本文的作者是山东建筑大学的王忠、夏传良、胡芳凝、刘超群。该研究论文发表于《物联网技术》期刊2019年第5期。该论文属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是为研究人员撰写的关于此研究的学术报告。

本研究的学术领域是嵌入式系统设计，具体聚焦于软硬件协同设计中的关键环节——软硬件划分。研究开展的主要背景是，随着嵌入式系统规模和复杂性不断增加，传统的“先硬件，后软件”的设计方法已难以满足对系统性能、成本、开发周期等多方面的综合要求。虽然学术界提出了多种软硬件协同设计方法（如改进迭代算法、模拟退火算法、遗传算法、基于UML的模型分析方法等），旨在挖掘系统并发性并优化性能与成本的组合，但这些方法普遍存在偏重理论、可操作性差、硬件划分粒度过大，且较少考虑成本动态变化、供应链、研发周期、可维护性等实际工程因素的局限性。与此同时，技术环境也在发生变化：硬件模块的可配置性、可编程性增强，许多功能既可软件实现也可硬件实现，软硬件界限日益模糊；并且，软件（人力）成本上升与硬件价格下降的新趋势，为系统的软硬件优化组合提供了新的创新空间。基于此，本研究旨在提出一种更贴近工程实际、更具操作性的软硬件划分新方法，以解决传统方法的弊端，优化嵌入式产品的开发过程。本研究的目标是提出并阐述一种名为“去中心化”的软硬件划分方法，并通过一个具体的设计实例来验证其有效性与优势。

本研究的详细工作流程可以概括为三个核心阶段：问题分析与方法提出、方法原则阐述、以及实例验证。 第一个阶段是问题分析与新方法概念的提出。研究者首先系统分析了传统软硬件划分方法存在的理论脱离实践、可操作性不强等共性问题。在此基础上，结合对当前技术发展趋势（如软硬件界限模糊、成本结构变化）的洞察，提出了“去中心化”软硬件划分这一核心创新概念。这里的“去中心化”被定义为将功能和资源从一个集中式的中心（通常是单一的核心处理器）进行重新分配或分散的过程。 第二个阶段是详细阐述“去中心化”软硬件划分方法所遵循的五条具体指导原则。这五条原则本身即是该方法论的核心构成部分，相当于研究提出的“新颖方法框架”。它们分别是： 1. 去中心化原则：改变系统处理功能集中于单一核心处理器的模式，根据功能分类由多个处理器共同分担，实现从单核心到多核心的转变。 2. 负载均衡化原则：将系统处理负载均衡分布于多个处理器。例如，将数据处理、复杂协议栈等任务交由专门芯片实现，各处理器通过通信接口协同工作。 3. 模块化原则：将功能相对独立且集中的芯片组、电路及相关程序，设计成独立运行的模块。该模块的程序由专用处理器运行并优化，实现软件功能的固件化。模块要求内部功能高度内聚，对外接口低耦合。 4. 控制与显示功能分离原则：针对工控等领域中日益复杂的显示需求（如触摸屏、组态显示），将显示功能设计为独立模块，或直接采购成熟的组态串口屏产品，使其与控制功能分离。 5. 专用接口芯片优先原则：尽可能选用集成了固化协议栈的接口芯片来实现特定功能，特别是网络功能（如TCP/IP、蓝牙、WiFi、RFID）。论文举例提到了具备全硬件TCP/IP协议栈的W5500以太网芯片和集成完整WiFi功能的ESP8266芯片，这类模组具有简单、快速、可靠、安全等优势。 第三个阶段是设计实例验证。研究者选取了一个“医用电子体温计”的科研项目作为研究对象，通过对比传统划分方法与新方法的应用效果，来验证后者的优越性。研究过程如下： - 研究对象与基线设计：研究对象是一个具备体温测量、电容触摸屏显示、历史数据查询与曲线生成、以及通过以太网上传数据至云端等功能的医用电子体温计。首先，论文按照传统软硬件划分方法，给出了其硬件总体框架（图1）。在该框架中，几乎所有核心功能都围绕一个单一的中央处理器（CPU）展开：温度误差处理算法、轻量级IP协议栈（lwIP）、嵌入式图形库（UCGUI/emWin）均运行于此CPU中；电容触控、液晶显示、ADC转换电路等则作为外设接入该CPU。 - 应用新方法进行优化设计：接着，研究者严格应用上述五条“去中心化”原则，对原始设计方案进行重新划分，得到了优化后的方案（图2）。具体处理/测试方式如下： 1. 应用原则4（控制与显示分离）：将液晶显示和电容触控部分整合，开发或采购独立的组态串口屏模块。该模块通过UART串口与系统中的一个处理器（文中称为1#CPU）连接，实现了显示功能的独立与分离。 2. 应用原则3（模块化）与原则1（去中心化）：将测温电路与误差处理算法整合，加入一个简单的微控制器（MCU），制成独立的体温测量模块。该模块通过UART串口输出标准化的体温数据，实现了该功能的模块化与固件化。 3. 应用原则5（专用接口芯片优先）：将原本在CPU中运行的lwIP软件协议栈移除，改用具备全硬件TCP/IP协议栈的专用以太网接口芯片（如W5500或CH9121）来实现网络连接功能。 4. 应用原则1与原则2（去中心化与负载均衡）：原核心处理器的复杂功能被分解。其角色降级为通过UART、SPI等接口进行数据收发和指令控制的协调器，可以用一个更简单、成本更低的MCU来替代。至此，系统由三个主要的处理单元构成：负责显示交互的组态屏模块、负责体温采集处理的测量模块、以及负责数据协调与网络通信的主控模块。 5. 软件层面的重构：相应的软件功能也被分散到这三个更简单的处理器中运行。体温数据处理在测量模块的MCU中完成，图形界面在组态屏模块内处理，网络协议栈由硬件芯片实现，主控MCU负责协调。这实质上是将复杂的单任务负载分解为多个简单的并行任务。 - 数据分析与对比工作流程：本研究主要通过定性对比和基于工程实践的逻辑推演来分析新方法的优势，而非基于大量样本的量化统计。分析工作聚焦于对比优化前后方案在系统架构、开发难度、性能、成本、可维护性等多个维度的差异。支持这些分析的数据和证据来源于重新划分后的设计方案图（图2）及其描述，以及基于嵌入式系统开发常识的推理。

本研究取得的主要结果体现在通过实例验证所展现出的“去中心化”方法的多方面优势。每个结果都对应于应用新方法原则后对原始设计方案的改进，并支撑了最终的结论。 1. 实现了真正的并行处理与性能提升：通过将功能分散到三个处理器（组态屏处理器、测温模块MCU、主控MCU）以及专用硬件网络芯片，系统从原先的单一处理器顺序/分时处理模式，转变为多个硬件单元并行工作的模式。这直接提升了系统的响应速度。特别是网络协议栈由硬件实现，降低了主处理器的负载和中断处理压力，从而有效降低了网络丢包率。 2. 显著降低了系统开发难度与周期：复杂的单体系统被分割为三个功能相对独立、接口清晰的模块（显示模块、测温模块、主控通信模块）。每个模块的功能和复杂度都大大降低，这使得开发任务得以简化。结果支持了“更适合团队并行开发”的论点，因为不同的团队可以同时独立开发不同的模块，最终通过定义好的接口进行集成，从而缩短整体研发周期。 3. 降低了硬件成本并改善了供应链：对核心处理器的性能要求因功能卸载而大幅降低，因此可以选用更通用、更便宜的低端MCU来代替原先可能需要的性能较强的CPU。这一结果直接带来了物料成本的下降。同时，通用芯片的供应链更为稳定和广泛，采购更容易，降低了供应链风险。 4. 提高了研发成果的可重用性与系统可维护性：模块化设计使得每个模块（如显示模块、体温测量模块）都具有较高的功能独立性和接口标准化。这一结果意味着这些模块可以更容易地被复用到其他类似项目中，提高了研发成果的通用性和价值。此外，模块之间低耦合，当系统出现故障时，可以更容易地进行定位和隔离，只需更换或维修问题模块，而不影响整体，极大方便了后期的故障检测和系统维护。

本研究的结论是，针对传统软硬件划分方法的弊端和当前软硬件成本结构的变化，所提出的“去中心化”软硬件划分方法是一种有效且实用的解决方案。该方法通过对系统功能和资源进行重新分配与分散，成功地将复杂的嵌入式系统设计任务转化为若干个相对简单、易于实现的子任务。重新划分后的各模块功能独立、负载均衡，内部高内聚、相互间低耦合。这不仅提高了系统的可靠性、可重用性和响应性能，更重要的是，它显著降低了产品开发的整体难度和成本，优化了开发流程，并有利于后期的系统维护。医用电子体温计的设计实例表明，这种“去中心化设计”思路对嵌入式产品的工程开发具有很高的参考价值和实践指导意义。

本研究的亮点主要体现在以下几个方面： 1. 重要的实践导向创新：最大的亮点在于其强烈的工程实践导向。研究没有停留在理论算法优化层面，而是直面传统学术方法在工程实践中“可操作性差”的核心痛点，提出了一套紧密结合当前技术趋势（软硬件融合、成本变化）和工程实际需求（供应链、周期、维护）的、具有高度可操作性的指导原则和方法论。 2. 新颖的“去中心化”核心概念：将“去中心化”这一源于其他领域（如网络、区块链）的思想，创造性地引入到嵌入式系统软硬件划分领域，并将其具体化为一系列可执行的设计原则，这是一个概念上的创新。 3. 方法论的完整性与系统性：提出的五条指导原则（去中心化、负载均衡、模块化、控制显示分离、专用芯片优先）构成了一个逻辑自洽、互为补充的完整方法论体系，覆盖了从系统架构、任务分配到组件选型的多个设计层面。 4. 验证实例的典型性与说服力：选择医用电子体温计这一具备典型嵌入式特征（传感、处理、显示、通信）的项目作为验证实例，通过前后设计方案（图1 vs. 图2）的直观对比，清晰、有力地展示了新方法带来的架构简化、任务分解和优势提升，使理论方法得到了具象化的有效验证。

此外，论文中提及的关于“软件即人力成本提高”和“硬件价格降低”这一背景观察，虽然未展开详细的数据论证，但其点明的趋势对于理解该方法提出的经济合理性和时代必要性具有重要价值，也为嵌入式系统设计的经济性评估提供了一个有价值的思考维度。