ESL是近来另一个频繁出现的首字母缩写词。这个术语的含义是什么？工程师和科学家是如何应用它的？一般来说，电子系统级(ESL)设计和验证可以提供用来描述和分析高抽象级芯片的工具和技术。
其最初的定义针对长尾“头部”的高端芯片设计工程师或应用和开发工程师，长尾理论是国际IT界著名杂志Wire杂志主编Chris Anderson在该杂志2004年的一篇文章中提出的。
图1：长尾理论是描述许多行业中特定应用或利基市场应用的一种方法。
但是，许多工程师和科学家在开发专业机器、新设备和低产量部署中都采用长尾理论。长尾应用很少采用销售量来按时确认较大的先期投资，或者很少有资源开发一个“完整”的芯片。这可能是因为这些应用是初始概念和研究阶段的新应用，或者是因为它们是现有概念的新变体。幸运的是，可编程硬件逻辑密度、面积、功率和速度的大幅进步已经使得大批这样的应用和硬件开发成为满足嵌入式系统日益增长的要求所必需的。
此外，像National Instruments这样的供应商现在正在提供基于适合快速重复先前思路的可编程硬件的现成的增值原型解决方案，从而允许对不同的元器件进行更多的探测和仿真。包括NI LabVIEW Real-Time模块和LabVIEW FPGA模块在内的National Instruments LabVIEW嵌入式软件以及National Instruments ComPACtRIO嵌入式测量和控制硬件是一个示例平台，该平台除了包含I/O、驱动器软件、应用软件和原型等芯片设计之外，还包含外围设备。这种整合可以应用到ESL的新定义中，从而更好地满足“长尾”系统设计工程师的需求。
ESL类别最初由Gartner Dataquest前首席EDA分析师Gary Smith定义，包括以下三类：设计和仿真、行为合成、测试和验证。
设计和仿真
设计和仿真涉及设计过程的几个步骤，包括算法设计、设计仿真和分析。以算法设计为例，你可能已经在实践中找出ESL原始定义的一些挑战。算法“设计”是一个能够解决问题的极具理论性的方法。现在，世界上仍有少数研究人员享受着棘手难题的理论化和进行非传统应用的设计。但是大多数设计工程师还是具有在最终期限内交付解决方案和产品的能力。这预定地给出了你实际可以使用的东西，你必须将算法设计与原型和I/O结合在一起。这称为算法工程。
算法设计 + 原型实现 = 算法工程
算法工程是一个在过程初期合并真实世界数据与像I/O信号和系统架构等仿真的设计过程，从而确保在较短的设计周期内获得更精确的最终结果。
图2：算法工程将算法设计与真实I/O结合在一起，极大地加快了设计过程。
系统仿真和分析是ESL过程中的另一阶段。这些步骤通常由纯软件供应商在设计过程中作为纯软件功能提供。许多供应商都宣称，你可以通过仿真和分析以软件方式设计整个系统，并且可以通过构建或购买原型硬件来节省成本。这种方法被证明是不利于系统设计的。为了真正地从仿真中受益(包括线性、非线性、离散和动态系统仿真以及电路仿真)，你需要能够使用实时I/O来快速实现你的动态系统。
行为合成
行为合成通常被描述为一个用来实现高级别设计的实际方法学的使能技术，通常是最终的寄存器传输级(RTL)实现。作为芯片设计的定义，行为合成可以选择性地应用于设计部分，以便最大程度地受益于较高级别的抽象和自动化的使用。
为了对长尾应用的设计工程师更加有用，行为合成可以称为行为原型。快速原型的一般选择包括基于FPGA(现场可编程门阵列)的现成原型平台的使用。基于FPGA的先进的快速原型系统可以提供创建高可配置性概念证明实现的能力，你甚至可以对要求严格的电池供电形状因子的移动应用进行现场测试和修改。将对C或HDL工具中基于文本的RTL代码开放的高级图形工具与FPGA平台相结合，可为创建有效行为原型提供高产的合适工具套件。
LabVIEW FPGA就可以提供这一能力。你可以毫不费劲地将现有HDL代码导入LabVIEW FPGA图形框图中，从而使图形编辑与低级别代码相结合。
当你需要轻松地为快速控制原型、硬件在环(HIL)测试或最终部署构建任何控制或设备模型的真实世界实现时，行为原型就非常有用。在整个过程，你可以通过向先前的设计增加真实世界I/O来改进控制设计，并在开发系统和制造测试时重复使用设计和验证阶段的测试软件和硬件，从而节省时间并降低开发成本。
测试和验证
对于高端应用，测试和验证通常包括电子设计自动化(EDA)市场提供的工具。但是对于低端市场，测试和验证步骤一般用于生产线和其它领域的开发过程后期。自动测试台技术应该用于设计周期早期，以进行确认、验证和重复设计。例如，你可以采用基于PC的数据采集设备来轻松地将算法与真实世界I/O信号相结合来进行确认。对于算法在环和DSP验证，你可以轻松地将PC平台导入实时操作系统。
Woodward Governor的Matthew Viele说明了他的公司是如何意识到结合仿真、I/O和测试/验证的好处的。
“通过对响应控制器输入的引擎的输出进行仿真，我们在不采用引擎的情况下实现了控制器的HIL测试。此外，它还帮助我们仿真在测试单元中使用真实引擎难以实现的状态，如在期望的使用率的限制下的运行状况。除了仿真正常的操作状态之外，测试系统还可以通过缩短和打开信号通路来仿真故障状态。
他还指出：“不断增加的对I/O定时和同步的控制再加上为输出产生而作的快速板上决策对于实时仿真引擎至关重要。现在，我们可以构建和修改最符合我们电子控制单元(ECU)测试的所有要求的测试系统。”
ESL的重要性
按照上述所有观点，随着越来越多的设计工程师(硬件和系统设计工程师)越来越频率地在未来的应用中使用ESL概念，似乎所有人都认同ESL设计和验证的重要性。
总的来说，工程师正在寻求高级工具和集成硬件平台，从而有效地应对各种挑战。图形系统设计是ESL的补充方法。它可以提供对现有语言和技术开放的高产的系统级验证工具，以及实现包括异类实时平台和FPGA平台在内的各种目标的高效率途径。内置的图形抽象可以将设计工程师从严格的ESL供应商所要求的压缩建模语法中解脱出来，从而使得复杂的设计概念以高效率表示和实现。例如，系统级设计工程师可以轻松地使用一个简单的框图以FPGA表示一个16位计数器。
LabVIEW框图是以硬件方式实现的，它可以提供对可重新配置的I/O设备的直接控制。你可以分析和控制I/O信号，而这是固定I/O硬件无法做到的。图3是简单的上升沿计数器的框图。采用U16数据类型使得该计数器属于16位计数器。在一个典型的数据采集(DAQ)板上，计数器逻辑在一个固定的ASIC芯片中实现。但是，通过访问FPGA，你可以在部分FPGA上编写你自己的计数器实现代码并配置你自己的计数器“芯片”。
图3：通过LabVIEW FPGA实现一个简单的上升沿计数器并获得对你的硬件逻辑的直接控制。
你可以用类似的方式毫不费劲地在图形系统设计应用中加入你的现有IP。例如，Xilinx SystemGenerator for DSP是一个可以与LabVIEW等工具配合使用的软件包，从而在包含Xilinx Virtex-II FPGA的NI可配置I/O硬件设备上实现超快的数字信号处理(DSP)。
这些采用LabVIEW图形系统设计语言的示例显示了ESL设计与图形系统设计相结合的能力。除了这个易于使用并且高产的图形系统设计语言之外，设计工程师还拥有一整套用于通过先前集成的硬件平台进行数据分析、验证、算法开发和实现的先进图形工具。
图形系统设计越来越高的使用率将极大地提高嵌入式设计在越来越多的工程师和科学家群体中的总亲和力。
ESL的挑战
正如先前所讨论的，ESL确实只是一个大图片的一部分。请记住，在设计中，ESL需要在设计过程的早期将算法工程和设计验证的概念结合起来，从而确保更高的系统精确性和更短的周期。类似的差距出现在仿真步骤中。对于关键应用而言，I/O补充对于正常和可靠的系统行为是至关重要的，当不可预测的“真实世界”影响被忽略时，纯仿真设计是非常危险的。
在原型中，ESL被定义为以高出RTL一个抽象级工作的几乎任何对象。这足够吗？工程师们不需要比“仅高于RTL”更高的抽象级吗？如今的复杂系统都需要使用最新的技术和平台，如异类处理器、FPGA系统和一整套易于使用的IP。
ESL的另一个基本挑战是解决包括描述并行性等在内的更复杂问题的能力。ESL的许多定义以C语言为中心。当开发充分利用多核处理器的计算能力的软件或者开发需要表示复杂的并发应用的软件时，你需要一个本身就能提供并行性的开发工具。与C和C++等基于文本的编程语言相比，像LabVIEW这样的图形编程环境可以轻松地表示并行过程，这是因为数据流本身就是并行的。在图形环境中可视化代码的并行执行简单得多，在图形环境中，图形代码的两个并行执行路径是挨着的。
更大的图形
ESL的概念需要与“长尾挑战”相结合。图形系统设计是一个包含嵌入式电子系统设计以及实现和验证工具的补充但却具有囊括性的方法。ESL和图形系统设计确实是同一发展(更高的抽象级和更多的设计自动化，旨在解决如今的设计工程师所面临的真实工程挑战)的一部分，可以解决在规范阶段带来的缺陷，以确保在为产品及时交货而进行确认之前检测到这些缺陷。工程师不仅需要重视理论主题，而且需要使用集成的硬件平台和直观的软件工具来实现、重做和改进甚至是最复杂的设计。
这是通过使用可以改进每一个开发阶段的高级图形系统设计软件和现成的商用快速原型硬件来进行的。通过提供特定领域工程库、嵌入式软件开发工具、动态仿真能力以及用于快速原型、系统部署和验证的集成硬件平台，这些方法缩短了设计周期。总之，通过图形系统设计方法对“长尾”应用使用ESL技术可使产品从“尾部”转变为“头部”。例如，一旦你的产品经过验证，你可以将这个经过验证的高质量设计重新定位或移植到一个更加严格的流程。
阅读《Graphical System Design for Machine Control》白皮书，以了解如何将这些概念应用到机械或设备设计中。
