片上监控系统设计方法学：一种基于行为与结构需求的统一建模与重用框架

《ACM Transactions on Embedded Computing Systems》：A New HW/SW Co-Design Approach for Monitored Systems-on-Chip Development

本文提出了一种片上监控系统（oCMS）的统一设计方法，通过形式化建模监控需求（MREQ）的度量（Metrics）、可移植性（Portability）和侵入性（Intrusiveness）三维属性，支持在系统级设计早期集成行为监控需求（ibmreq/ebmreq）和结构监控需求（smreq），并实现现有oCMS组件的重用，有效解决了传统方法中监控功能后期集成导致的设计迭代和资源冲突问题。

　　

片上监控系统设计方法学：一种基于行为与结构需求的统一建模与重用框架

引言

随着嵌入式系统复杂度提升，片上监控系统（On-Chip Monitoring Systems, oCMS）成为确保系统可靠性、性能和安全的关键。传统oCMS设计方法存在监控需求（Monitoring Requirements, MREQ）表述模糊、后期集成导致设计迭代等问题。本文提出一种统一建模方法，将MREQ形式化表述为度量（Metrics）、可移植性（Portability）和侵入性（Intrusiveness）三维属性，支持早期系统级集成与组件重用。

监控需求的形式化建模

1. 监控需求的三维模型

MREQ被定义为三元组?Metrics, Portability, Intrusiveness?：

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  Metrics：监控目标，包括缓存（cache）、带宽（bandwidth）、时间戳（timestamp）和功耗（power）等核心指标。
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  Portability：监控动作适用的硬件组件，如处理器（p_i∈P）或物理链路（?_j∈Φ），并区分通用处理器（GPP）和专用处理器（SPP）。
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  Intrusiveness：监控动作对系统资源的占用，包括时序开销（pd）、面积（area）、硬件资源（res）、功耗（pwd）和能量（energy）。

2. MREQ的分类与表述

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  行为监控需求（Behavioral MREQ）：
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    显式行为需求（ebmreq）：针对预定义度量（如带宽监控），直接映射到系统行为。
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    隐式行为需求（ibmreq）：需自定义度量（如特定通信模式计数），通过监控任务（μτ_f）和监控链路（μλ_s）扩展功能需求（FR）。
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  结构监控需求（smreq）：直接针对硬件组件（如处理器缓存命中率），通过结构参数表述。

3. 统一建模框架

通过扩展系统功能需求FR为FR⁺ = (Γ⁺, Λ⁺)，其中Γ⁺ = Γ ∪ Γ_M（原始任务∪监控任务），Λ⁺ = Λ ∪ Λ_M（原始链路∪监控链路），实现监控逻辑与功能逻辑的统一表述。

系统级设计方法与流程

1. 设计流程重构

提出基于Gajski-Kuhn Y图的设计流程，将传统后期集成（图2）重构为早期集成（图7）：

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  需求规范：输入FR、NFR及三类MREQ（ibmreq/ebmreq/smreq）。
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  系统级综合：包括成本估计、设计空间探索（DSE）和面向重用的设计空间探索（DSEfR）。
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  DSEfR核心步骤：
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    初始化：构建需求矩阵Q^ω和oCMS匹配矩阵。
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    转换与细化：将行为需求映射到结构组件，计算组件监控频率（f_pi/f_?j）。
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    查询：从oCMS数据库中选择候选组件，缩放其侵入性参数。
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    选择：基于预算约束（如Δrt、Δres）选择最优oCMS组合。

2. 关键技术突破

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  早期冲突检测：通过DSEfR在综合阶段验证监控侵入性与NFR的兼容性，避免后期迭代。
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  组件重用机制：通过结构化查询匹配现有oCMS（如ARM ETM时序监控、AXI总线带宽监控），降低开发成本。
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  多目标优化：支持时序、面积、功耗等多约束下的 Pareto 最优解搜索。

实验验证与应用案例

1. 合成应用案例（FIR-FIR-GCD, FFG）

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  需求设定：
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    FR：10组整数滤波及GCD计算，包含8个任务（τ_r）和15个逻辑链路（λ_t）。
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    MREQ：包括缓存访问计数（ibmreq₁）、消息流计数（ibmreq₂）、带宽监测（ebmreq₃）和功耗监测（smreq₄）。
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  实现结果：
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    通过DSEfR选择组合：Leon3处理器缓存监控（oCMS ID3） + AXI总线带宽监控（oCMS ID9×8实例）。
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    资源占用：总面积14.1mm²，总能耗30mJ，满足约束C={rt<40ms, energy<50mJ}。
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    开发效率：相较传统方法（437分钟），提案方法（332分钟）减少24%开发时间，且避免后期重构。

2. 医疗应用案例（心脏起搏器监控）

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  验证提案方法在安全关键系统中的适用性，通过监控心率异常（行为需求）和处理器功耗（结构需求），实现实时诊断与能效平衡。

讨论与展望

1. 方法优势

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  形式化严谨性：通过三维模型统一表述多样MREQ，支持自动化工具链集成。
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  可扩展性：支持新型监控度量（如安全事件追踪）和硬件平台（如FPGA/ASIC）。
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  工业适用性：与现有EDA工具（如HEPSYCODE、SystemC）兼容，降低采纳门槛。

2. 局限与挑战

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  数据库完备性：依赖oCMS数据库规模（当前N^DB=30），需持续扩充。
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  复杂约束优化：多目标DSEfR的算法效率待提升，尤其超大规模SoC。

结论

本文提出的统一建模与设计方法，通过形式化MREQ属性和早期集成机制，解决了oCMS设计中的需求模糊与迭代难题。实验表明，该方法显著提升设计效率与资源利用率，为高可靠SoC开发提供系统级解决方案。未来工作将聚焦于智能优化算法和跨平台数据库构建。