本书介绍智能系统的优化设计方法和技术，包括智能系统与软硬件协同设计体系、智能系统建模与仿真方法、智能系统软硬件划分与评估、基于 ARM FPGA的智能系统综合实践方法四个主题。第

前　　言

智能嵌入式系统在硬件基础上融入了人工智能科学与方法，让机器通过一定的方式进行智能判断、智能决策和智能控制，以便有效地实现其智能功能。从人们日常生活到安全攸关的国家工程都会使用智能嵌入式系统，它极大地推动了各行各业进入智能时代。

软硬件协同设计是智能嵌入式系统设计与实现的基本方法和技术，它针对智能嵌入式系统产品的多个性能指标进行软硬件优化配置，使整个系统性能最优。这些性能指标有时是矛盾的， 如系统运行速度越快系统成本就越高。软硬件本身的性能指标也是有差异的，如硬件执行时间一般要短于软件执行时间，但硬件有面积的限制。因此，如何进行软硬件划分，即如何划分用软件实现的任务和用硬件实现的任务，成了智能嵌入式系统性能指标整体优化的关键问题。

本教材定位为实践探究型，以智能嵌入式系统行业前沿学术研究成果作为基本内容，以结合行业前沿案例作为选取基本知识点的推动剂，具备产业技术与学科理论相融合的特点。本教材的编写目的是：一方面为电子信息领域人才培养提供有力支撑，另一方面为解决信息领域卡脖子问题培养复合型高端人才。

本教材的知识目标：①学习系统级建模与仿真、性能指标获取等基础知识；②掌握依据系统性能指标的智能嵌入式系统软硬件优化配置的核心技术；③具备在异构嵌入式系统设计平台上，集成开发具体智能嵌入式系统的设计和实践能力。本教材是数字逻辑、嵌入式系统设计、智能系统规范与建模等知识的融合和延伸，为后续物联网及智能嵌入式系统开发实践提供更加具体和综合的理论、方法和技术基础，为培养具有系统级的科学研究和综合开发素质的高级研发人员提供恰当的知识和技能。

本教材包括完整的智能嵌入式系统软硬件协同设计的知识体系，知识点由三篇组成：第一篇为基础篇，包括第1～4章；第二篇为核心篇，包括第5～8章；第三篇为实践篇，包括第9、10章。本教材囊括了经过9年近20次课程教学实践所形成的既具特色又难易程度适中的智能嵌入式系统软硬件优化配置与集成知识体系和教学内容。

采用本教材授课，可以灵活地依据学生情况组织教学内容。 第1、2、3、5、7章，以及8.1节是最基础的教学内容，在此基础上可以选讲其他内容。偏重于设计实践的课程可以选讲第4、9、10章。第6章、8.2节和8.3节偏重于实时系统调度，难度稍微高些。教学时可以采取理论知识与实践项目结合的教学方式，培养学生熟练使用工具以及自己开发相关工具的能力，搭建自己的工具链。也可以面向行业典型案例，采取课堂教学、课堂实践以及课程设计实践等教学形式。本教材旨在传授最新研究成果的同时解决实践探究性问题，培养学生对于开发完整系统的认知能力、动手能力、设计优化能力以及工程创新能力。

学习考核可以采取作业、编程实践和课程实践设计报告并重的考核方式，加大平时学习过程中认识能力和编程实践能力在学习成绩中的比重，让学生忙起来动起来。改变通用的死记硬背答题式考核，可以组织期中和期末两次纯上机实验考试，期中检查学生熟练使用现有工具（第2～5章）的能力，期末检查学生快速使用自己实现的工具（第6～8章）的能力，同时要求学生选择典型的智能嵌入式系统，并使用学到的知识和方法实现该系统（第9～10章），还要以此为基础撰写课程设计报告。以此培养学生集成开发具体智能嵌入式系统的设计实践能力、软硬件优化配置的综合开发能力和系统级缜密思维，以及新工科团队协作、敢于创新、敢于挑战的工匠精神。

本教材内容来自从2012年开始给研究生和本科生开设的软硬件协同设计课程，在研究生教学中累计讲授10次，在本科生教学中累计讲授8次。本课程在2015年成功入选上海市重点建设课程，2016年入选华东师范大学在线教学平台课程建设项目（大夏学堂），2017年成功申请华东师范大学精品教材建设专项基金，2021年入选华东师范大学在线开放课程建设项目，2022年入选上海市课程思政示范课程。

本教材内容由陈仪香策划，陈彦辉负责撰写通信方面内容，其余内容由陈仪香负责撰写，最后由陈仪香审定定稿。本教材撰写得到了软硬件协同设计技术与应用工程研究中心的大力支持。2012年第1次给研究生开课时与同事朱明华教授、曹桂涛教授和刘献忠副教授一起讨论授课内容选材。同事郭建副教授、琚小明副教授、陈玮婷副教授分别将智能系统规范与建模、编译原理、FPGA系统开发课程的教学内容提供给我们，为本教材内容选取提供了素材。研究生刘毅泽、马玉静、李金洋、方诚颖、屈媛、许巾一、刘晗、石昊、蒋清源、李凯旋、聂奇隆、岳泽龙、陈新宇、陈学毅、侯学成等对本教材内容完善提供了大量帮助。西北工业大学董云卫教授、同济大学江建慧教授、华东理工大学虞慧群教授等专家对本教材提出了很有价值的意见和建议。这里一并表示最诚挚的感谢。


华东师范大学软件工程学院

陈仪香

2023年1月8日

目　　录



前言

第一篇　基础篇1

第1章　概述2

　1.1　智能嵌入式系统2

　1.2　嵌入式技术2

　1.3　异构系统平台4

　1.4　软硬件模块间的通信5

　1.5　性能指标5

　1.6　软硬件优化设计体系架构7

　1.7　智能嵌入式系统开发流程8

　1.8　本章小结8

　1.9　习题9

第2章　系统建模10

　2.1　有限状态机10

　　2.1.1　有限状态机的基本概念10

　　2.1.2　有限状态机的建模例子11

　2.2　输入输出有限状态机12

　　2.2.1　输入输出有限状态机的
基本概念12

　　2.2.2　输入输出有限状态机的
建模例子13

　2.3　数据有限状态机16

　　2.3.1　数据流图16

　　2.3.2　数据有限状态机的
基本概念17

　　2.3.3　数据有限状态机的
建模例子19

　2.4　混成自动机22

　　2.4.1　混成系统22

　　2.4.2　混成自动机的基本概念23

　　2.4.3　混成自动机图形化24

　　2.4.4　混成系统的建模例子25

　　2.4.5　混成自动机演化26

　2.5　图形建模语言SysML29

　　2.5.1　SysML介绍29

　　2.5.2　SysML建模工具EA31

　　2.5.3　SysML建模介绍32

　2.6　本章小结41

　2.7　习题41

第3章　系统仿真43

　3.1　离散系统仿真43

　　3.1.1　硬件描述语言Verilog43

　　3.1.2　仿真工具ModelSim45

　　3.1.3　仿真例子46

　3.2　离散连续系统仿真54

　　3.2.1　工具介绍54

　　3.2.2　参数设置55

　　3.2.3　子系统57

　　3.2.4　自定义模块58

　　3.2.5　状态图60

　3.3　本章小结64

　3.4　习题64

第4章　系统性能66

　4.1　软件性能66

　　4.1.1　软件执行时间66

　　4.1.2　软件功耗69

　4.2　硬件性能70

　　4.2.1　硬件执行时间与硬件面积70

　　4.2.2　FPGA的LUT71

　　4.2.3　获取硬件执行时间
与LUT71

　4.3　通信时延73

　　4.3.1　通信时延的简单估测74

　　4.3.2　基于异构系统平台的通信时
延估测74

　4.4　本章小结77

　4.5　习题77

第二篇　核心篇79

第5章　多指标划分方法80

　5.1　线性规划介绍80

　　5.1.1　数学建模80

　　5.1.2　线性规划81

　　5.1.3　求解工具81

　5.2　多处理器任务分配82

　　5.2.1　任务分配时间问题82

　　5.2.2　任务分配收益问题84

　5.3　多指标软硬件划分84

　　5.3.1　面向可靠度的软硬件划分85

　　5.3.2　多指标软硬件划分85

　　5.3.3　多候选对象的软硬件划分88

　5.4　本章小结90

　5.5　习题90

第6章　多处理器系统调度算法92

　6.1　实时系统92

　　6.1.1　基本概念92

　　6.1.2　任务依赖关系93

　　6.1.3　任务抢占94

　　6.1.4　实时系统参考架构94

　6.2　任务优先级94

　　6.2.1　任务优先级值94

　　6.2.2　任务优先级表95

　6.3　实时调度96

　　6.3.1　实时调度问题96

　　6.3.2　系统完工时间与处理器
使用率96

　　6.3.3　优先级驱动算法97

　6.4　多处理器系统调度算法97

　6.5　带抢占的多处理器系统调度
算法100

　6.6　本章小结102

　6.7　习题102

第7章　多模块划分104

　7.1　多模块划分方法104

　　7.1.1　模块划分问题104

　　7.1.2　可许划分104

　7.2　基于通信代价的聚类算法105

　　7.2.1　层次聚类算法105

　　7.2.2　谱系图105

　　7.2.3　聚类算法106

　　7.2.4　单链接聚类算法107

　　7.2.5　全链接聚类算法107

　　7.2.6　均链接聚类算法108

　7.3　基于聚类的多模块划分算法109

　　7.3.1　多模块聚类算法109

　　7.3.2　多模块划分代价111

　　7.3.3　规定模块最大任务数
算法111

　　7.3.4　多处理器任务调度116

　7.4　基于KL算法的多模块划分116

　　7.4.1　1优化与