嵌入式系统第章嵌入式系统设计技术

第6章嵌入式系统设计技术

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

统一建模语言UML设计示例：车载GPS终端系统的设计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。“宿主机/目标机”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）：一台通用的计算机，一般是PC机。它通过串口或网络连接与目标机进行通信。

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。嵌入式系统的组成硬件层硬件层：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。中间层中间层：也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer,HAL）或板极支持包（BoardSupportPackage，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的特点： 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： 1）嵌入式系统的初始化:片级初始化、板级初始化和系统级初始化

2）设计硬件相关的设备驱动。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，留给用户的是一个标准的API函数接口。

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和执行装置。嵌入式系统的设计流程统一建模语言UML概述统一建模语言UML：可视化建模语言，属于第三代面向对象建模语言。它将模型中的信息用标准图形元素直观地表示出来，便于人员交流。特点：1)UML语言简单,易学、易用；2)UML采用可视化的图形描述，比较形象直观；3)可使不同技术背景的开发人员和设计人员很容易的相互交流；4)UML语言是第三代面向对象建模语言的标准，被绝大多数业内人士认同；5)UML采用图形化的设计，将系统的核心部分描述出来，可以供以后系统开发使用；6)有利于项目的回溯和测试。UML组成UML采用图形表示法，它的重要内容是由一些图来定义的。设计人员就是用这些图来描述整个系统的功能和设计。UML包括4部分： （1）视图（View）：UML的视图并不是图形，而是由许多图（Diagram）组成的一个抽象，视图显示表达系统的各个不同方面。 （2）图（Diagram）：描述UML视图内容的图形。UML共有9种不同类型的图，通过它们的相互组合来表示出被建模系统的所有的视图。 （3）模型元素（ModelElement）：UML图中使用的概念就是模型元素。模型元素代表普通的面向对象的概念，例如类、对象、消息以及这些概念之间的关系。 （4）通用机制（GeneralMechanism）：UML提供的通用机制为模型元素提供一些附加的信息、注释、语义。这些通用机制也提供扩展机制，允许用户对UML进行扩展，以便适应一个特定的方法/过程、组织或用户。

UML中的视图

5种视图：（1）用例视图（UseCaseView）：描述系统应该交付的功能，是外部参与者（Actor）观察到的系统功能。用例视图利用用例图、活动图进行描述。一个用例就是对系统的一个功能的通用描述。用例视图是核心。系统的最终目标，系统提供的功能在用例视图中被描述。用例视图会对所有其他的视图产生影响。（2）逻辑视图（LogicalView）：从系统的静态结构和动态行为角度显示如何实现系统的功能，描述如何实现用例视图中提出的那些系统功能，逻辑视图注重的是系统的内部。（3）组件视图（ComponentView）：显示代码组件的组织结构，描述模块以及它们之间的依赖关系。组件是不同类型的代码模块，通过代码模块的结构和依赖关系来表示。（4）并发视图（ConcurrencyView）：显示系统的并发性，解决并发系统中存在的通信和同步问题。主要考虑资源的有效利用、代码的并行执行以及系统环境中异步事件的处理。（5）部署视图（DeploymentView）：显示系统的具体部署，将系统部署到有计算机和设备（称之为Node）组成的物理结构上。UML中的图1

9种图：用例图、类图、对象图、状态图、顺序图、协作图、活动图、组件图和部署图。（1）用例图（UseCaseDiagram）显示多个外部参与者（Actor）以及它们与系统提供的用例之间的连接，定义系统的功能需求。

一个用例是对系统提供的某个功能的描述，用例只是描述系统活动者从外部观察系统所得到的那些功能，并不描述这些功能在系统内部是如何实现的。一个评分系统的用例图：UML中的图2（2）类图（ClassDiagram）显示系统中各个类的静态结构。类图是静态图。类代表系统内处理的事务，这些类可以多种方式连接：关联、依赖、特殊化或者打包。一个类的内部结构使用该类的属性和操作表示。一个系统一般有几个类图，并不是所有的类都放在一个类图中，一个类可以参与到多个类图中去。评分系统的类图：UML中的图3（3）对象图（ObjectDiagram）类图的一个实体。对象图中，对象名带下划线。与类图的区别：对象图显示的不是实际的类，而是类的多个对象的实例。因此，对象图就是类图的一个例子，显示系统执行时的一个可能的快照。UM惨L中的两图4（4）状宝态图弓（St绿at拆e煮Di洗ag座ra歇m）显示程类的乖对象可能古具备俱的所有旋状态，以困及那养些引肾起状料态改赌变的裁事件众。状陶态图领是对末类的跨描述怨的补阀充。对象狐的一拼个事柱件可港以是识另一茧个对势象向帜其发色送的北消息躬，例然如到孟了某备个指用定的崖时刻樱，或阅者已劣经满恭足了赏某个婆条件蚁。状态竞的变毅化称肿之为转换，一石个转掀换也划可以馆有一匙个与吃之相堵连的托动作泳，后宰者用羡以指鹅定完疼成该售状态根转换瓜应该挣执行烟的操武作。UM企L中的亡图5（5）顺躺序图明（Se头qu菜en商ce常D薄ia缸gr美am）显示稳多个诞对象驱之间势的动侨态协弦作。重点京是显秩示对萍象之旱间发单送消绢息的时间望顺序。由多放个用车垂直捧线显驻示的铃对象叫组成鸣，图隙中时牧间从斗上到箩下推更移，奶并且抗顺序碎图显讯示对奏象之卫间随漆着时捷间的盖推移吩而交诵换的戒消息绕或函伙数。消息搜用带述消息燃箭头纵的直怨线表括示，薪位于棉垂直给对象纺线之职间。UM睬L中的膛图6（6）协螺作图答（Co约ll买ab罪or晨at拳io视n姜Di用ag凑ra柏m）显示千动态分协作算。选择烤顺序昌图还脑是协绑作图纱的决救定条盈件：（1）重拨点强纱调上下雁文，选润择协孙作图辫。（2）重买点强也调时间冻或顺布序，选热择顺短序图裙。UM贴L中的忌图7（7）活筝动图斥（Ac嚷ti泊vi落ty地D吴ia化gr麻am）显示做一系嚼列顺询序的里活动将，主宅要描虹述在茂一个异操作舌内执趣行的涉那些纺活动洗。由多匪个动北作状党态组测成，杜这些刮动作比状态斗包含乘将被抖执行黎的活壤动（评一个解动作荒）的欧规格衔说明龙。当动叠作完焰成后犁，动裙作状闻态将饶会改期变，剑转换宴为一解个新异的状不态，屈从而稻控制区就在葵这些各互相嘴连接异的动隆作状缴态之柔间流验动。UM些L中的寄图8（8）组订件图玩（Co吐mp询on经en火t跃Di穷ag韵ra钱m）用代战码组够件显调示代敞码物症理结恒构。组件掌可以卷是二则进制砌组件纱、源枯代码牛组件晶或一历个可仍执行淹的组绳件。根据解组件清图中港显示剧的那痕些组藏件之辱间的破相互遗依赖迁关系医，可仰以很鹿容易程地分呼析出疏其中胜某个粗组件非的变款化将纵会对赛其他贤组件兼产生迁什么符样的甘影响日。UM边L中的额图9（9）部漫署图炎（De梳pl葵oy角me丸nt坡D计ia收gr纹am）显示贤系统律中的硬件怒和软缺件的挡物理序结构。可以接显示氏实际究的计村算机拼和设偷备（违或者No违de），停它们亲之间趴必要剖的连虚接、事连接魔的类芬型。也可别以显怖示组镰件之挑间的但依赖误关系删。UM读L中的茶模型箩元素模型烛元素邪：在UM接L各种关图中活使用苗的概利念。一个罢模型哨元素蚀是用付语义篇、该议元素司的正惰式定淡义或砖者用茎一条锁明确割的语怕句中盗该元孩素所茅代表殃的准唉确意膝义来谷定义士的。一个雾模型拘元素唤也有机一个侵与之励相对施应的絮视图四元素招，这铅些视身图元勉素是扁模型薪元素头的图攀形表肾示或祖者在UM们L图中摄表示修元素暑的图想形符甲号。常用限的模剂型元径素：浴类、颤对象诱、状蚊态、特节点绩、包怜和组踪蝶件等花。模型遍元素蛙对应拢的视蚁图元将素模型兔元素锈中的顾关系关系惊：模型科元素准之间馒的相碌互连小接。UM孕L中定荒义的而关系蹈：（1）泛化（Ge处ne粮ra缺li舍za镜ti推on）：于一个泉元素榜是另刘一个磁元素行的特柏化，骗也称凉为继贿承关比系。（2）关联（As已so顾ci警at翅io淋n）：益类实蹦例之环间连荐接的铲描述通。（3）聚合（Ag鄙gr畜eg辣at码io功n）：已一种乳关联亿的形默式，的一个渴元素丧包含浪其他捉一些且元素崭。（4）依赖（De滑pe颠nd摄en挠cy）：埋两模依型之启间的竹关系沈，显秩示一得个元丛素在闷某种域程度告上依钥赖于猎另一脏元素粮。UM牢L中的迅通用豪机制UM聚L在所便有的盏图形屋中都氧使用戒一些渴通用断机制滚来描煤述图另的附泄加信鸭息。通用沾机制胜包括三个苦方面挣的内床容：修饰还、注色解、湾规格脑说明堵。UM忽L提供顿的这洗些视份图和露图为棵系统工的分禽析、我设计亲、建村模提展供了垒多种步图形育表达似形式块，可吸应用葱于开天发的通不同肤阶段野，它习们的筛有机鞠结合默可以长构建立一个垂完整杯而一绵致的逃系统此。下面混针对肺车载GP耽S终端蛛说明UM富L在嵌竿入式令系统破设计叫中的歪具体律应用铸。车载GP抖S终端长系统贼简介GP逃S：全球钉定位熄系统安（Gl肆ob屡al去P钉os稠it摊io彼n礼Sy百st驻em船）。车载GP勺S终端冈：置于急机动灵车内祝的实吵时定嘴位装字置。应用芦对象味：需要骨定位受、调镜度的渴车队邮。车辆躬可以砖通过右终端目和GP短S卫星盆进行丸实时等、准朽确的欺定位皂，并许能够排通过含无线速通讯及网络间上报钱远程季的车筒辆控答制中同心系寒统。车载GP掩S终端需求孔分析可以伏使用道用例僵图进债行功续能上障的需址求分肌析。用例榴图分绿角色泼（Ac奖to把r）和散案例肃（Ca低se）两喂部分云。角色驼：与系酬统交栋互的屈人或权物。车载GP扫S终端驴角色轮：车辆稍调度谢中心犯用户拔和车景载终税端用刑户。案例渣：系统讲提供梯的功衔能块音。使用屠用例棒图观文察系森统能嚷够将门系统钱实现拿与系价统目偶标分身开，艇有助柴于开光发人且员了返解最遇重要坝的部菊分，恒满足削用户志需求虎，而毙不只聪是着秒眼于元实现排的具黎体细污节。车载GP隶S终端规格疑说明1规格漆说明怖要求凯比需执求分篇析更句加详柳细，饭通过UM编L设计斩可以朝使规耻格说芽明更讯直观脾、更暮清晰毛。（1）使着用类棉图描膏述系栽统所舍要处坟理的毒数据卸结构书。例如倘在车肥载GP鱼S终端蛋的规抽格说盛明设赖计时令可以舅使用嚷类图钱描述裁需要夫接收做的GP在S卫星灯信号臣。车载GP蔑S终端规格悟说明2（2）在救规格差说明炎阶段贺，还经需要妨识别名出系寨统的庄对象垦。首先眼以功早能块盏划分棋，广划泛地服找出兴系统威的主店要对遮象；然后洋使用妨协作莫图描携述它望们之尝间的浅关系恶。下图先描述日了车品载GP特S终端友的主京要对仓象，者根据棉框图氏可以编进行猛进一倍步的胖细化蜡。车载GP路S终端规格供说明3（3）在荡规格耽说明兄阶段丘还需窄要进坡行系召统的符业务渠描述违，即而规范碌系统枪完成捎一定胳功能桶的主惰要流睛程。可以滋利用滔活动害图进帖行描添述。下图觉显示宽了当GP叹S数据坚到达扔时，绘车载GP将S终端斗系统战所进银行的录处理拖流程昨。车载GP器S终端系统渡体系竞结构规格自说明勒完成成后，励需要熊对系煎统的栏各个洗模块冠及模个块之肃间的土关系厚仔细棍地分语析，源从而仇确定折哪些盾部分蛾使用纠硬件钱完成糕，哪傅些部蔽分使会用软底件实捞现。在本照例中袭，需拔要硬件晌实现池的模勺块：电源窃模块辱、GP虹S接收厌模块倡、LC纵D显示抛模块则、用休户控领制模多块和GS悦M通信请模块锻。所有朝的控倍制逻冈辑和话数据冤计算膀全部矛由主财控制垦器模势块的躁软件借实现泳。系统气设计证分为两个计部分标：硬件胃设计预和软评件设兔计。使用UM鱼L的协遵作图做和组跃件图岗对系持统的厨硬、晋软件寸分别烘进行豪系统冻设计台。车载GP切S终端窝软件付系统临架构车载GP钱S终端娃构件恒设计1对于协某些亩工程缘瑞，甚涝至需谱要把性每一架个构哥件作被为一律个项捡目，辫重新骂以需巾求分殿析、旁规格芬说明勤开始单展开性构件鞠设计昼循环旧。在构荷件设她计中心，使芦用状栏态图膊和顺延序图灰描述微具体毅的系唐统流快程细穷节。本例怒中，GS择M模块撒共有4个状渐态：通话插当中毙、有若问题娇、待思命、督短消控息通鲜信中与。其状态伍图如下尖图：车载GP荒S终端旨构件加设计2顺序维图从时依间顺愁序上膛显示剥了一罗个特签定对快象进勇行特呢定操垫作时摸所遇活到的祖流程狐。下图锄显示尸了车品载终荷端用室户在藏遇到什特殊疲情况裙下通姐过车轰载电役话或掩按键趋与调倍度中惹心保和持通遥信的绒系统贪的处山理过耻程。车载GP薄S终端认系统讯集成滴与测锋试系统缺集成张测试着时，