嵌入式系统讲义202

1、主要内容2.1 引言2.2 设计方法学2.3 嵌入式系统的形式化设计方法2.4 嵌入式系统的设计过程2.5 实例分析GPS导航仪小结2022/9/231本讲简要说明目的与要求掌握嵌入式系统的传统设计方法；熟悉嵌入式系统的形式化设计方法；了解嵌入式系统的系统级设计法授课重点嵌入式系统的传统设计方法授课难点无阅读章节：第2.1、2.3、2.4节作业：补充作业2022/9/2322.1 引言嵌入式系统越来越复杂推动着设计方法不断发展随着应用的不断发展，嵌入式系统的设计也越来越复杂，性能要求也越来越高激烈的市场竞争使得产品上市时间的压力越来越大，设计者需考虑的问题也越来越多一种好的设计方法必须能够充分

2、发挥当前的软硬件设计技术的优势目前嵌入式系统的设计方法已经从集成电路发展到集成系统，跨入系统级设计阶段2022/9/2332.2 设计方法学2.2.1 一般设计方法2.2.2 嵌入式系统设计方法的演变2.2.3 嵌入式系统的传统设计方法2.2.4 嵌入式系统的系统级设计方法2022/9/2342.2 设计方法学（续）产品度量上市时间、设计成本、产品质量嵌入式系统越来越复杂监视、控制工作进度确保项目按照预定计划进行利用计算机辅助设计工具缩短开发时间、降低开发成本方便团队成员相互交流需要团体合作，必然需要一套规范2022/9/2352.2.1 一般设计方法定义是指在系统设计期间应遵循的一系列步骤设

3、计模型1、瀑布模型2、螺旋模型3、逐步求精4、分层设计任务分解（子系统）2022/9/2361、瀑布模型2022/9/2372、螺旋模型2022/9/2383、逐步求精2022/9/2394、分层设计2022/9/23102.2.2 嵌入式系统设计方法的演变1、基于EDA(PCB)和ICE的设计方法 2、基于EDA(PLD)和EOS的设计方法 3、系统级设计方法2022/9/23111、基于EDA(PCB)和ICE的设计方法其步骤是先抽象后具体 抽象设计将系统功能细化为若干功能模块再对功能模块进行硬件和软件功能实现的分配 具体设计包括硬件设计和软件设计硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块

4、所需要使用的元器件进行选择和组合PCB软件设计主要包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等ICE 这是过去直至现在我国单片机应用系统设计人员一直沿用的方法2022/9/23122、基于EDA(PLD)和EOS的设计方法硬件设计的进步旧方法：选择和使用标准通用集成电路器件新方法：自己设计和制作部分专用的集成电路器件由各种EDA工具软件提供支持的软件设计的进步旧方法：无操作系统新方法：基于操作系统设计简化多任务、实时、复杂软件设计2022/9/23133、系统级设计方法集成系统（SoC）20世纪90年代后，嵌入式系统设计从“集成电路”级设计转向“集成系统”级设计CPU、I/O接

5、口、存储器、实时操作系统、应用软件集成在一个芯片上全系统优化以IP内核（软核、固核、硬核）库为设计基础从整个系统性能要求出发，把微处理器、模型算法、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能2022/9/23142.2.3 嵌入式系统的传统设计方法2022/9/23152.2.3 嵌入式系统的传统设计方法（续）特点软硬件设计独立进行优点简单易行、分工明确缺点排错困难出现问题互相推诿解决方案无法进行优化设计（降低成本）在满足相关性能指标的情况下，成本最低最优软硬件划分2022/9/23162.2.4 嵌入式

6、系统的系统级设计方法1、软硬件协同设计2、设计重用技术2022/9/23171、软硬件协同设计2022/9/23181、软硬件协同设计（续）主要设计步骤需求分析软硬件协同设计（Co-design）软硬件实现软硬件协同测试（Co-test）软硬件协同验证（Co-verification）2022/9/23191、软硬件协同设计（续）特点软硬件统一描述有限状态机（FSM）统一化的规格语言SystemC、 CSP新的统一描述语言基于图形的表示工具UML协同设计协同测试协同验证2022/9/23201、软硬件协同设计（续）优点软硬件统一描述有利于优化设计重点关注算法，而非实现缺点不成熟，缺乏有效的统一

7、描述工具现有工具实现效率不高有待于高效率的综合工具2022/9/23212、设计重用技术基于IP核的模块级重用IP核的设计和IP核的使用IP核的设计目标是实现即插即用IP核的设计除了需要考虑具体功能之外，还要考虑可重用、可测性及测试的可重用性基于平台的系统级重用基于平台的设计重用是近几年提出的设计重用方法基于IP核设计重用技术的扩展，强调系统级重用要求提供面向特定应用领域的设计模板，设计者通过对设计模板进行适当的修改来构造符合性能要求的SoC系统 2022/9/23222.3 嵌入式系统的形式化设计方法复杂嵌入式系统需要形式化描述传统的嵌入式开发方法已不能满足开发要求，人们开始尝试用一些形式化

8、的开发方法进行开发一种适合于嵌入式系统的形式化开发方法，不仅能缩短嵌入式系统开发的周期，还能减少开发成本，提高系统质量UML就是一种非常有效的描述工具通过UML，设计者可以在每一个不同的抽象层次上逐次加入细节信息，不必重新考虑设计UML共提供了五类图（共9种图形）实现对系统的面向对象描述2022/9/2323亚洲嵌入式系统系统级设计方法选用2022/9/23241、用例图（Use Case diagram）从用户角度描述系统功能并指出各功能的操作者用例图用于需求分析阶段用例图的建立是系统开发者和用户反复讨论的结果，表明了开发者和用户对需求规格达成的共识描述了待开发系统的功能需求将系统看作黑盒，

9、从操作者的角度来理解系统驱动了需求分析之后各阶段的开发工作2022/9/23252、静态图（Static diagram）包括类图、对象图和包图类图描述系统中类的静态结构，定义系统中的类，表示类之间的联系如关联、依赖、聚合等，也包括类的内部结构（类的属性和操作）对象图是类图的实例，几乎使用与类图完全相同的标识包由包或类组成，表示包与包之间的关系，包图用于描述系统的分层结构2022/9/23263、行为图（Behavior diagram）描述系统的动态模型和组成对象间的交互关系，包括状态图和活动图状态图描述类的对象所有可能的状态以及事件发生时状态的转移条件一个状态向另一个状态转换由事件触发活动

10、图描述操作（类的方法）的行为，也可以描述用例和对象内部的工作过程活动图是由状态图变化而来的，各自用于不同的目的活动图依据对象状态的变化来捕获动作与动作的结果2022/9/2327行为描述状态转换2022/9/23284、交互图（Interactive diagram）描述对象间的交互关系，包括顺序图和合作图顺序图用来描述对象之间动态的交互关系，着重体现对象间消息传递的时间顺序合作图用于描述相互合作的对象间的交互关系和链接关系，着重体现交互对象间的静态链接关系一般说来，如果强调时间和顺序，则使用顺序图；如果强调上下级关系，则选择合作图 2022/9/2329行为描述顺序图2022/9/23305

11、、实现图（Implementation diagram）包括构件图和配置图构件图描述代码构件的物理结构及各构件之间的依赖关系一个构件可能是一个资源代码构件、一个二进制构件或一个可执行构件构件图有助于分析和理解部件之间的相互影响程度配置图定义系统中软硬件的物理体系结构显示实际的计算机和设备（用节点表示）以及它们之间的连接关系显示连接的类型及部件之间的依赖性2022/9/2331本讲简要说明目的与要求掌握需求分析、规格说明、体系结构设计；熟悉构件设计、系统调试、测试；了解GPS导航仪实例分析授课重点需求分析、规格说明、体系结构设计授课难点如何划分设计过程阅读章节：第2.2节作业：补充作业2022/

12、9/23322.3 嵌入式系统的设计过程2.3.1 需求分析2.3.2 规格说明2.3.3 体系结构设计2.3.4 软硬件构件设计2.3.5 系统集成2.3.6 系统测试 2022/9/2333嵌入式系统的设计过程2022/9/23342.3.1 需求分析作用从客户那儿收集系统的非形式描述分类功能性需求接口设计：输入输出信号、操作方式非功能性需求性能成本功耗系统的尺寸和重量2022/9/23352.3.2 规格说明作用对需求进行提炼，得到系统的规格说明作为正式设计指导和验收的标准它起到客户和生产者之间的合同的作用2022/9/23362.3.3 体系结构设计作用描述系统如何实现所述的功能和非功

13、能需求，包括对硬件、软件的功能划分以及系统的软硬件选型等体系结构描述说明需要什么样的构件一个好的体系结构是设计成功与否的关键2022/9/23372.3.4 软硬件构件设计作用基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计软件硬件并行设计对于使用现成的硬件模块，大部分工作集中在软件设计上（硬件标准化、模块化、可重用）如果设计硬件模块，大部分工作集中在硬件设计上设计技术模块化设计技术面向对象设计技术组件设计技术2022/9/23382.3.5 系统集成作用把软件、硬件、执行装置和被控对象集成在一起进行调试发现并改进单元设计过程中的错误2022/9/23392.3.6 系统测试作用对设计好的系统进行

14、测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求严格而全面的测试是产品质量保证的坚实基础分类白盒测试黒盒测试灰盒测试第三方测试2022/9/23402022/9/23412.5 实例分析GPS导航仪方案设计1、需求分析用户要求2、规格说明做什么3、体系结构如何做2022/9/23421、需求分析（用户）功能针对高速公路上的开车用户和类似用户系统应展示主要道路和其它陆地标志用户界面LCD：400*600控制按钮不多于三个按下按钮时屏幕弹出菜单，供用户选择性能地图应该平滑滚动，系统应在15秒钟内显示当前地图2022/9/23431、需求分析（用户）成本单个设备零售价不高于20005000元功耗4节5号

15、电池供电，可持续8小时物理尺寸和重量设备应该可以非常舒适地放在手上2022/9/23441、需求分析（表格化）名称GPS导航仪目的为开车者提供用户级移动地图和定位信息输入三个控制按钮输出400*600逆光LCD功能显示当前的位置信息和地图性能屏幕刷新时间0.25s成本1000元功耗100mW物理尺寸与重量不大于8cm*20cm，350g2022/9/23452、规格说明GPS导航仪基本构成接收GPS卫星数据地图数据操作键盘LCD显示器（集成控制器）2022/9/23462、规格说明工作框图2022/9/23472、规格说明工作框图细化2022/9/23482、规格说明类图2022/9/2349

16、2、规格说明合作图2022/9/23502、规格说明顺序图2022/9/23513、体系结构处理器CPU核存储控制器Flash、SDRAMUART、LCD控制器、GPIOGPS接收模块UART接口键盘（键盘控制器）LCDSD/CF卡存储地图数据2022/9/23523、体系结构硬件结构2022/9/23533、体系结构硬件结构键盘控制器去抖动（20ms）按键识别窜键、连续按键处理等可以软件实现存储系统Flash存储程序和数据SDRAM运行程序、中间数据、地图缓存SD/CF卡移动存储，存放地图数据2022/9/23543、体系结构硬件结构GPS接收模块采用美国GARMIN公司的GPS_25接收板

17、体积小、性能优良、价格便宜、易于二次开发数据信息星历信息(卫星状况)、位置信息(经度、纬度、海拔)、时间信息(日期、时间)、速度信息等应用车载导航、智能交通、地理信息系统(GIS) ，提供实时的三维位置信息软件接口协议采用美国的NMEA0183 基于ASCII码的接口协议 2022/9/23553、体系结构硬件结构数据结构GPS接收模块周期性地发出异步串行数据帧以RS232C 为传输标准数据帧由帧头、帧内数据和帧尾组成帧头有几种格式$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC帧头标识了后续帧内数据的组成结构帧尾：回车符和换行符定位数据如经纬度、速度、时间等可以从$GPGGA帧中获取2022/9/23563、体系结构硬件结构$GPGGA帧格式$GPGGA UTC时间hh mm ss格式 经度dd mm mmmm 格式 经度方向（N或S） 纬度dd mm mmmm 格式 纬度方向（E或W） GPS