Ken Karnofsky, The MathWorks信號處理與通訊技術(shù)市場總監(jiān)

 

正如我們所知，越來越多的復(fù)雜系統(tǒng)和技術(shù)，如多核處理器和FPGA的出現(xiàn)，已經(jīng)令一些陳舊的設(shè)計(jì)方法毫無用武之地。我們需要新的設(shè)計(jì)方法：對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級抽象，并對從概念到實(shí)現(xiàn)過程中耗財(cái)耗時(shí)的步驟進(jìn)行自動(dòng)化處理。

 

在以處理器為核心的SoC設(shè)計(jì)和驗(yàn)證領(lǐng)域，電子系統(tǒng)級（ESL）方法被用于解決上述問題。自從幾年前EDA分析師Gary Smith提出ESL概念后，很多設(shè)計(jì)方法和商業(yè)工具也隨之產(chǎn)生（有些只是經(jīng)過再包裝的）。這些工具幫助硬件設(shè)計(jì)人員對復(fù)雜的SoC架構(gòu)進(jìn)行建模，同時(shí)允許軟件開發(fā)人員在硬件設(shè)計(jì)完成之前開始編寫代碼，甚至在某些情況下，可以輔助硬件部分的實(shí)現(xiàn)。

 

然而，大部分ESL設(shè)計(jì)方法和工具的適用領(lǐng)域相對狹窄，限制了其應(yīng)用。我們需要一種不局限于SoC的更包容的方法，來大幅度地減少復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)過程中的時(shí)間，成本和錯(cuò)誤。這種新的方法必須：1)保證硬件和軟件設(shè)計(jì)的功能上正確，并滿足實(shí)際物理需求；2）幫助系統(tǒng)架構(gòu)師盡早地得到“正確”的設(shè)計(jì)，排除不可行的方案；3）預(yù)見數(shù)字、模擬、機(jī)電(L)以及其他子系統(tǒng)在集成中可能遇到的問題；4）消除從概念到軟硬件實(shí)現(xiàn)之間的過程差異；5）降低不斷增加的驗(yàn)證成本。

 

解決上述問題對半導(dǎo)體公司和電子OEM廠商至關(guān)重要。前者需要在快速變化的市場中競爭，后者則需要確保其供應(yīng)商提供的產(chǎn)品能夠滿足應(yīng)用需求。Gary Smith在對ESL進(jìn)行研究時(shí)注意到“架構(gòu)師的工作平臺(tái)”的重要性，但這只是部分解決了上述問題。基于模型的設(shè)計(jì)秉承的理念是提供一個(gè)更為完善的系統(tǒng)開發(fā)解決方案。采用基于模型設(shè)計(jì)方法的公司預(yù)期可以縮短50%以上的生產(chǎn)周期，并取得10倍于在設(shè)計(jì)工具上投資的回報(bào)。

 

基于模型的設(shè)計(jì)包含四個(gè)部分：對期望行為或者參考設(shè)計(jì)進(jìn)行建模，進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并通過仿真不斷改進(jìn)，利用代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以及在整個(gè)開發(fā)過程中不斷測試和驗(yàn)證。上述四個(gè)部分解決了當(dāng)前電子系統(tǒng)中固有的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證問題。它們利用可執(zhí)行的系統(tǒng)模型明確功能上和物理上的需求，系統(tǒng)地幫助工程師完成從設(shè)計(jì)規(guī)范，到實(shí)現(xiàn)，到驗(yàn)證的整個(gè)流程。

 

基于模型的設(shè)計(jì)促使來自不同部門的工程師之間進(jìn)行合作，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中需要使用模擬、數(shù)字、以及軟件等子系統(tǒng)的模型和運(yùn)行環(huán)境。這些模型不只是IP模塊；它們可以代表不同抽象級的系統(tǒng)元素。因此，每個(gè)部門的工程師都可以保證各自設(shè)計(jì)的部分能夠融入整個(gè)系統(tǒng)并滿足需求，盡管進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并不斷改進(jìn)和重述需要對復(fù)雜的通信和多媒體技術(shù)進(jìn)行最優(yōu)化。而且，工程師還可以盡早的發(fā)現(xiàn)并解決問題，同時(shí)在其它設(shè)計(jì)部分尚未完成時(shí)繼續(xù)該子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

 

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，整個(gè)系統(tǒng)在完全實(shí)現(xiàn)前無法進(jìn)行系統(tǒng)地測試。這樣導(dǎo)致只有到系統(tǒng)開發(fā)階段的后期才能發(fā)現(xiàn)一些隱藏的設(shè)計(jì)缺陷。此時(shí)，修復(fù)這些缺陷的成本和難度都會(huì)大大提高。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程不同，基于模型的設(shè)計(jì)可以在開發(fā)的最早階段，也是錯(cuò)誤最常發(fā)生的階段，對系統(tǒng)進(jìn)行測試和調(diào)試。模型可以通過仿真盡早地進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，模型單元通過增加實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)會(huì)逐漸地完善，在這個(gè)過程中也可以不斷地對其進(jìn)行校驗(yàn)。C，HDL以及SPICE語言實(shí)現(xiàn)，和ESL模型一樣，都能夠共同支持現(xiàn)有的工作流程、設(shè)計(jì)復(fù)用，以及最終的集成測試。不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)可在各自完成之后進(jìn)行集成，以保證任何改動(dòng)都不會(huì)降低系統(tǒng)的性能。并使得存在設(shè)計(jì)缺陷的子系統(tǒng)能夠被迅速地找到。

 

在現(xiàn)有設(shè)計(jì)流程中，還存在另一種導(dǎo)致錯(cuò)誤和延時(shí)的因素，這就是手動(dòng)完成從概念到設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)之間的轉(zhuǎn)換。舉個(gè)典型的例子來說，算法開發(fā)工程師在MATLAB中開發(fā)了一個(gè)浮點(diǎn)算法。系統(tǒng)架構(gòu)師將該算法重新編寫成C語言，在這個(gè)過程中該算法很可能變成了定點(diǎn)代碼。然后在嵌入式軟件或者硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)該算法又需要被重新編寫。這些過程即浪費(fèi)時(shí)間和人力，又可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，使設(shè)計(jì)迭代變得困難，而且還需要額外的驗(yàn)證步驟去保證硬件實(shí)現(xiàn)與相關(guān)算法的一致性。

 

基于模型的設(shè)計(jì)分別從三個(gè)方面克服了上述問題。首先，C語言或者HDL代碼可以自動(dòng)從模型單元中生成，或者重復(fù)使用已有的實(shí)現(xiàn)。這樣可以消除手動(dòng)編寫代碼產(chǎn)生的錯(cuò)誤，并使得在選擇不同的軟件或者硬件實(shí)現(xiàn)上更為靈活，而且還可在現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)流程中進(jìn)行。其次，模型單元可以作為“黃金參考”來校驗(yàn)手寫的C語言或者HDL代碼。再次，不管實(shí)現(xiàn)的是手寫代碼還是自動(dòng)生成的代碼，帶有仿真數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和環(huán)境模型都可以作為硬件實(shí)現(xiàn)的測試平臺(tái)。

 

基于模型的設(shè)計(jì)可以在很多方面整合并加速系統(tǒng)開發(fā)。以增量和標(biāo)準(zhǔn)的方式采用基于模型的設(shè)計(jì)方法可以獲得最大的收益，同時(shí)還能幫助管理新的設(shè)計(jì)方法所帶來的改變。對于剛剛采用基于模型設(shè)計(jì)方法的公司，通常先要確認(rèn)現(xiàn)有流程中造成質(zhì)量問題和生產(chǎn)力下降的根本原因，而對于IP、技術(shù)，以及現(xiàn)有流程中應(yīng)保留的部分給予重復(fù)使用的機(jī)會(huì)。按照這種做法，第一個(gè)項(xiàng)目就能夠以最小的代價(jià)產(chǎn)生即時(shí)效益。同時(shí)，隨著基于模型的設(shè)計(jì)方法在項(xiàng)目、小組和任務(wù)中的深入應(yīng)用，投資回報(bào)率（ROI）也會(huì)隨之增加。