嵌入式系统设计与开发过程

嵌入式系统原理与设计

嵌入式系统设计与开发过程嵌入式系统设计具有其自身的特点：面向特定应用硬件和软件必须高效设计，保持竞争力需要交叉开发环境嵌入式系统程序需要固化嵌入式系统软件开发难度较大需要强大的硬件开发工具和软件包的支持，需要设计者从速度、功能和本钱综合考虑下一页“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〕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。“宿主机/目标机〞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。最后，目标机在特定的环境下运行。返回嵌入式系统的设计流程需求分析阶段

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，确定设计任务和设计目标。功能性需求：是系统的根本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能性需求：包括系统性能、本钱、功耗、体积、重量等因素。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。需求分析阶段名称目的输入输出功能性能生产成本功耗物理尺寸和重量需求分析表格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。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那么。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。体系结构设计硬件平台的选择处理器的选择软件平台的选择操作系统的选择编程语言的选择集成开发环境考虑的因素硬件调试工具的选择软件组件的选择处理器的选择IntelXscale，ARM指令集IntelAtom，X86指令集龙芯，MIPS指令集处理器选择考虑因素处理器性能处理器技术指标功耗软件支持工具处理器是否内置调试工具供给商是否提供评估板操作系统的选择考虑以下几个方面：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是否提供硬件的驱动程序是否具有可裁剪性操作系统的实时功能编程语言的选择考虑因素：通用性可移植性程度执行效率可维护性汇编语言C/C++JavaME选哪个好呢？集成开发环境考虑的因素系统调试器的功能支持库函数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硬件调试工具的选择常用的硬件调试工具实时在线仿真器(ICE，In-CircuitEmulator)驻留监控软件ROM仿真器JTAG仿真器设计硬件构件和软件构件构件通常包括硬件〔电路板，现场可编程门阵列等等〕和软件模块构件的设计应与体系结构和规格说明保持一致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硬件设计制作硬件概要设计硬件详细设计硬件制作硬件测试功能模块图设计逻辑电路图设计PCB设计与制作PCB测试硬件开发过程电路设计：设计各模块〔详细设计时有定义〕的电路图PCB设计：PCB〔PrintCircuitBoard)布线，需要CAD软件PCB生产器件焊接调试调试时就需要软件人员的参与，往往在电路板没做好之前就需要考虑测试的问题，并编写相关测试程序硬件设计工具〔EDA工具〕系统级设计工具Cadence的SPWSystemView模拟电路系统仿真工具PspiceEWBPCB设计工具ProtelPADs的PowerPCB&ToolKitMentor的Expedition&ToolKit可编程逻辑器件设计工具MentorFPGAAdvantage&ModelSimXilinxFoundationISE&ToolKit各种综合和仿真第三方工具软件设计实现软件概要设计软件详细设计软件实现软件测试软件开发过程建立开发环境编写程序代码交叉编译和连接，生成可执行目标代码下载测试，编译连接后产生目标板的image文件，可以下载到目标上运行连机调试〔联调〕系统集成和测试在系统的硬件构件和软件构件建立起来后，将硬件构件、软件构件和执行装置集成在一起才能得到一个可以运行的系统。分阶段架构整个系统并且正确运行事先选择好的测试程序。嵌入式系统集成过程中使用的调试工具很有限，常用的调试工具在前面已经介绍过。系统集成和测试硬件测试：包括功能测试、性能测试、可靠性/稳定性测试、环境适应性测试、电磁兼容性测试等。硬件测试有一些相关标准，如商用设备有3C认证，工业设备有工业标准，军用设备也有相关军标要求。嵌入式系统的软件测试与通用软件的测试相似，分为单元测试和系统的集成测试。常用有黑盒测试和白盒测试两种测试方法。黑盒测试—功能测试白盒测试—结构测试嵌入式软件测试方法嵌入式软件测试也可叫做交叉测试，具体的软件测试过程如图实例分析—多路语音记录器工程需求分析独立的嵌入式设备，上电后自行工作支持多路语音同时采集、编码、存储、传输语音通道数量在4、8、12、16、20、24、28、32路可配置支持一路语音回放语音编码支持G.711〔64kbps〕、G.726(16/40kbps)、〔6.3/5.3kbps〕支持以太网接口，支持TCP/IP协议支持USB接口支持2个RS-232串口每个通道可识别DTMF信号支持本地参数的配置概要设计〔原理、可行性〕根据需求制定系统功能框图系统可分为两局部：嵌入式计算机小系统局部和语音处理局部语音编、解码由硬件〔DSP〕完成嵌入式计算机局部有多种选择语音编码/解码及语音A/D、D/A有多种成熟的方案技术可行需要嵌入式操作系统系统实时性要求CPURAMFLASH硬盘网络A/DA/DA/DA/D编码编码编码编码RS232USBLCDD/A解码概要设计〔硬/软件选型〕处理器选择——ARM，在多个ARM处理器中选择Samsung的S3C2410选择嵌入式Linux操作系统，免费、开源、支持丰富选择对应开发板，考虑硬件接口、操作系统支持、板级支持包〔BSP〕、后续技术支持等因素选择AC48304实现数字语音的编码〔压缩〕和解码〔解压缩〕，AC48304有配套的语音A/D、D/A，即LE58QL021其它电路局部〔网络、IDE接口等〕采用开发板的设计概要设计〔开发板〕概要设计〔语音编/解码DSP〕概要设计〔操作系统选择〕

嵌入式Linux操作系统以免费、功能强大而又易于移植而正在被广泛采用，采用Linux详细设计〔硬件〕为了便于开发、控制本钱、便于扩展，硬件上做模块化设计。分为CPU核心板、主板、语音扩展板三个局部因为采用厂家标准的总线，核心板可以作为标准件到相应厂家采购，所以在研发和小批量生产时完全可以购置核心板使用，有一定批量时再自己生产这一局部，这给工程工作带来一些便利为了适应不同用户的需求，使语音通道数量可灵活配置，设计语音扩展板，在需要更多语音通道时，增加一块扩展板即可详细设计〔CPU核心板〕ARM处理器SDRAMFLASH接口总线〔插头〕CPU核心板详细设计〔主控板〕PCMHIGHWAYCPU核心板〔插座〕网络控制器隔离变压器RJ-45USB从口CODECCODECCODECCODECDSP1DSP2DSP3DSP4语音输入〔1~16〕及通用I/O扬声器RS232RS232语音扩展板插座收发器收发器电源5V-3.3VIDELCD详细设计〔扩展板〕CODECCODECCODECCODECDSP1DSP2DSP3DSP4语音输入〔1~16〕及通用I/O扩展插头概要设计〔系统启动流程〕ppcboot上电Kernel、filesystem解压驱动模块加载主程序概要设计〔主程序功能〕系统配置通过串口终端对系统进行配置，配置表存储在EEPROM中语音编码数据读取通过hpi总线读取编码语音数据，如果需要回放的话，也要通过hpi总线实现语音数据的回放编码数据打包上传有两种方式：USB和NET，USB采用USB1.1接口，NET采用UDP协议传递语音和命令数据命令处理包括选路命令、回放命令、校时命令〔双向校时〕、数字增益调节命令、模拟增益调节命令、配置表传输命令〔上传和下载配置表两种〕概要设计〔主程序流程〕开始读取配置表配置表存在？等待3秒检测到’Y’键？根据