基于SoPC的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的嵌入式軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

1、2012年 11月 15日 第 35卷第 22期現(xiàn)代電子技術(shù)M o d e r n E l e c t r o n i c s T e c h n i qu e N o v . 2012V o l . 35N o . 22基于 S o P C 的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的嵌入式軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)于 海 1,2, 姚啟桂 2, 虞 躍 2, 朱 浩 3(1. 東南大學(xué) , 江蘇 南京 210003; 2. 中國電力科學(xué)研究院 , 江蘇 南京 210003;3. 南京南瑞集團(tuán) 水利水電技術(shù)分公司 , 江蘇 南京 210003摘 要 :首先介紹了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的發(fā)展過 程 和 狀 態(tài) 監(jiān) 測(cè) 裝 置 開 發(fā) 的

2、 背 景 資 料 , 然 后 利 用 該 方 法 設(shè) 計(jì) 了 一 款 新 型的高性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置 ,并分別從硬件和軟件 2個(gè)角度對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入說明 。 該裝置已成功集成于水電機(jī)組 在線 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)中 , 實(shí)際應(yīng) 用 證實(shí) 了 它具有 性能高 、 穩(wěn)定 性 好 、 擴(kuò) 展 性 強(qiáng) 等 優(yōu) 點(diǎn) , 同 時(shí) 該 設(shè) 計(jì) 方 法 對(duì) 于 電 力 場(chǎng) 合 其 它 類 似 應(yīng) 用 亦 有 較大 的 借鑒意義 。關(guān)鍵詞 :軟硬件協(xié)同 ; S o P C ; 狀態(tài)監(jiān)測(cè) ; L i n u x ; F P G A ; P L C中圖分類號(hào) :T N 919-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1004-3

3、73X (2012 22-0001-03E m b e d e d h a r d w a r e a n d s o f t w a r e c o -d e s i g n f o r S o P C -b a s e d c o n d i t i o n m o n i t o r i n g d e v i c e Y U H a i 1,2, Y A O Q i gu i 2, Y U Y u e 2, Z HU H a o 3(1. S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i n g 210003, C h i n a ;

4、2. E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e , N a n j i n g 210003, C h i n a ; 3. N a r i H y d r o W a t e r T e c h n o l o g i e s I n c , N a n j i n g 210003, C h i n a A b s t r a c t :T h e d e v e l o p m e n t p r o c e s s o f s o f t w a r e a n d h a r d w a r e c o -

5、d e s i g n h o d a n d d e v e l o p m e n t b a c k g r o u n d o f s t a t e m o n i t o r i n g s y s t e m a r e i n t r o d u c e d . A n e w h i g h -p e r f o r m a n c e s t a t e m o n i t o r i n g d e v i c e w a s d e s i g n e d w i t h t h e m e t h o d , w h i c h i s d e s c r i b e

6、 d r e s p e c t i v e l y i n t w o r e s p e c t s o f s o f t w a r e a n d h a r d w a r e .T h e d e v i c e w a s s u c c e s s f u l l y i n t e g r a t e d i n t h e o n -l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m i n a h y d r o -p o w e r g e n e r a t i n g u n i t . T h e p r a c t i c a l

7、a p p l i c a t i o n c o n f i r m s i t h a s h i g h p e r f o r m a n c e , g o o d s t a b i l i t y a n d s t r o n g s c a l a b i l i t y . T h e d e s i g n m e t h o d a l s o h a s a g r e a t r e f e r e n t i a l s i g n i f i c a n c e f o r o t h e r s i m i l a r a p p l i c a t i o

8、n s . K e yw o r d s :s o f t w a r e a n d h a r d w a r e c o -d e s i g n ; S o P C ; s t a t e m o n i t o r i n g ; L i n u x ; F P G A ; P L C 收稿日期 :2012-05-23基金項(xiàng)目 :國家 “ 863” 計(jì) 劃 項(xiàng) 目 :智 能 配 用 電 信 息 及 通 信 支 撐 技術(shù)研究與開發(fā) (2011A A 05A 1160 引 言軟硬件 協(xié) 同 設(shè) 計(jì) (H a r d w a r e /S o f t w a r e C o -d e s

9、i gn 是在 20世紀(jì) 90年代興起的跨領(lǐng)域交叉學(xué)科 1。 隨著超大規(guī)模集成電路制造工藝的進(jìn)步 , 單個(gè)芯片所能提供 的晶體管數(shù)量已經(jīng)超過了大多數(shù)電子系統(tǒng)的需求 , 專用 集 成 電 路 (A p p l i c a t i o n S p e c i f i c I n t e gr a t e d C i r c u i t , A S I C 設(shè) 計(jì) 逐 漸 進(jìn) 入 了 片 上 系 統(tǒng) (S y s t e m o n C h i p , S o C 設(shè)計(jì)的時(shí)代 。 片 上 可 編 程 系 統(tǒng) (S y s t e m o n a P r o gr a m m a b l e C h

10、i p ,S o P C 是 A l t e r a 公司提出來的一種靈活 、 高效的 S o C 解決方案 。 它是一種特 殊的嵌入式系統(tǒng) :首 先 , 它 是系統(tǒng)芯片 S o C , 即單個(gè)芯片能完成系統(tǒng)的主要邏輯功 能 ; 其次 , 它是可編程系統(tǒng) , 具有靈活 的設(shè)計(jì)方 式 , 可裁 剪 、 可 升 級(jí) 、 可 擴(kuò) 充 , 并 具 備 軟 硬 件 在 系 統(tǒng) 可 編 程 的功能 2-3。 由此可見 , 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是電子系統(tǒng)復(fù)雜化后的 一種設(shè)計(jì)新趨 勢(shì) , 其 中 S o P C 是 這 一 趨 勢(shì) 的 典 型 代 表 。 S o P C 技術(shù)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種更為方便 、靈

11、 活和 可 靠 的 軟 硬 件 協(xié) 同 實(shí) 現(xiàn) 方 式 。 本 文 利 用 基 于 S o P C 的 軟 硬 件 協(xié) 同 設(shè) 計(jì) 方 法 實(shí) 現(xiàn) 了 水 電 機(jī) 組 在 線 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置 ,是軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)在電 力場(chǎng)合的嵌入式裝置開發(fā)中的創(chuàng)新式的嘗試 。 1 基于 S o P C 的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) 1. 1 設(shè)計(jì) 思想基于 S o P C 的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的核心是系統(tǒng) 功 能 集成 , 設(shè)計(jì)思想較傳統(tǒng)方法有了根本改變 , 即從以功能 設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)流程轉(zhuǎn)變到以功能組裝為基礎(chǔ)的全 新流程 。 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)為軟硬件 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā) , 首先對(duì)不同的任務(wù)目標(biāo)

12、找到最恰 當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案 , 然后進(jìn)行軟硬件劃分 , 產(chǎn)生硬件描述 、 軟 件描述和軟硬件邊界描述 3個(gè)部分 。 軟硬件劃分是軟 硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟 , 其基本任務(wù)是在滿足某些約 束的條件下 , 將系統(tǒng)功能行為 “ 最優(yōu)地 ” 分配到一定的軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃 4。1. 2 設(shè)計(jì) 流 程軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)就是同時(shí)設(shè)計(jì)系 統(tǒng)中的軟件和硬 件部分 , 來滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo) 。 面向 S o P C 的軟硬件 協(xié)同設(shè)計(jì)流程從目標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)思開始 。 對(duì)一個(gè)給定 的 目 標(biāo)系統(tǒng) , 經(jīng)過構(gòu)思 , 完成其系統(tǒng)整體描述 , 然后交給軟硬 件協(xié)同設(shè)計(jì)的開發(fā)集成環(huán)境 , 由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成剩余的 全部工作 。 一般而言 , 還要 經(jīng)過模 塊的行為描述 、 對(duì)模 塊的有效性檢查 、 軟硬件劃分 、 硬件綜 合 、 軟件編 譯 、 軟 硬件集成 , 軟硬件協(xié)同仿真與驗(yàn)證等各個(gè)階段 。 軟硬件 協(xié)同