嵌入式系统设计技术

1、neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 1 1 第第 6 6 章章 嵌入式系统设计技术嵌入式系统设计技术 本章主要内容： 嵌入式系统设计的特点 嵌入式系统的组成 嵌入式系统的设计流程 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 2 2 嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点 嵌入式系统通常是面向特定应用的系统； 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余； 嵌入式系统

2、设计需要交叉开发环境； 嵌入式系统的程序需要固化； 嵌入式系统的软件开发难度较大 ； 嵌入式系统还需要提供强大的硬件开发工具和软件包的支持，需要设计者从 速度、功能和成本综合考虑。对稳定性、可靠性、功耗、抗干扰性、重量体 积等方面的性能要求都比通用系统的要求更为严格和苛刻。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 3 3 “宿主机宿主机/ /目标机目标机”方式方式 嵌入式系统的开发通常采用“宿主机/目标机”方式。 宿主机（host）是一台通用的计算机，一般是pc机。它通过串口或网络连接与

3、目标机进 行通信。 目标机（target）常用在嵌入式系统的开发过程期间。目标机可以是嵌入式系统的实际 运行环境，也可以是能替代实际环境的仿真系统。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 4 4 “宿主机宿主机/ /目标机目标机”方式方式 首先，利用宿主机上丰富的设备资源以及良好的开发环境来开发和 仿真调试目标机上的软件。 然后，通过uart接口或ethernet接口将交叉编译生成的目标代码传 输并下载到目标机上，并用交叉调试器在实时内核/操作系统或监控 程序的支持下进行实时分析和调试

4、。 最后，目标机在特定的环境下运行。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 5 5 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 6 6 硬件层硬件层 硬件层是由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口和i/o接口（a/d 、d/a、i/o 等）组成。在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路（rom 和sdram等），就构成了一个嵌

5、入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固 化在rom中。 mp3随声听的硬件组成 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 7 7 中间层中间层 中间层也称为硬件抽象层（hardware abstract layer,hal）或板极支持包 （board support package，bsp），它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系 统的底层设备驱动程序与硬件无关。 bsp具有以下两个特点： 1)操作系统相关性 2)硬件相关性 设计一个完整的bsp需要完成两部分工作： 嵌入式系统的

6、初始化:片级初始化、板级初始化和系统级初始化 设计硬件相关的设备驱动。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 8 8 软件层软件层 软件层由实时多任务操作系统（rtos）、文件系统、图形用户接口 （gui）、网络系统及通用组件模块组成。 rtos是嵌入式应用软件的基础和开发平台。rtos实际上是一段嵌入 式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户的主程序， 用户的其他应用程序都建立在rtos之上。rtos是一个标准的内核， 它将cpu时钟、中断、i/o、定时器等资源都封装起来，

7、留给用户的 是一个标准的api函数接口。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 9 9 功能层与执行装置功能层与执行装置 功能层：由基于rtos开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的 控制功能。功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，往往 需要提供一个友好的人机界面。 执行装置：是指那些可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令， 执行所规定的操作或任务的设备和装置。在不同的应用领域中，嵌入 式系统的执行装置一般是不同的，应该根据具体的应用场合和系统所 要求实现的功能选择不同的设备

8、和执行装置。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 10 10 嵌入式系统的设计流程嵌入式系统的设计流程 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 11 11 需求分析阶段需求分析阶段 嵌入式系统的特点决定了系统在开发设计初期的需求分析过程中就 要搞清需要完成的任务。 功能性需求：是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等； 非功能性需求：包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因

9、素。 使用需求表格将系统的功能性需求和非功能性需求综合起来。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 12 12 规格说明阶段规格说明阶段 对需求进行提炼，得到系统的规格说明，这些规格说明里包含了进行系统体系 结构设计所需要的足够信息。 规格说明作为分析结果，它是系统开发、验收和管理的依据。因此，规格说明 必须足够的清晰和明白。通过验证规格说明检查它是否符合系统需求并且完全满 足客户的期望和要求。规格说明不能有任何歧义，应该让系统的设计者明确地知 道他们需要构造的是怎样的一个系统。 规格

10、说明必须认真仔细地编写，以便能够精确详尽地反映客户对系统各方面的 需求，并且作为设计时必须明确遵循的要求和准则。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 13 13 体系结构设计体系结构设计 体系结构是系统整体结构的一个规划和描述，设计完成之后用于构建整个体系 结构的构件。 体系结构描述了系统如何实现所述的功能和非功能的需求，包括对硬件、软件 和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。 一个好的体系结构是设计成功与否的关键。 通常硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、操作系统、编

11、程语言、软件 开发工具、硬件调试工具、软件组件等。其中，通常，处理器是最重要的，同时 操作系统和编程语言也是非常关键的。处理器的选择往往同时会限制操作系统的 选择，操作系统的选择又会限制开发工具的选择。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 14 14 硬件平台的选择硬件平台的选择 处理器选择要考虑的主要因素有： 处理器的性能 处理器的技术指标。 功耗。 软件支持工具。 处理器是否内置调试工具。 供应商是否提供评估板。 其它因素：生产规模、开发市场的目标、软件对硬件的依赖性。 neus

12、oft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 15 15 软件平台的选择软件平台的选择 1.操作系统的选择需要考虑到以下几个方面： 操作系统本身所提供的开发工具。 操作系统向硬件接口移植的难度。 操作系统的内存要求。 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的系统api。 操作系统是否提供硬件的驱动程序，如网卡驱动程序等。 操作系统的是否具有可剪裁性。 操作系统的实时性能。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march

13、. 2006 16 16 软件平台的选择软件平台的选择 2.编程语言的选择主要考虑以下因素： 通用性。 可移植性程度。 执行效率。 可维护性。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 17 17 软件平台的选择软件平台的选择 3.集成开发环境ide考虑的因素: 系统调试器的功能。 支持库函数。与选择硬件和操作系统的原则一样：除非必要，尽量采 用标准的 glibc。 编译器开发商是否持续升级编译器。 连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式。 neusoft institute of in

14、formation technology, chengdu date: 5. march. 2006 18 18 软件平台的选择软件平台的选择 4.硬件调试工具的选择: 好的软件调试程序可以有效地发现大多数的错误，但是如果再选择一个好的硬 件调试就会达到事半功倍的效果。常用的硬件调试工具有以下几种： 实时在线仿真器(ice，in-circuit emulator)。 驻留监控软件。 rom仿真器。 jtag仿真器。是目前使用最广泛的调试手段。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 19

15、 19 软件组件的选择软件组件的选择 授权软件组件的费用一般都很高，但大都经过严格的测试，可靠性高，调试 时间短。反之免费组件。 现在也有一些免费的自由软件组件，它们的性能、可靠性也很好。因此开发 人员在选择的时候要加以权衡，确定哪种方案更好。 neusoft institute of information technology, chengdu date: 5. march. 2006 20 20 设计硬件构件和软件构件设计硬件构件和软件构件 构件的设计应与体系结构和规格说明保持一致。 通常为了缩短产品的开发周期，往往硬件和软件的设计是并行的。 总的来说，嵌入式系统设计的工作大部分集中在软件设计上，采用 面向对象的技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程当中 经常采用的方法。 neusoft institute of information