒng)集成技術(shù)強(qiáng)調(diào)協(xié)同設(shè)計(jì)和虛擬環(huán)境的構(gòu)造。下面是幾種協(xié)同設(shè)計(jì)方法和利用虛擬系統(tǒng)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全系統(tǒng)模擬方案的分析。

　　利用全功能模型執(zhí)行目標(biāo)代碼的方法。這種方法是首先利用HDL編寫(xiě)微處理器或微控制器的全功能模型及相關(guān)外部硬件環(huán)境的功能模型。然后將嵌入式軟件編譯成目標(biāo)碼，并裝入微處理器模擬器的內(nèi)存模塊逐條執(zhí)行。這種方法最大的缺點(diǎn)是模擬時(shí)間長(zhǎng)，在很多情況下幾乎不能使用。并且全功能處理器模型非常復(fù)雜，很難構(gòu)造。同時(shí)由于專利的原因，全功能模型很難獲得。

　　基于指令級(jí)模擬器的虛擬系統(tǒng)集成，這種協(xié)同模擬方法利用指令集模擬器模擬嵌入式軟件的執(zhí)行。指令集模擬器是一個(gè)C語(yǔ)言程序，它是嵌入式軟件的解釋器。它根據(jù)嵌入式軟件的執(zhí)行情況修改處理器狀態(tài)，并在處理器端口產(chǎn)生與指令執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的端口事件。指令集模擬器通過(guò)這些端口事件與嵌入式系統(tǒng)的離散事件模擬器進(jìn)行通訊，以實(shí)現(xiàn)軟件、硬件的協(xié)同模擬。

　　這種方法與采用處理器全功能模型的模擬方法相比，由于節(jié)省了處理器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)離散事件的調(diào)度處理開(kāi)銷，因而可以大幅度提高協(xié)同模擬的執(zhí)行速度。解決好軟件與硬件之間的同步問(wèn)題是保證該協(xié)同模擬方法正確性，及提高模擬速度的關(guān)鍵。

　　利用hardwaremodeller執(zhí)行目標(biāo)代碼的方法。一種減少全功能模型執(zhí)行時(shí)間的方法是將處理器及內(nèi)存模型代之以真實(shí)的芯片，這些芯片通過(guò)hardwaremodeller與外部硬件環(huán)境模擬器相連。這34種技術(shù)允許拋開(kāi)處理器的復(fù)雜性而進(jìn)行全功能模擬。但是，昂貴的hardware-modeller并非總能帶來(lái)模擬速度的提高。瓶頸產(chǎn)生于軟件模擬器并不能實(shí)時(shí)地處理微處理器所產(chǎn)生的信息。同時(shí)，由于程序運(yùn)行于目標(biāo)級(jí)，嵌入式軟件的可見(jiàn)性難以保證。

　　利用功能函數(shù)模擬硬件環(huán)境的方法。當(dāng)一個(gè)新項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，最終執(zhí)行軟件程序的目標(biāo)系統(tǒng)可能并不存在。為測(cè)試軟件，程序可以交叉匯編到一個(gè)已經(jīng)存在的系統(tǒng)上，硬件的功能可用模型化的函數(shù)功能來(lái)模擬。這種方法允許在硬件不存在的情況下，測(cè)試軟件的大部分功能。這種方法的主要問(wèn)題是它只提供硬件操作的近似仿真。

　　硬件仿真方法。這種技術(shù)是利用可編程的邏輯器件(例如，F(xiàn)PGA)構(gòu)造外部硬件環(huán)境，它與微處理器或微控制器芯片一起構(gòu)成仿真環(huán)境，嵌入式軟件在此環(huán)境中運(yùn)行調(diào)試。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是快速，并且在外圍硬件定型前即可進(jìn)行目標(biāo)級(jí)調(diào)試。缺點(diǎn)是硬件投資大且調(diào)試周期長(zhǎng)。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　目前嵌入式工業(yè)具有硬件復(fù)雜化(RISC，ASIC技術(shù)的廣泛應(yīng)用)及軟件智能化兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提高。虛擬集成及虛擬驗(yàn)證技術(shù)將在嵌入式工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，實(shí)用、快速、準(zhǔn)確的仿真和模擬技術(shù)將為整個(gè)嵌入式工業(yè)注入新的活力，并推動(dòng)整個(gè)嵌入式工業(yè)的發(fā)展。

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