软硬件设计技术

软硬件设计技术（共12篇）

软硬件设计技术 篇1

一、网站服务器

初级阶段可以租用虚拟主机，发展阶段再进行服务器托管，最后自建服务器。这个是出于对现有成本以及有限的技术人员的合理安排。虚拟主机是使用特殊的软硬件技术，把一台网站服务器划分为若干个“虚拟”的主机。每个虚拟主机都可以是一个独立的网站，可以具有独立的域名，具有完整的Internet服务器功能(WWW、FTP、Email等)。同一台主机上的虚拟主机之间是完全独立的，而且每一台虚拟主机和一台独立的主机(采用服务器托管、专线上网等方式建立的服务器)完全一样。我们使用虚拟主机方案构建企业网络，网站服务器管理简单，诸如软件配置、防病毒、防攻击等安全措施都由专业服务商提供，大大简化了服务器管理的复杂性。并且相对于购买独立服务器，网站建设的费用大大降低，为我们初步网站提供了极大便利。通常，网站建设完成后虚拟主机的开通时间也比较短。因为现在主要的服务商都已经实现了整个业务流程的电子商务化，其方便快捷。

对于我们的第二阶段服务器托管，由于其采用专门的服务器，使得我们的公司可以通过此种方式建立的企业网站，具有更大、更强的功能，并且在灵活性上也更便于掌控。其实它的基本形态就是租用专门的服务器托管公司的网络线路、自己选择服务器配置及服务应用软件，然后由专门的服务器托管公司负责维护。此种方式在服务器的确定上，我们可以采用主机租用和主机托管两种方式。其中，主机租用即是说由服务提供商提供硬件，负责基本软件的安装、配置，负责服务器上基本服务功能的正常运行；用户独享服务器的资源，并服务其自行开发运行的程序。而主机托管就是用户自备服务器硬件，自己安装软件，由服务提供商负责该机器能够连接到网络上，并在该机器当机时帮助其重启。我们可以根据我们的实际情况和公司规模需要来确定那种方法交适合我们的发展。

我们企业自己组建网站服务器。对于物恋网这类网站，在网站壮大之后掌握的大量用户和商品的信息是网站盈利主要资源，对这些信息的安全性的保障的有相当高的要求。为确保这些信息资源的安全性和避免服务器成本受制于厂商的风险，我们要着手部署对服务器的控制。

最终阶段，发展到移动平台。根据现有市场的客户需求，移动设备日益占据了人们生活重要部分。在手机产业链上，软件平台扮演的角色也越来越重要。移动平台作为我们二手易物的重要载体，能够很好地体现出我们项目的特色。

二、网站系统安全技术

网站使用HTTPS（超文本传输安全协议）技术，在不安全的网络上创建一安全信道，有效地防止了黑客攻击，保障了网站的交易安全。

三、数据挖掘技术

研究开发数据挖掘技术，在网站的大量信息资源中挖掘出有价值的信息，进行有针对性的营销。

软硬件设计技术 篇2

软硬件协同验证技术的概念很早就被提出来[3], 但直到集成电路工业进入超大规模 (ULSI) 时代, 以IP设计重用为核心的系统集成芯片 (SoC) 技术成为研究热点, 软硬件协同验证技术才得到更多的关注和重视。

所谓软硬件协同验证 (hardware/software coverification) 是指在硬件的物理原型 (电路板或芯片) 生产出来之前[3], 通过一个系统模型来运行软件, 以此来检查硬件设计中的bug、软件中的缺陷及软/硬件接口中的错误。

软硬件协同验证的主要目的是验证系统级芯片软硬件接口的功能和时序[1], 验证系统级芯片软硬件设计的正确性, 以及在芯片流片回来前开发应用软件。

其优点是使软件/硬件并行开发成为可能, 缩短了设计周期, 减少设计投入。对于软件工程师来说, 可以较早地在硬件模型上调试软件;对于硬件工程师来说, 软件也可看作是对硬件验证的一个额外的激励。

2软硬件协同验证

软件/硬件协同验证是一种在硬件设计确认制造之前, 验证软件在设计硬件上能正确运行的过程。协同验证又可以叫做虚拟原型技术。软硬件协同验证是软硬件同时进行设计验证, 及时在硬件和软件之间交换需要的数据。

在软件方面, 软件验证主要建立系统中处理器的虚拟原型 (virtual prototype) , 通过编译器、调试器和仿真器来实现。在硬件方面, 将软件调试验证正确的应用程序作为测试向量加入到硬件测试平台 (testbench) 中, 进行硬件仿真, 仿真正确说明硬件的RTL描述功能正确, 然后依次进行综合, 布局布线, 检查布局布线后时序和逻辑是否正确, 最终采用硬件加速器来完成整个验证过程。协同验证过程的基本框架如图2所示。

如图2所示, 软硬件协同验证流程主要分为3个步骤:

(1) 算法级设计和硬件系统结构的系统仿真验证:主要利用软件算法, 验证在硬件结构上实现的可行性。利用高层次语言, 如C, C++或System C, 进行算法级的仿真。同时进行软件和硬件部分的划分, 明确软件和硬件完成的工作。

(2) 代码和硬件HDL语言的协同仿真验证:主要是对SoC当中CPU的软件虚拟原型 (virtual prototype) 和利用HDL语言或网表模拟出来的硬件系统进行协同仿真验证。这个阶段主要应用C语言和HDL语言进行交互, 进行仿真。

(3) 软件代码和实时硬件模拟系统的协同仿真验证:在系统设计原型的FPGA硬件模拟系统进行验证, 这主要是对芯片的功能、硬件实时性和系统的可测试性设计 (Design for Test) 进行仿真验证。

软硬件协同验证系统由一个硬件执行环境和一个软件执行环境组成, 通过事件和命令, 使用一些机制, 在这两个环境间进行控制。当前, 软硬件协同验证方法有如下几种[5]:带有逻辑仿真器的主机代码模式 (hostcode mode with logic simulator) 、带有逻辑仿真器的指令集仿真 (ISS with logic simulator) 、C/C++仿真 (C/C++simulation) 、CPU的RTL模型仿真、CPU的硬件模型仿真、带有逻辑仿真器的评估板在板验证、在电路仿真 (circuit emulation) 、FPGA原型 (FPGA prototype) 等。每种协同验证方法各自有其长处与缺陷, 如何在设计中具体应用这些验证方法要看具体的设计规范、验证工具与环境以及协同验证关注的性能 (速度) 、准确性、适用性等。

3 软硬件协同验证技术的实际应用方案

在实际应用中, 有3种软硬件协同验证方案:ISS、CVE、FPGA/EMULATOR。

3.1 ISS方案 (如图3所示)

图3是ISS方案的系统结构图。ISS方案采用ISS (例如ARMulator) 代替CPU执行软件, 并通过接口与外设及内存通信。该方案中的外设模型一般用C语言建立, 其中ISS可以是指令级精确的, 也可以是指令周期级精确的, 还可以是具有硬件系统的时钟级精确, 又称为总线功能模型 (BFM) 。但是, 如果所有的外设模块都是C模块, 则整个系统不能达到时钟级精确度。通常ISS都带有调试程序, 用于控制ISS执行指令。

3.2 CVE方案

图4是C V E方案的系统结构图[2]。C V E方案以seamless的CVE软件为基础, 是一种使用两个仿真器进行仿真的方案。CVE通过自身的一个内核将软件仿真与硬件仿真结合。它支持多CPU的模型, 具有高效的软件调试能力, 可以单步执行CPU指令, 随时查看寄存器和内存的情况, 同时, 它提供了强大的信号观测能力, 调试者可以通过设置断点、触发条件等进行有效调试。

3.3 FPGA/EMULATOR

图5为FPGA/EMULATOR方案结构图, FPGA/EMUALTOR方案是将外设、内存等部件综合后用FPGA实现, 而CPU则用真实的CPU或FPGA本身集成的CPU实现。这些系统一般可以加一个专门的硬件仿真器进行调试, 控制CPU的执行, 并读取系统状态。FPGA是最典型的原型技术。EMULATOR与FPGA相比的最大特点是集成了多个CPU及多个FPGA, 其功能更强, 但造价更高。

4 几种方案的比较

以上3种方案各有优缺点, 本文从以下6个方面进行比较。

(1) 验证速度

在仿真速度方面, FPGA/EMUALTOR采用硬件实现, 其速度最快, ISS方案速度中等, CVE方案则最慢。

(2) 时间精度

在时间精度方面, FPGA/EMUALTOR、CVE都可以达到时钟级精确[2], 而ISS方案在一般情况下精确度不是很高, 大部分为指令级精确。

(3) 调试性能

ISS方案一般用来验证系统在算法级上的正确性, 对硬件的调试帮助不大, CVE方案具有最强大的调试性能, 支持软件的单步执行, 随时查看寄存器、内存状态, 还可以用硬件仿真器生成波形来调试硬件。因此无论硬件还是软件, CVE的可调试性能都非常高[2], FPGA/EMULATOR的调试性能比较差, 它一般是在经过仿真器仿真后再做原型验证, 调试时需要通过增加JTAG之类的工具才能看到内部状态;

(4) 准备工作

ISS方案需要外设的C模型, 一般通过工程师做大量前期积累或者其他途径得到[6], CVE方案只需做好软硬件配置即可, 相对工作量最少, FPGA/EMULATOR需将硬件下载到FPGA中, 只有少量的准备工作。

而可以极大的改善硬件验证的准确性。软硬件协同仿真采用模拟技术[7], 在模拟的硬件模型上运行软件。它可以在尚未生产出硬件之前对虚拟模型进行早期调试, 并为软件调试提供虚拟平台, 从而对包含硬件在内的整个系统进行功能验证, 节约了准备硬件平台的时间。由于考虑了软件实际运行的情况, 所以该验证能够更接近实际应用环境, 更容易发现设计中的问题, 避免早期设计错误, 降低设计风险以及设计对交货期的影响。在实际项目中, 要根据项目的需要, 考虑速度、性能、成本、消耗资源等诸多因素, 选择一种或者多种方案来进行验证, 加快验证速度, 节约验证成本。

(5) 价格成本

ISS方案成本不高, 需要一个ISS和一些外设模型, CVE方案需要购买SeamlessCVE软件, 比ISS成本高;成本最高的是FPGA/EMULATOR, 硬件购买费用很高;

(6) 适用范围

ISS方案比较适合算法验证和具有一定程度的硬件系统调试, CVE方案适合软硬件的联合调试, 尤其在系统未经过充分验证时, 需要较好的性能调试。FPGA EMULATOR适合在经过仿真器验证无误之后, 用于原型验证。

将上述比较结果整理如表1所示。

表1 3种软硬件协同验证方案的比较

5 结论

软硬件协同验证可以使软件工程师尽早的接触到硬件设计, 从而使软件的开发测试和硬件设计可以并发进行。与传统的先设计硬件后开发软件的串行开发模式相比, 软硬件协同验证可以大大缩短整个项目的开发周期。同时, 软硬件协同仿真提供了在真实系统中出现的激励信号, 和人工加入的测试信号相比, 具有更高的真实性, 从

参考文献

[1]Janick Bergeron, Eduard Cerny, Alan Hunter, Andrew Nightingale.Verification Methodology Manual for SystemVerilog11055174P325-385

[2]Seamless CVE.Hardware/software co-verification technology.http://mentor.com

[3]ANDREWS J R.Co-verification of hardware and software for ARM SoC design[M].America Eisevier Inc, 2005

[4]WANG P, LIN J S, ZHNG L G.hardware/software co-verification platform for EOS design[J].高技术通信 (英文版) , 2005 (3) :195-198.

[5]HAB[B]A, TAHAR S.Design for verification of System C transaction level models[C]//IEEE Proc of the Design, Automation and Test in Europe.Germany, 2005:560-565

[6]张奇, 曹阳, 李栋娜.基于System C的SoC行为级软硬件协同设计[J].计算机工程, 2005, 31 (19) :217-219

[7]BRUCE A, GOODENOUGH J.Re-useable, hardware/software co-verification of IP blocks[C]//Proc of14th Annual IEEE Int ASIC/SoC Conf.Arligton, VA, USA, 2001:413-417.

软硬件设计技术 篇3

1 制定自动化集装箱码头建设的预期目标

合理的预期目标是一切规划设计的基础。自动化集装箱码头的规划设计应当根据本港实际情况，确定合理的预期目标。

1.1 确定码头预期上线运营时间

一般情况下，自动化集装箱码头从立项和规划设计到投入运营需要5年建设周期。迄今为止，所有自动化集装箱码头的投入运营时间都或多或少比预期上线运营时间有所延误，甚至有的自动化集装箱码头的实际投入运营时间比预期晚了数年，由此可见自动化集装箱码头建设的复杂性。抢工期、抢进度会给自动化集装箱码头将来的运营带来很大隐患，科学地确定码头预期上线运营时间对按部就班、扎实稳妥地推进自动化集装箱码头建设至关重要。

1.2 确定码头预期生产指标

码头的运营状况通过诸多生产指标来体现。自动化集装箱码头因应用电控技术和信息化技术可以精确计算很多人工码头无法计算的指标。自动化集装箱码头的生产作业主要由计算机系统主导，人工只负责制定规则和策略，其最大的优点是生产作业持续稳定并具有一定经济性，其缺点是人工很难干预码头生产节奏，短时间内想提高某几个生产指标非常困难，而人工码头却可以靠人工突击操作改善生产节奏。

1.3 确定投资收益率和投资回收期

自动化集装箱码头因其巨大的投资，短时间内的收益不会高于人工码头；但随着自动化集装箱码头持续稳定运营，其总体收益回报会高于人工码头。自动化集装箱码头的投资者应具有长远的发展眼光，合理地确定投资收益率和投资回收期。

2 确定自动化集装箱码头操作工艺和平面布局

一方面，自动化集装箱码头的预期生产指标决定了码头的操作工艺；另一方面，自动化集装箱码头的平面布局设计（见图1）必须符合操作工艺。自动化集装箱码头平面布局设计的关键点包括闸口、堆场布局、堆场堆码方式等。

2.1 自动化集装箱码头的操作工艺

（1）“半自动桥吊+自动导引小车+自动轨道吊”配置类型 海侧使用半自动桥吊，水平运输使用自动导引小车，堆场使用自动轨道吊，代表码头有荷兰鹿特丹港的Euromax码头、日本名古屋港的TCB码头等。此类自动化码头的优点是自动化程度高，缺点是自动导引小车与桥吊需要耦合。

（2）“半自动桥吊+人工跨运车+自动轨道吊”配置类型 海侧使用半自动桥吊，水平运输使用人工跨运车，堆场使用自动轨道吊，代表码头有西班牙巴塞罗那港的巴塞南欧码头、英国的伦敦门户码头等。此类自动化码头的优点是跨运车与桥吊和轨道吊都不需要耦合，缺点是自动化程度较低。

2.2 自动化集装箱码头平面布局关键点

（1）闸口 闸口是自动化集装箱码头的“咽喉”，所有进出港区的集装箱都在闸口交接。闸口设计要考虑码头集装箱吞吐量、集疏港峰值、口岸监管模式、与市政道路的对接等诸多要素，闸口的数量、位置、功能设计等直接影响闸口的通过能力。全球主要自动化集装箱码头多采用二道闸口模式，第一道闸口为光学字符识别信息采集闸口，第二道闸口为码头业务处理闸口。青岛前湾智能集装箱码头为提高码头安防等级，增加码头安防控制闸口，独创三道闸口模式，成为行业内的新亮点。

（2）堆场布局 堆场设计要考虑码头集装箱吞吐量、进出口集装箱比例、堆存周期、装卸船效率与收发箱效率的均衡等诸多要素。自动化集装箱码头堆场布局分为平行岸壁式和垂直岸壁式：由人工码头改造而成的自动化集装箱码头多采用平行岸壁式；新建的自动化集装箱码头多采用垂直岸壁式，其优点是在空间上将岸边装卸船作业与堆场收发箱作业分离，避免作业冲突。

（3）堆场堆码方式 自动化集装箱码头堆场堆码方式分为联锁块式和箱位梁式。联锁块式堆码方式的优点是施工方便，堆码灵活，便于维修；箱位梁式堆码方式的优点是防沉降性较好。

3 确定自动化集装箱码头机械电控设备和生产控制软件

3.1 自动化集装箱码头的机械电控设备现状

当前全球排名靠前的港口设备供应商有中国的上海振华重工（集团）股份有限公司、瑞士的卡尔玛公司、美国的特雷克斯公司等。上海振华重工（集团）股份有限公司生产的桥吊占全球70%以上的份额，其首创的桥吊整机发运技术使桥吊在发运前就可以完成单机测试，大大缩短用户组装、测试设备的时间，在行业内占据很大优势。当前全球排名靠前的港机电控设备供应商有瑞士的ABB集团、法国的施耐德公司、日本的西门子公司和安川公司等。全球主要自动化集装箱码头桥吊配置见表1。

3.1.1 船边装卸机械（桥吊）

（1）方案1（单小车桥吊方案） 陆侧桥吊腿处设置双集装箱平台；单小车类型为“单卷扬机+双起升吊具上架”；在陆侧桥吊腿处的平台上（可放2个45英尺集装箱）进行解锁处理。

（2）方案2（单小车桥吊方案） 单小车类型为“单卷扬机+双起升吊具上架”；在桥吊轨距内的地上进行解锁处理。

（3）方案3（双小车桥吊方案） 陆侧桥吊腿处设置平台，配备单起升门架桥吊；海侧小车类型为“单卷扬机+双起升吊具上架”；门架小车类型为单卷扬机，其可与单个自动导引小车交互；在陆侧桥吊腿处的平台上（可放2个45英尺集装箱）进行解锁处理。

（4）方案4（双小车桥吊方案） 陆侧桥吊腿处设置平台，配备双起升门架桥吊；海侧小车类型为“单卷扬机+双起升吊具上架”；门架小车类型为双起升小车，以便进行双起升操作；在陆侧桥吊腿处的平台上（可放2个45英尺集装箱）进行解锁处理。

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3.1.2 水平运输机械（自动导引小车或跨运车）

从作业效率指标来考量，跨运车因不需要耦合，其作业效率高于自动导引小车；不过，迄今为止，自动化码头采用的跨运车都是人工跨运车，自动跨运车虽已研发成功，但未投入使用。英国的伦敦门户码头目前正在实施人工跨运车升级为自动跨运车的项目，但遇到的困难较多，进展缓慢。具体来看，自动化集装箱码头水平运输机械的配备方案有：（1）自动导引小车；（2）带举升自动导引小车+支架；（3）人工跨运车；（4）自动跨运车。

3.1.3 堆场装卸设备

自动化集装箱码头堆场装卸设备的配备方案有：（1）水平式电动轮胎吊；（2）水平式悬臂梁式轨道吊；（3）垂直式轨道吊；（4）垂直式悬臂梁式轨道吊；（5）垂直式轨道吊+穿梭小车。自动化集装箱码头堆场装卸设备与水平运输设备配置如图2所示。

3.1.4 小结

集装箱作业是流程化作业，是多场景、多环节的协同作业，木桶效应决定作业过程中最薄弱环节的效率就是整体作业效率，因此，单纯地提高某个环节的效率毫无意义。实践证明，水平运输效率和堆场装卸效率可以通过优化机械配置得到有效提升，只有海侧桥吊效率在桥吊技术没有重大突破前不会有较大的提升。自动化集装箱码头应根据其目标效率选择桥吊类型，并根据桥吊类型配置相应类型和数量的水平运输设备和堆场装卸设备。

3.2 自动化集装箱码头生产控制软件现状

当前，自动化集装箱码头生产控制软件的选择范围十分有限，已经上线运营的只有美国Navis公司的SPARCS3.5和N4系统。近年，韩国的CyberLogitec软件公司开始进军自动化集装箱码头生产控制软件市场，成功开发自动化集装箱码头生产控制软件；但因自动化集装箱码头项目的复杂性，还没有码头敢于尝试未经过验证的生产控制软件，如何迈出软件应用的第一步，对CyberLogitec软件公司是巨大的考验。相信不久的将来，Navis公司垄断自动化集装箱码头生产控制软件市场的状况会有所改变。

3.3 全球主要自动化集装箱码头软硬件配置

全球主要自动化集装箱码头生产控制系统、设备控制系统和电控设备配置比较见表2。

自动化集装箱码头软硬件配置应遵循以下原则：（1）选择有与成功自动化集装箱码头合作经验的软硬件供应商；（2）选择经成功自动化集装箱码头验证的软硬件产品；（3）选择经成功自动化集装箱码头验证的软硬件配置。

4 自动化集装箱码头规划建设应注意的 问题

4.1 组建专业的项目管理团队

国外自动化集装箱码头建设有专业的项目管理团队，提供从最初的构思、测算、模拟、规划、设计到后续施工、测试、试运营等全方位服务。专业团队因其自身的经验和素质，在项目进度的控制、风险的规避等方面具有很大优势。我国没有专门的自动化集装箱码头建设团队，一般由码头运营商从其内部挑选优秀的码头从业者组建项目团队。码头运营与码头建设是二个截然不同的领域，无形中给码头建设增加很多不确定因素和风险，这种现状短期内无法改变；因此，专业的项目管理团队除应纳入优秀的码头从业者之外，还应增加优秀的项目管理人员。

4.2 自动化操作的配置及人工解决客户化服务 需求

各个口岸都有自己的口岸特色，每个自动化集装箱码头运营商都致力于采用最适合自己的自动化配置，给客户提供最优质的服务。自动化的前提是标准化，不能寄希望于用自动化的系统处理所有客户化服务的问题，一些作业量较小的客户化服务应尽量采取人工处理的方式，以降低自动化系统复杂程度和码头运营风险。

4.3 选择合适的供应商

自动化集装箱码头建设是一个系统项目，涉及各供应商及各种软硬件的整合等。在选择供应商方面，应选择熟悉的供应商，以便有效沟通，且应选择在相关技术、项目方法和测试方法等方面经验丰富的供应商。总之，选择有丰富合作经验的供应商以及经过验证的软硬件组合会有效降低项目风险。

4.4 充分考虑软硬件测试的重要性和困难性

自动化集装箱码头上线运营前必须通过测试，测试类型分为实验室测试、实船测试、单机种单机测试、单机种多机测试、多机种联合测试、压力测试、跑量耐久测试、全场联合测试等。自动化码头的每一台单机、每一个系统和每一个工况流程都必须经过大量的测试取得如期的结果后才能上线运营。测试应当遵循由易及难、由点及面、由模拟及现实的原则：最初可以先进行实验室测试，从单系统、双系统到多系统、全系统，逐步增加系统的稳定性；设备方面可以由单机、单环节测试至多机、全流程测试，逐步接入多机种、多设备。

4.5 设计初期需要考虑政府职能部门监管问题

自动化集装箱码头建设需要较长的周期，在规划设计之初就需要考虑港口监管模式可能发生的改变，准备备选方案，不能因只考虑生产操作的便利性而忽略监管问题。为此，可以在筹备初期就与港口监管部门沟通，就自动化码头建设的大体思路和方向达成一致，力求事半功倍。

5 结束语

目前，我国自动化集装箱码头建设蓬勃发展，虽然起步略晚于国外自动化集装箱码头，但因为拥有可供借鉴的经验和自动化控制技术新发展的优势，在设计初期就提出了相对于国外自动化集装箱码头自动化程度更高、作业效率更高、绿色环保程度更高的要求和目标。相信我国自动化集装箱码头一定会引领未来自动化集装箱码头发展的新潮流。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2016-09-21）

计算机硬件教学设计 篇4

章丘市实验中学 宋居波

一、教材分析：

认识计算机硬件是七年级上册第一单元的第二课，主要介绍计算机由哪些硬件组成，及其各个部件的功能，是对整个计算机硬件系统的介绍，它是针对初中学生的知识接受能力，对计算机的本质进行介绍，使学生充分了解计算机的组成和简单的工作原理，以便在学习后续知识时理解更为深刻，是本单元的重点内容，也是中考中重点考察的内容。本节课内容较多，知识点较为分散，也难于理解。因此，本节课合理运用教材，通过实物展示、课件演示、将知识点融于图表中便于学生理解和记忆。

二、学生分析：

本节课授课对象是初一年级学生，在这之前学生已经对计算机了有一定的了解，他们认识鼠标、键盘等硬件设备，部分学生还掌握了常用的软件操作。但学生对计算机的系统组成、计算机内部结构认识不是很清晰，经过本课学习之后，对学生进一步了解计算机主机的外观及内部组成，及了解存储设备和输入、输出设备有很大帮助。这个年龄段的学生对电脑有着很强的好奇心，并且对学习电脑有很大的兴趣。

三、教学目标：

知识与技能：识别计算机主要部件及其功能；了解计算机硬件的组成。过程与方法：通过课件演示，让学生识别出这是什么部件（结合实物）；通过对硬件的学习，了解计算机的工作原理。

情感与价值观：培养学生参与意识和研究探索的精神，从而调动学生的积极性，激发学生对计算机硬件的兴趣。

四、重点与难点

重点：计算机硬件的组成 难点：计算机工作原理

五、教学方法

任务驱动

实物展示

课件演示

图表归纳

类比方法

六、教学准备：

硬件实物

展示课件

多媒体教室

七、教学过程：

（一）创设情景，导入新课：大家喜欢计算机吗？（学生回答：“喜欢”），那你对计算机了解多少呢？它是由什么组成的呢？课件展示计算机图片。（学生回答：显示器、键盘、鼠标、主机等）“很好，大家说的都不错，不过还不全面，刚才大家说的都是计算机的硬件，除了硬件外，计算机还需要有软件才能正常工作。” 引言导语：“今天，老师就引领大家到硬件的海洋里遨游一圈。”

（二）展示实物，认识硬件，激发学生的学习兴趣。

主板：认识CPU插槽、内存插槽（拔插方法）、IDE插槽、PCI插槽、电源插槽

接口：鼠标接口、键盘接口、USB接口、串口、并口、VGA接口、音频接口

认识硬盘、软盘、优盘、光盘、内存条等。

引言导语：刚才大家从感性上认识了很多的硬件，到底什么是硬件呢？（课件展示）下面我们就来总结一下计算机到底由哪些硬件组成的呢？

（三）计算机硬件的组成（课件展示：图表归纳突破重点）引言导语：为了进一步了解计算机的五大组成部分，我们以工厂为例来解释一下计算机工作的原理。

（四）加深理解硬件的五大组成部分（课件展示突破难点）

（五）达标测试（课件展示）

（六）小结：

计算机硬件与软件 教学设计 篇5

玉林市第十二中学

计算机硬件与软件

《计算机硬件与软件》教学设计

[教学科目] 全日制普通高中信息技术教科书 信息技术高中第一册第二节信息技术基础

[教学内容] 《计算机硬件与软件》 [教学课时] 1课时

[教学时间] 201X年12月16日星期四 [教学地点] 玉林市第十二中学多媒体教室 [授课教师] 玉林市第十二中学 [教学对象] 高一年级 班

[教学目标] [1]知识与技能——掌握计算机系统的组成，了解硬件系统和软件系统的基础知识。[2]方法与过程——通过软件制作的画面导入和动手组装电脑的活动来激发学生学习计算机的热情，培养学生对硬件和软件的认知能力，同时提高学生的动手能力。

[3]情感、态度与价值观——强调掌握计算机技能的重要性，通过做练习让学生树立信心，轻松备战会考，教育学生做一个合乎新时代发展，适应现代网络生活的90后中学生。[重点难点] 计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成，其中软件系统起着举足轻重的作用，计算机硬件和软件相互配合，才能发挥计算机系统的全部功能。[教学方法] 讲授法，演示法，情景教学法 [教学过程]

一、导入课程

以不一样的风格导入新课，激发学生学习计算机的热情，同时让学生认识到计算机的实用性和新颖性。

【衔接一】[由画面的制作引出计算机系统组成之一 ——软件系统，引入本堂课程]。

二、第一部分——概述

计算机系统由硬件系统和软件系统组成。

硬件概念与组成[详细](1)从外观上，一台完整的微型计算机主要由主机、显示器、键盘、鼠标、音箱和打印机等组成。

(2)从功能上，一台完整的计算机硬件系统由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备五大部分组成。（知识扩展——功能上是依据美籍匈牙利科学家冯·诺依曼的体系结构来划分的，冯·诺依曼被后人称为“计算机之父”，因为他为1946年世界上的第一台计算机的诞生作出了重要贡献。）

软件概念及分类。[简要介绍] 没有不变的成绩，只有不懈的努力！

【衔接二】欣赏硬件图片，[引入硬件系统]。

三、第二部分——硬件系统

展示硬件实物并现场讲解内存条和CPU、硬盘等各大硬件之间的关系。（知识扩展——

指导学生组装电脑）

【衔接三】发问：这样安装好的计算机是不是就能马上为我们工作了呢？为什么？[引出软件系统]

四、第三部分——软件系统

软件概念及分类。[详细讲解]

只有硬件的裸机是无法运行的，软件系统是计算机系统的“灵魂”。

（知识扩展——讲解硬件和软件的关系）

【衔接四】“软”“硬”兼施之后是统筹兼顾。[引入课堂总结]

五、第四部分——课堂小结

【衔接五】会考，你准备好了吗？[引入会考试题]

六、第四部分——历年会考题目演练

重温并掌握本节内容，了解会考动向，树立信心，轻松备战会考。

软硬件设计技术 篇6

（要求一边听课，一边完成）

班级：

姓名：

1、世界上第一台计算机（），于（）年，诞生于（）国家。

2、计算机硬件60多年的发展史：

_________________

1、

2、_________________经历了四个历史阶段：

___________________

3、___________________4、3、计算机硬件系统图：

要将硬件的名字填进去哦，每空一个名字请自学完成

软硬件设计技术 篇7

1 系统总体设计方案

系统的总体设计方案如图1所示, 系统设计主要考虑系统的实时性、稳定性和安全性等问题。系统由电表节点、水表节点、气表节点、网关、能耗监管平台和各模块之间的通信网络 (Zig Bee网络和Internet网络) 组成。系统的工作原理如下:系统开启后, 各测量节点开始测量当前的数据信息, 主要包括电表、水表和气表。等待接收来自能耗监管平台的命令, 当判断到能耗监管平台向自己发送查询命令时, 将采集到的数据信息按照规定的通讯协议反馈给能耗监管平台。

对于一栋大楼, 一个Zig Bee网络[1]的承载力显然是不够的, 还考虑到Zig Bee网络在穿越楼层时的稳定性问题, 拟采用一个楼层一个Zig Bee网络的设计, 并通过WIFI[2]接入到校园网络。网关接收来自能耗监管平台的命令, 并下发给各独立节点, 收到各独立节点的反馈信息后通过校园网络转发给能耗监管平台的服务器上。

能耗监管平台可以定时和实时向各独立节点下发查询命令, 获取当前的电表、水表和气表的数据信息。获得各独立节点的数据信息后保存在服务器的数据库中, 并可以根据需要生成各个房间、各个楼层、各栋楼的相应数据分析图。

2 部分硬件电路设计

2.1 电表节点设计

电表节点的结构如图2所示。节点由CC2530、485模块、继电器构成。电表节点使用的基于DLT645-2007多功能电能表通信协议的电表。该电表可以使用485通信协议进行通讯, 通过向电表发送不同的命令, 可以实现远程抄表 (电流电压电量功率) 、远程拉合闸。

电表节点能够接收来自能耗监管平台的命令, 并进行格式转换, 将来自能耗监管平台的命令通过485模块[3]转换为电表可以识别的命令。通过电表主要获得其电量信息, 对于其拉合闸操作采用MCU控制继电器的方案来实现拉合闸。

2.2 水表、气表节点设计

水表和气表都是采用脉冲式计数的方法, 在做硬件设计的时候其设计方案是一样的, 此处以水表为例作介绍。水表节点的结构如图3所示。节点由CC2530、无线传输、EEPROM电路构成。对于水表的计数采用中断计数的方案, 通过外中断采集计数脉冲。采用脉冲计数的方案, 如果不做特殊处理, 在系统失电之后计数就会复位。为实现对数据的保存, 采用外置EEPROM的方案, 每计数一次则更新一次EEPROM中存储的计数信息, 系统重启之后先读取里面的计数信息, 然后开启中断计数。

2.3 网关设计

网关部分的设计在整个系统的设计中起着承上启下的作用, 其结构如图4所示。网关主要负责接收来自能耗监管平台的信息并下发给对应的节点, 接收来自节点的反馈信息并转发给服务器。网关部分还承担着监测整个网络运行状态的任务[4], 监测新节点的加入、无效节点的删除以及节点的丢失, 以维持整个网络的稳定和系统的稳定运行。

2.4 控制中心计算机

能耗监管平台[5]定时向各终端节点下发采集数据命令, 并接收来自终端节点反馈的数据信息, 并将这些信息存储在数据库中。如果需要, 亦可以实现对某一个节点的实时采集。能耗监管平台可以直接显示并访问到各栋楼的各个楼层的各个房间的各个表。根据需要能耗监管平台可以生成各个房间、各个楼层、各栋楼的相应数据分析图, 通过对数据分析我们可以找出节能潜力点, 发现能源浪费点, 保存基础数据, 计量合理准确。

3 结语

对校园能耗实行分项计量是目前高校能耗计量的新趋势。通过分项计量得到的数据分析可以挖掘校园建筑的节能潜力, 为校园建筑的节能改造工作提供完善的技术支持和数据依据。通过对能耗监管平台数据的处理分析, 找出该校园的节能潜力, 并提出对应的节能优化建议, 为将来的校园节能工作的进一步开展提供了依据。同时, 通过对校园用能指标的研究, 确定了初步的节能判断依据, 对将来校园新建建筑的节能工作具有借鉴意义。

参考文献

[1]李文仲, 段朝玉.Zig Bee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

[2]Jean J.Labrosse.嵌入式协议栈u C/TCP-IP[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2012.

[3]温子祺等.51单片机C语言创新教程[M].北京:北京航天航空大学出版社, 2011.

[4]彭燕.基于Zig Bee的无线传感器网络研究[J].现代电子技术, 2011 (5) :30-35.

软硬件设计技术 篇8

关键词：ARM；嵌入式系统；软硬件设计

中图分类号：TP302.7 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 16-0000-01

计算机技术的创新与发展、微处理器工艺的改进以及社会信息化程度的加深，嵌入式系统已经被广泛的应用于我国当代社会当中。近年来，我国工业规模不断壮大，先进的工业设备被运用到当代工业的生产经营活动中，将嵌入式系统应用到工业的生产经营的设备当中，有效的提高了工业的生产效率。在我国传统的嵌入式系统中，大多都是单个程序实现整个控制逻辑，这种嵌入式系统已经不能满足我国当代社会发展的需要了，为此对嵌入式系统进行优化设计有着重大意义。

一、ARM的概述

ARM（Advanced RISC Machines），是一種微处理器，是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通信领域，符合其主要设计目标为低成本、高性能、低耗电的特性。ARM处理器有着体积小、低功耗、低成本、高性能等优势，在嵌入式系统中支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，同时能很好的兼容8位/16位器件，其指令执行速度快，大多数数据操作都可以在寄存器中完成。

二、嵌入式系统的概述

嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。嵌入式系统以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统[1]。嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。嵌入式系统的系统内核小，系统精简。在嵌入式系统中的软件系统和硬件系统的结合是非常紧密的。一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。

三、ARM下的嵌入式软硬件系统的设计分析

（一）硬件方案的设计

嵌入式硬件系统中主要包括嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在存储器中。

1.嵌入式微处理器的设计

嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在ARM芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。在进行微处理器选择的时候，首先要确定ARM是否自带MMU（memory management unit）功能，因为有些嵌入式系统需要自带MMU功能的ARM芯片。其次要控制好ARM芯片的成本以及芯片的处理速度。芯片的处理速度可以根据ARM芯片系统中的始终频率来进行控制。ARM芯片的成本是影响嵌入式平台运作成功与否的一个重要因素，

2.存储器的设计

嵌入式系统的正常运行需要依靠存储器来提供保障，在嵌入式系统中利用存储器可以存放和执行代码。存储器主要包含cache、主存和辅助存储器。针对主存，首先要考虑的是其处理速度问题，为了保障嵌入式系统的运作效率，一般选用处理速度比较快的主存，例如SDRAM，其次就是要考虑价格问题，只有价格低，性能好的主存才能保障系统运行的效率。辅助存储器是用来存放大数据的程序代码以及信息，例如MMC，这种辅助存储器的价格低廉，储存空间大，在嵌入式系统中，可以有效的满足系统的要求。

3.通用设备接口

嵌入式系统在与外界交互的过程中需要一定形式的通用设备接口来完成，例如I/O，外设通过ARM芯片外其他设备的连接来实现微处理器的输入以及输出功能。通用设备接口要根据具体的嵌入式系统来进行选择。

（二）软件方案的设计

1.系统软件层的设计

在嵌入式软件系统中主要由文件系统和操作系统两个部分。嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS）是一种用途广泛的系统软件，嵌入式操作系统负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调制、控制、协调并发活动，它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能[2]。文件系统主要是负责文件的存储、检索等功能。通过以口令的形式设置好文件名、文件存储目录，同时还要设置好文件的修改、重命名的方法和路径。

2.应用软件的设计

应用软件层是在嵌入式操作系统的基础上，调用操作系统为上层提供的接口进行软件开发，以便满足系统运作的需求。应用软件层除了要满足现代嵌入式系统在准确性、安全性以及稳定性方面的需求，同时还要尽可能的减少资源的消耗，优化资源配置，降低软件开发的成本。

3.图形用户接口

当用户在使用嵌入式系统进行操作的时候，为了方便用户的需求，在图形用户接口中要统一接口，提供各种设备驱动接口。同时，嵌入式用户接口还要满足系统可靠性、可移植性、可配置的需求。

四、结束语

随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也获得了较大的发展空间。嵌入式系统作为一种先进技术的产物，代表着先进生产力发展的需求，其在我国社会发展过程中有着不可替代的作用。针对我国当前ARM下的嵌入式系统，主要是针对软硬件系统的设计来保障系统的正常运行，对嵌入式系统进行开发和探讨有着十分重要的意义。

参考文献：

[1]陆鑫.可编程软硬件系统的综合设计[D].上海交通大学，2008（06）.

[2]胡振国.基于ARM的嵌入式软硬件系统设计与实现[D].电子科技大学，2010（04）.

软硬件设计技术 篇9

本人是做手机硬件的，实际上是打杂的。日常的工作都是一些比较琐碎杂乱的事情，比如焊接、测试、校准、维修、打静电等等。工作差不多两年了，虽然经验丰富不多，但在不断地重复工作中也有些自己的总结，希望与大家分享一下。因为我们做的是国内的客户，客户入网的比较多。所以对静电的要求比较高。而不入网的客户的机子的外壳也大多是锌合金的，ESD问题也让人头痛。这里主要是想分享一下自己对静电方面的一些经验。

在必要的IO口加上TVS管如TP线、侧键的IO线、开关键。不推荐用压敏电阻。因为现在的压敏电阻太水了，根本起不了保护作用。去年冬天我们主板上的加了压敏电阻，结果很多主板的TV芯片都被静电打坏了。又有一次我打静电打TP的时候打坏了好几个53，这些TP的IO口都是有贴压敏电阻的。贴压敏电阻起不了保护作用，还有个问题就是这些差的压敏电阻还比较容易被静电击坏，造成TP不灵或失效、自动开机的现象。用压敏电阻还不如不用。

静电能挡就挡，比如某些比较敏感的线路如Vbat、IO线、FPC焊盘、侧键、露铜的焊盘、按键灯2等都应该用绝缘胶贴起来。虽然有些操作在产线很难实现，但为了应付CTA真的有时候需要“包粽子”。

有时候碰到比较难打静电的机子往往按键是比较难打ESD的。特别是金属按键或者是水镀的方向导航键。有很多入网的客户往往都是壳子是塑胶的但按键是金属的和方向导航键是水镀的。如果是入网的我都建议客户采用塑胶壳和塑胶按键，而且导航键也要采用真空镀的。

当然有时候有些装饰件有些疑似导电的材料也要确认一下是否导电。这些材料很可能是导致ESD问题的罪魁祸首。而且这种材料一般情况下用万用表量不出来，得用静电*来打一下才可确认。记得以前有一次，一个入网的机子摄像头处静电不过，就是因为摄像头上的镜片是这种特殊的材料。后来换了摄像头的镜片就好了。

机子的外壳和后盖是塑胶的最好，可国内的客户很多时候都是笨重的锌合金的，这使得ESD的难度增加了不少，这时就要考虑充分接地了。否则缝隙和后盖很难打过。接地不是越多越好。接地点越多越好其实是个误区。很多时候确实是接地点越多越好。但有时候并不是那么的凑效。我自己也曾经陷入过这个误区。以前经常是遇到静电不好的机子，想都不想，直接把能接地的地方都接好地。很多情况静电都可以过了，但是有时候接了很多的地静电仍然是没法过。后来不断地试验，才发现主板有些地是比较弱的。如果把这些地给接上了，打静电就会比较容易死。相反把它去掉可能会好很多。所以说并不是接地越多越好。对于比较弱的地，最好不要接。只要把好的地充分接好就可以了。对于如何辨别好与不好的地，可以看一下PCB，更直接的方法是用接触式放电打主板，能打过的露铜就是比较好的地，而打不过的露铜就是

不太好的地，这样的地就不要接了，接上了反而会影响ESD性能。

计算机硬件技术基础课程的重要性 篇10

现代机械产品或电子产品如手机、洗衣机、电视机、数控机床、机器人、航天飞机等都采用数字控制技术，即采用微型计算机和接口技术实现不同设备的控制。本门课程的设置和学习就是让学生具备机电一体控制的基本知识和技能，在毕业就业方面能更好适应设备的需求，就业面更宽。如若不学习本门课程，就无法学好后续与自动化相关的课程，培养的学生只懂点“机”，不懂“自动化”，与专业培养的要求是极不相符的。

机械工程学院

技术热线硬件问答 篇11

在Vista系统中，开始拷贝或移动文件之前，会在“估计剩余时间”开始的第一步卡住进度，使得文件操作进度迟迟无法开始，是否是硬盘出问题了?请问如何解决?

微软已经发布了一款修补程序(KB9317 70)来解决这个问题，该补丁安装后，Vista下文件的复制、移动操作进度条几乎是立刻开始，此前系统花费大量时间来估计剩余时间的问题已经得到了修复；Vista拷贝、移动文件的操作感觉已经和windows XP无异。该补丁安装完成后不需重启，立即生效。你可以去微软官方网站下载。

摄像头和笔记本显卡冲突的问题

我购买了一个摄像头，它在台式机上能正常使用，但只要一连接到我的笔记本电脑上就不能正常工作了，并提示与显卡有冲突，可是装到同事的同样配置的笔记本电脑上就没有这个现象。请问如何才能解决这个问题?

出现这个问题很可能是由显卡设置不当造成的，可以尝试用如下方法解决：首先尝试升级显卡的驱动程序。如果还不能解决问题，可以试着降低显卡的图形处理速度，步骤是右击系统桌面的空白处，在弹出的右键菜单上依次选择“属性→设置→性能”，把硬件加速从第四档逐渐降到最后一档，看看是否能解决问题。另外，建议升级系统中的Directx来提高硬件的兼容性。

选DDR2 667还是DDr2 800

最近内存和CPU价格不断下降，于是准备升级电脑，初步选定用AMD AM2接口处理器搭配集成显卡的主板，但是在内存的选择上犹豫不决。现在一市场上DDR2 667价格很不错，又有些朋友建议我直接搭配DDR2 800，可是价格要贵一些，AMD AM2的处理器有必要配DDR2 800的内存吗?

相对于Intel的产品，AMD AM2处理器内部集成了内存控制器，由于DDR2内存高带宽、大延迟的特点，搭配普通DDR2533/667内存不能完全发挥出AM2(AthIon 64)處理器的性能，因此对于追求极限性能的玩家而言，最好是使用DDR2 800的内存条。要注意的是，AM2接口Sempron处理器最高支持到DDR2 667，没有必要为其准备DDR2 800。

显卡驱动经常丢失

一台电脑经常出现显卡驱动丢失的提示，导致只能使用16位色，效果非常差，重新安装一遍后恢复正常，但没过多久又会反复发作，请问如何解决?

此类故障一般是由于显卡质量不佳或显卡与主板不兼容造成的，可以先尝试更新显卡驱动程序，如果问题仍然存在，可以尝试刷新显卡和主板的BIOS版本，但是刷新BIOS有一定的风险，要在刷新前做好充分的准备工作。

7600GT和X1650XT该怎么选择

我想配台电脑，不知道该挑哪种显卡，GeForce 7600GT和RadeonXl650XT的价位相同，请问哪种显卡的性价比好?

这两款显卡确实是价位相近，799元到999元都有相应产品。X1650XT新游戏的性能比7600GT略强一些，而76OOGT在一些老游戏中领先X1650XT，尤其是基于OpenGL的。就看你喜欢的游戏属于哪种了。

按下光驱弹出按钮系统重启

我的光驱不知出了什么问题，按了弹出按钮后系统便重启。我以为是光驱问题，但换到别人的主机上一点问题都没有。请问是怎么回事，应该如何修理呢?

出现这样的故障，不是光驱问题，是主机电源的问题。可能是电源老化或输出功率不足，当系统运行在某一临界状态时，你按下弹出按钮，光驱运行会带动出舱机构的小电机，一下子加大功率耗费，导致系统供电不足，电源内的限流限压保护电路动作就重启。只须更换大功率电源即可解决。

硬盘盒不认160GB大硬盘

最近购买了一块希捷的Momentus 5400.3160GB硬盘，在硬盘盒里做移动硬盘使用，连接计算机之后提示可以找到硬盘，但无法读取上面的分区数据，换用其它的分区软件，也只能看到硬盘而无法分区，请问这是怎么回事?硬盘盒是不支持大硬盘，还是不能支持垂直存储技术?

软硬件设计技术 篇12

现代系统设计许多都是由C/C++, Python等高级语言来完成, 而且这些系统越来越复杂, 涉及到的算法的运算量也越来越大, 许多算法需要用硬件实现来满足算法的实时性要求。FPGA是一种可编程的逻辑器件, 它具有便于修改, 调试, 并能并行地完成大量的运算, 从而提高算法的实时性, 并且随着硬件制造水平不断地提高, FPGA的资源越来越大, 工作频率也越来越高, 使得能在其上面完成的算法也越来越复杂。但是传统的软硬件分开设计的方法由于软硬件设计者采用不同的设计语言, 存在软硬件设计者之间难以沟通导致设计周期长等问题, 这种设计方法已不能满足快速地增长的市场要求, 如何将这些系统设计中的算法快速转换为相应的硬件来实现, 需要新的软硬件协同设计方法。当前基于C/C++的软硬件协同设计, 有一个System C标准化组织一直致力于这个工作[1], 也有少量商业化工具例如Synopsys公司Synphony C Compiler和Calypto Design Systems公司的Catapult SL Synthesis可以将C/C++算法转换为相应的硬件[2,3]。Python是一种简单易学并且功能强大的编程语言, 有许多算法是由Python来实现, 而且这些算法很多是免费、开源的, 和C/C++类似需要如何完成基于Python的软硬件协同设计[4]。

1 基于Python的软硬件协同设计发展

由于Python的强大的软硬件描述能力, 近年来许多研究者在Python的软硬件协同设计方面进行了许多研究, 其中Logaras E提出了一种称为Sys Py (System Python) 可以使用Python来描述硬件并将其自动转换为VHDL[5], Zhang mi采用PDSDL (Dynamic System Description Language) 来进行系统建模和校验并可将系统转换为Verilog的硬件描述[6], 特别是Decaluwe J提出一种称为My HDL的Python扩展包来进行软硬件协同设计[7], Villar J I采用My HDL完成了一个接口设计实例[8]。这些开发工具各自具有自己的一些特点, 但是他们有一点是相同, 就是采用Python来进行软硬件协同设计。下面以My HDL为例介绍基于Python的软硬件协同设计。

2 基于Python的My HDL包简介

My HDL采用Python扩展包的形式使其能支持硬件设计和仿真并在仿真结果符合要求后可将软件算法自动转换为相应的采用Verilog或VHDL硬件描述, 由于My HDL包是基于Python的硬件扩展, 下面主要对My H-DL硬件方面的一些主要特点做简要介绍[9]。

2.1 数据类型

标准Python的int类型已经具有许多硬件设计所需要特征, 但是在硬件设计中由于包含许多位操作和处理, My HDL设计了intbv类, 提供索引和切片操作来支持位的操作和处理。

2.2 模块, 端口和信号

在My HDL采用函数来对硬件的模块进行建模, MyHDL也有信号对象, 类似于VHDL语言的信号, 采用信号作为函数的参数来定义模块的端口。

2.3 发生器

发生器是My HDL的一个关键概念, 用来建立并发性模型, 对应于Verilog的always块或者VHDL的进程。

2.4 自动转换

在一定限制条件下, My HDL使用to Verilog () 或者to VHDL () 函数将My HDL设计自动转换为相应的Verilog或者VHDL代码, 如果符合My HDL可综合子集的要求, 就可使用My HDL完成可硬件综和的代码并在FPGA上实现。

2.5 仿真

My HDL通过Cosimulation对象使其能支持仿真, 对于自动转换的Verilog代码或者VHDL代码, My HDL还可作为硬件校验语言来对转换后的Verilog或VHDL进行协同仿真和校验。

3 采用My HDL的硬件设计优点

Verilog和VHDL是当前的主流硬件设计语言, 但是使用基于Python的My HDL作为硬件设计也具有许多优点[10]使得其可以作为设计者特别是硬件设计的初学者另外一种较好的选择。

3.1 My HDL使用成本低

My HDL是免费的并且开源, 在使用My HDL设计的工具链中同样可以使用大量的免费工具比如ICArus, IVERILOG仿真工具, GTKWAVE查看仿真波形, 从而可以减少设计成本。

3.2 在硬件设计中使用先进的软件开发技术

由于Python本身是一种软件开发语言, 现代软件开发的先进方法比如快速应用开发, 测试驱动开发都在Python上得以体现, 由于硬件描述语言的硬件设计和软件开发具有一定的相似性, 采用My HDL可以使用最新的软件开发技术。

3.3 软硬件设计可以采用同样的开发环境

Python是算法实现的一种理想的语言, 很多算法都由Python实现, 通常算法的软硬件实现由不同工程师来实现, 软件工程师使用Python, 硬件工程师使用通用的硬件描述语言, 例如Verilog或VHDL, 硬件工程师和软件工程师之间存在一条鸿沟, 而采用My HDL, 就可以在同一个Python环境实现算法设计, 仿真和校验。

3.4 其他优点

对于没有一定硬件设计经验的设计者, 通常采用Verilog设计会混淆阻塞和非阻塞赋值, 不清楚Verilog的符号运算, 采用VHDL进行设计又不理解VHDL的信号概念, 会觉得VHDL的类型和位宽转换很繁琐, 但是如果采用基于Python的My HDL包作为设计语言, 这些都将不成为问题。

4 基于Python的软硬件设计流程

在现代系统设计中, 软件工程师采用Python等高级语言, 而硬件系统设计多采用Verilog, VHDL硬件描述语言, 在如何将Python描述的软件映射为相应的硬件上, 软硬件开发者之间的交流存在一道天然的鸿沟, 而采用Python来进行软硬件协同设计就可以解决这一个问题, 基于Python的软硬件协同设计的流程如图1所示。

首先采用Python进行系统设计, 然后根据系统性能要求进行软硬件划分, 对于系统性能要求比较高的部分采用Python的My HDL扩展包的形式来由硬件实现, 同时采用Python来编写硬件测试平台。测试仿真如果不符合系统设计要求可以重新进行软硬件划分, 如果测试仿真结果不正确, 可重新修改。仿真通过后可以用My HDL扩展包自动将Python转换为Verilog代码, 这时的Python测试平台无需修改还可以与转换后的Verilog代码一起进行混合仿真, 如果仿真通过就可以进行硬件的综合, 下载, 测试阶段, 这与传统的硬件设计过程相同。

5 结语

从上面分析可以看出基于Python的My HDL既是一种软硬件协同设计方法, 同时其也是Python的扩展包, 使得整个开发过程仅使用一种Python语言, 并可以很方便地将一个软件算法快速地转换为其相应的硬件实现, 从而完成一个软硬件系统设计。由于Python目前的可综合子集的限制和其本身还处在发展阶段, 基于Python的软硬件设计还主要用于系统的建模方面, 将其用于芯片设计的应用还不是很多, 有研究者比较过My HDL与传统硬件设计语言的实现, 对于小规模的应用优势不是很明显。但是随着现代系统的算法越来越复杂性, 系统规模也不断增大, 相对于传统的软硬件设计方法采用Python来进行软硬件协同设计的优势就会体现出来, 系统设计、仿真、校验的速度会大大提高, 采用Python进行系统设计的产品能更快地进入市场。随着基于Python系统设计方法和工具的发展, 基于Python的软硬件协同设计方法将会有广泛的应用前景。

摘要：针对当前系统设计中软硬件设计者分别采用不同的设计语言存在的天然鸿沟和如何将基于Python的大量软件算法快速地转换为硬件设计的问题, 研究了一种新的基于Python的软硬件协同设计方法。并以基于Python的MyHDL扩展包为例, 重点研究了以Python作为软硬件协同设计、仿真和校验的系统设计流程, 得出基于Python的软硬件协同设计方法能大幅度提高系统设计及算法硬件实现的效率的结论。

关键词：Python,FPGA,软硬件协同设计,硬件加速

参考文献

[1]Intel IT Center.SystemC Version 2.3 user guide[EB/OL].[2012-07-25].http://www.accellera.org/downloads/standards/systemc.

[2]Synopsys.High level synthesis with Synphony C compiler[EB/OL].[2012-08-20].http://www.synopsys.com/Systems/BlockDe sign/HLS/Pages/default.aspx.

[3]Calypto Design Systems.Catapult product family overview[EB/OL].[2012-10-20].http://calypto.com/products/catapult/cata pult_overview.

[4]Python Software Foundation.Python documentation (Python2.7) [EB/OL].[2012-06-10].http://www.python.org.

[5]LOGARAS E, MANOLAKOS E S.SysPy:using Python for pro cessor-centric SoC design[C]//2010 17th IEEE InternationalConference on Electronics, Circuits, and Systems (ICECS) .Athens, Greece:IEEE, 2010:762-765.

[6]ZHANG Mi, TU Shi-liang, CHAI Zhi-lei.PDSDL:a dynamicsystem description language[C]//ISOCC'08.International SoCDesign Conference.Busan, Korea:ISOCC, 2008:204-209.

[7]DECALUWE J.MyHDL:a Python-based hardware descriptionlanguage[J].Linux Journal, 2004, 127 (10) :5-10.

[8]VILLAR J I, JUAN J, BELLIDO M J, et al.Python as a hard ware description language:a case study[C]//2011 VII SouthernConference on Programmable Logic (SPL) .Cordoba, Argenti na:[s.n.], 2011:117-122.

[9]Anon.The MyHDL manual[EB/OL].[2012-06-02].http://www.myhdl.org.