第讲嵌入式系统设计方法

1、 嵌入式系统设计方法2015年9月10日嵌入式系统原理与设计嵌入式系统原理与设计 主要内容主要内容n嵌入式系统面临的挑战嵌入式系统面临的挑战n嵌入式系统嵌入式系统的设计（的设计（经典方法）经典方法）2/72嵌入式系统嵌入式系统n嵌入式系统嵌入式系统: 以以应用为中心应用为中心，以计算机技术为基础，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗诸方面严格要求的靠性、成本、体积、功耗诸方面严格要求的专用专用计算机系统。计算机系统。3/72嵌入式系统特点嵌入式系统特点嵌入式系统特点：嵌入式系统特点：n 软件硬件协同并行开发软件硬

2、件协同并行开发n 多种多样的微处理器多种多样的微处理器n 实时操作系统的多样性实时操作系统的多样性 (RTOS)(RTOS)n 与台式机相比，可利用系统资源不足与台式机相比，可利用系统资源不足n 应用支持很少应用支持很少n 要求特殊的开发工具要求特殊的开发工具n 调试很困难调试很困难n 软件硬件的鲁棒性（健壮性，软件硬件的鲁棒性（健壮性，RobustRobust）4/72嵌入式系统要解决的主要问题嵌入式系统要解决的主要问题 n需要用什么样的系统结构来实现？需要用什么样的系统结构来实现？ n如何满足时限要求，如何处理多项功能在时间上的协如何满足时限要求，如何处理多项功能在时间上的协调一致关系？调

3、一致关系？n如何保证系统可靠地工作？如何保证系统可靠地工作？n如何满足系统接口要求，嵌入式应用直接和系统接口如何满足系统接口要求，嵌入式应用直接和系统接口输入输出信息？输入输出信息？n如何降低系统的功耗？如何降低系统的功耗？ n如何使系统可升级？如何使系统可升级？ 5/72嵌入式系统设计的挑战性问题嵌入式系统设计的挑战性问题 n软硬件协同设计软硬件协同设计 n功耗的优化设计功耗的优化设计n嵌入式操作系统嵌入式操作系统n开发环境开发环境 n成本和开发周期成本和开发周期n代码优化代码优化 n高效的输入和输出高效的输入和输出n测试环境测试环境 6/72嵌入式系统软件技术面临的几大问题嵌入式系统软件技

4、术面临的几大问题n嵌入式软件全生命周期开发工具链嵌入式软件全生命周期开发工具链n硬件与软件的硬件与软件的Co-Design: Verilog + C = ?Co-Design: Verilog + C = ?n驱动程序的设计和生成技术（嵌入式软件开发中驱动程序的设计和生成技术（嵌入式软件开发中最令人头疼的问题）最令人头疼的问题）n嵌入式软件的可靠性问题嵌入式软件的可靠性问题: : 正确性验证技术、测正确性验证技术、测试技术、调试技术等（可靠性问题是嵌入式软件试技术、调试技术等（可靠性问题是嵌入式软件开发的基本问题）开发的基本问题）n可重构计算（可重构计算（Reconfigurable Comp

5、utingReconfigurable Computing）技术）技术n可构件化的嵌入式实时操作系统及其开发环境可构件化的嵌入式实时操作系统及其开发环境7/72问题问题：功 能 、 性能要求价 格 、 开发 周 期 等约束设计：设计： 选择 折衷 分析比较 计算 评价嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统的设计嵌入式系统的设计方法方法工具工具8/72设计流程设计流程自顶向下或自底向上设计自顶向下或自底向上设计需求需求设计说明设计说明体系结构体系结构构件设计构件设计系统集成系统集成自顶向下设计自底向上设计9/72需求分析n作用作用n使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标使用户和设计者有效交流、沟通，

6、明确设计目标n设计者设计者 设计什么？有哪些要求？设计什么？有哪些要求？n用户用户 将得到的系统是什么样的？将得到的系统是什么样的？n目标目标n形成需求文档形成需求文档n内容内容n功能性需求功能性需求 做什么？做什么？n输入输入, ,输出输出, ,功能，功能，n非功能性需求非功能性需求 其他属性其他属性n可靠性，速度，功耗，可靠性，速度，功耗，n成本成本, ,大小大小, ,重量重量, ,设计时间，设计时间， 10/72评价标准n正确性n无二义性n完整性n可检验性n一致性n可修改性n可追踪性11/72需求分析的描述n自然语言n需求说明书n需求分析表n形式化描述n用例图等nDOORS12/72例：

7、GPS移动地图的需求13/72 规格说明n规格说明与需求的比较n需求的提炼n是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、更精确、更一致的描述n目标n形成规格说明书n内容n包含系统体系结构设计的足够信息14/72规格说明书的描述n自然语言n形式化描述nUMLnRSMLnSDL15/72规格规格说明说明n需求的精确描述需求的精确描述n 描述明确，可理解描述明确，可理解n UML (Unified Modeling Language) UML (Unified Modeling Language) n统一建模语言是可视化的设计说明语言统一建模语言是可视化的设计说明语言n统一描述系统的硬件和软件统一描述系

8、统的硬件和软件n UML UML 可对系统的功能建模可对系统的功能建模n 可自动产生实际设计的可自动产生实际设计的HDL HDL 或或C+ C+ 代码代码16/72系统结构设计系统结构设计n 系统如何实现设计说明书描述的功能系统如何实现设计说明书描述的功能n 基于组件的系统结构基于组件的系统结构n 软件软件/硬件划分硬件划分n 嵌入式系统中软件和硬件协同完成系统的嵌入式系统中软件和硬件协同完成系统的功能功能n软件硬件划分通常由速度、灵活性以及开销软件硬件划分通常由速度、灵活性以及开销来决策来决策17/72硬件硬件单片机单片机, X86, PowerPC, ARM, MIPS,板级支持程序板级支

9、持程序嵌入式操作系统嵌入式操作系统应用软件应用软件监控程序监控程序嵌入式计算机系统基本结构嵌入式计算机系统基本结构18/72嵌入式系统组成嵌入式系统组成19/7220/72系统结构设计系统结构设计21/72系统结构设计n作用n实现系统的蓝图，系统整体结构的一个计划n目标n形成结构设计文档n内容n系统分析n系统软硬件整体结构的设计n软硬件划分n标准构件和自行设计构件的确定22/72 评价标准n有弹性n简单n可实现n层次清晰n功能分布平衡n平衡技术和经济约束n满足功能需求和非功能需求n可重用23/72系统结构的描述n非形式化方式n自然语言n结构框图n形式化方法nUML建模24/72系统结构的设计过

10、程及方法n结构化设计方法 -以算法为中心，从处理到处理的数据流n从输入、输出入手，根据操作和数据流，形成比较粗的系统大框架；n然后逐步细化框架内的每个部分，进一步确定内部模块的及模块之间的关系n设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程n面向对象的方法 -以类及交互模式为中心25/72系统软件结构的设计n结构化方法(SA/SD)n面向对象的方法(OOA/OOD)nUML建模26/72结构设计的验证n结构设计的正确性非常关键n详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响n验证所关心的问题n结构设计是否满足功能、性能要求n能否实现n验证方法n形式化方法n仿真n系统结构n软件结构n硬件结构n其他方法

11、n如基于开发板的原型系统27/72系统引入错误和修改错误开销分布系统引入错误和修改错误开销分布引入错误数目引入错误数目修改错误开销修改错误开销开发周期系统结构设计软硬件详细设计软硬件实现28/72软硬件的划分 嵌入式系统的设计涉及硬件与软件部件，设计中必须决定什么功能由硬件实现，什么功能由软件实现。n硬件和软件具有双重性n软硬件变动对系统的决策造成影响n划分和选择需要考虑多种因素n硬件和软件的双重性是划分决策的前提29/72通常由软件实现的部分n操作系统功能n任务调度n资源管理n设备驱动n协议栈nTCPIPn应用软件框架n除基本系统、物理接口、基本逻辑电路，许多由硬件实现的功能都可以由软件实现

12、。30/72双重性部分n算法n加密解密n编码解码n压缩解压nn数学运算n浮点运算， FFT， n31/72标准构件和自行设计构件 n构件的实现n选择标准n自行设计n标准构件 ？现成构件n已经产品化n形成规模生产n标准构件 自行设计构件 用户系统n构件包括了硬件构件和软件构件n构件本身可以是层次性的，可以由子构件组成32/72标准硬构件n硬构件的形式：硬构件的形式：nIC：集成电路：集成电路nPCB：印刷电路板：印刷电路板nIP：Intellectual Propertyn标准 IC nCPU, DSP, nRAM, ROM, 接口控制器，nASIC,n标准 IPn CPU核，n标准模块nGPR

13、S模块,GSM模块,蓝牙模块, n显示模块，n标准计算平台n基于PC104的嵌入式计算机n基于Compact PCI的嵌入式计算机nSOC,33/72标准软构件nOS / RTOSn协议栈nTCP/IPn路由协议nH.323nn图形开发包nVxWorks的ZINKnWebGLn驱动程序34/72自研硬构件n内容n逻辑电路，专用加速器，n实现方式nPCB： nIC：PLD FPGA ASIC,nEDA设计工具n板级： n原理图设计工具nPCB设计工具nICn硬件描述语言: VHDL,Verilogn原理图描述工具n综合仿真工具n布线器, 35/72自研软构件nBSPn驱动程序n应用程序n36/72 软硬件技术对系统结构的影响n硬软件设计的趋势融合、渗透n硬件设计的软件化nVHDL, VerilognHANDL-Cn软件实现