嵌入式系统设计面临着系统复杂性的不断增加以及设计周期的逐渐缩短等问题的挑战,这类挑战来自于设计初期模糊的设计参数及非功能性需求(低成本、低功耗等)的不断增加等。传统的嵌入式系统设计方法仅凭个人经验取舍,无法保证产品设计的正确性及合理性,不能适应嵌入式系统日趋复杂的需要。系统级设计方法在嵌入式系统的软/硬件实现之前,通过建立系统的可执行模型,定性和定量地分析系统的性能,对系统的需求及规格说明进行有效的评估,从而确定最初设计方案的可行性,并及时发现设计错误,避免了设计过程的反复,降低了开发成本。 系统级设计方法的核心是系统级建模及性能分析,面向对象的形式化建模语言(Parallel Object-Oriented Specification Language,POOSL)是荷兰爱因霍芬(Eindhoven)大学研究和设计的专门针对复杂实时软/硬件系统开发而设计的,基于严密的数学语义,能精确地描述系统的并发性、分布性、时间、通讯和功能特性,已经被证明是一种非常高效的分析和评估工业级复杂系统的建模语言。本文以POOSL作为系统级建模语言,通过实例分析,研究复杂嵌入式系统的系统级建模及性能分析方法。 本文针对复杂嵌入式系统的特点,从系统级设计流程、系统级建模的指导原则和方法、性能分析的数学技术和POOSL性能分析库的扩展、工业级实例的系统级建模和性能分析4个方面进行研究,形成了一套复杂嵌入式系统的系统级建模及性能分析方法。 (1)详细分析了基于POOSL的系统级设计方法-SHE(Soffware/Hardware Engineering)方法,针对复杂嵌入式系统的特点对其设计流程进行了改进,提出了复杂嵌入式系统的系统级设计流程。在此基础上,提出了基于POOSL的系统级建模方法(POOSL-Based Hierarchy Modeling Methods,PB-HMM),包括层次化建模、"Top-Down"建模方法、面向对象建模技术和基于Y-Chart的资源建模方法。实践表明,PB-HMM满足了复杂嵌入式系统系统级建模的需要。 (2)为了使建模过程工程化,提高模块的可重用性和可维护性,针对系统级建模中反复出现的数据抽象、信号原语抽象、异步并发处理和进程间通讯等机制的实现过程,提出了通用建模模式(Modeling Patterns)和构件式建模方法,以指导具体的建模实现过程,并构建了典型的嵌入式系统构件的模型库。 (3)为了定量分析嵌入式系统的吞吐量、平均延时和处理器的平均利用率等性能指标,本文运用再生周期技术分析计算这类指标的点估计值和置信区间,并扩展了建模工具SHESim的构件库,以方便嵌入式系统建模时重用。为了验证性能分析库的正确性,建立了选择重传滑动窗口协议的性能分析模型,定量地分析了窗口大小、包大小和超时间隔等参数对协议性能的影响。分析结果表明,扩展的性能分析库能有效地应用于系统性能指标的定量分析。 (4)以IEEE 802.11协议栈和无线接入系统的系统级建模和性能分析为例,进一步验证了所提出的系统级建模方法和性能分析技术的有效性。建立了IEEE802.11协议栈的抽象模型,从行为和数学分析两方面验证了模型的正确性,分析了最小竞争窗口CWmin等参数对有效吞吐量、平均延时等性能指标的影响,并确定了关键参数的最优取值。另外,还建立了基于IEEE 802.11b协议的无线接入点(Access Point,AP)系统的系统级模型,分析了AP中相关参数如CWmin对系统性能的影响,确定了AP系统设计中待确定的CPU处理速度。 本文针对复杂嵌入式系统的特点,提出了系统级设计流程和系统级建模的方法；针对建模的具体实现过程,提出了通用的建模模式和构件式建模方法,方便了快速建模和模型构件的重用；通过POOSL性能分析库的扩展,完善了系统级建模和性能分析的工具平台；以IEEE 802.11协议栈和无线接入系统为例,验证了系统级建模及性能分析方法的正确性。形成了一套复杂嵌入式系统的系统级建模及性能分析方法,包括系统概念与需求的获取、模型的建立和验证、关键参数的提取和系统瓶颈的确定、设计方案的分析和修改等方面,以便在复杂嵌入式系统设计的早期阶段,对设计空间进行充分搜索,确定功能属性和非功能属性是否满足系统需求,在系统设计的顶层调整设计方案。本文的研究成果为嵌入式系统开发者的建模、设计空间搜索和设计方案的确定提供了新的方法和途径。