嵌入式系統(tǒng)講義202

1、主要內(nèi)容2.1 引言2.2 設(shè)計(jì)方法學(xué)2.3 嵌入式系統(tǒng)的形式化設(shè)計(jì)方法2.4 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程2.5 實(shí)例分析GPS導(dǎo)航儀小結(jié)2022/9/231本講簡(jiǎn)要說明目的與要求掌握嵌入式系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；熟悉嵌入式系統(tǒng)的形式化設(shè)計(jì)方法；了解嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)法授課重點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法授課難點(diǎn)無閱讀章節(jié)：第2.1、2.3、2.4節(jié)作業(yè)：補(bǔ)充作業(yè)2022/9/2322.1 引言嵌入式系統(tǒng)越來越復(fù)雜推動(dòng)著設(shè)計(jì)方法不斷發(fā)展隨著應(yīng)用的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜，性能要求也越來越高激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使得產(chǎn)品上市時(shí)間的壓力越來越大，設(shè)計(jì)者需考慮的問題也越來越多一種好的設(shè)計(jì)方法必須能夠充分

2、發(fā)揮當(dāng)前的軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)目前嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)從集成電路發(fā)展到集成系統(tǒng)，跨入系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)階段2022/9/2332.2 設(shè)計(jì)方法學(xué)2.2.1 一般設(shè)計(jì)方法2.2.2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的演變2.2.3 嵌入式系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法2.2.4 嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法2022/9/2342.2 設(shè)計(jì)方法學(xué)（續(xù)）產(chǎn)品度量上市時(shí)間、設(shè)計(jì)成本、產(chǎn)品質(zhì)量嵌入式系統(tǒng)越來越復(fù)雜監(jiān)視、控制工作進(jìn)度確保項(xiàng)目按照預(yù)定計(jì)劃進(jìn)行利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具縮短開發(fā)時(shí)間、降低開發(fā)成本方便團(tuán)隊(duì)成員相互交流需要團(tuán)體合作，必然需要一套規(guī)范2022/9/2352.2.1 一般設(shè)計(jì)方法定義是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間應(yīng)遵循的一系列步驟設(shè)

3、計(jì)模型1、瀑布模型2、螺旋模型3、逐步求精4、分層設(shè)計(jì)任務(wù)分解（子系統(tǒng)）2022/9/2361、瀑布模型2022/9/2372、螺旋模型2022/9/2383、逐步求精2022/9/2394、分層設(shè)計(jì)2022/9/23102.2.2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的演變1、基于EDA(PCB)和ICE的設(shè)計(jì)方法 2、基于EDA(PLD)和EOS的設(shè)計(jì)方法 3、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法2022/9/23111、基于EDA(PCB)和ICE的設(shè)計(jì)方法其步驟是先抽象后具體 抽象設(shè)計(jì)將系統(tǒng)功能細(xì)化為若干功能模塊再對(duì)功能模塊進(jìn)行硬件和軟件功能實(shí)現(xiàn)的分配 具體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)性能參數(shù)要求對(duì)各功能模塊

4、所需要使用的元器件進(jìn)行選擇和組合PCB軟件設(shè)計(jì)主要包括任務(wù)分析、資源分配、模塊劃分、流程設(shè)計(jì)和細(xì)化、編碼調(diào)試等ICE 這是過去直至現(xiàn)在我國單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直沿用的方法2022/9/23122、基于EDA(PLD)和EOS的設(shè)計(jì)方法硬件設(shè)計(jì)的進(jìn)步舊方法：選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路器件新方法：自己設(shè)計(jì)和制作部分專用的集成電路器件由各種EDA工具軟件提供支持的軟件設(shè)計(jì)的進(jìn)步舊方法：無操作系統(tǒng)新方法：基于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化多任務(wù)、實(shí)時(shí)、復(fù)雜軟件設(shè)計(jì)2022/9/23133、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法集成系統(tǒng)（SoC）20世紀(jì)90年代后，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)從“集成電路”級(jí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級(jí)設(shè)計(jì)CPU、I/O接

5、口、存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件集成在一個(gè)芯片上全系統(tǒng)優(yōu)化以IP內(nèi)核（軟核、固核、硬核）庫為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)從整個(gè)系統(tǒng)性能要求出發(fā)，把微處理器、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、外圍器件各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來通過建立在全新理念上的系統(tǒng)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能2022/9/23142.2.3 嵌入式系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法2022/9/23152.2.3 嵌入式系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（續(xù)）特點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單易行、分工明確缺點(diǎn)排錯(cuò)困難出現(xiàn)問題互相推諉解決方案無法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（降低成本）在滿足相關(guān)性能指標(biāo)的情況下，成本最低最優(yōu)軟硬件劃分2022/9/23162.2.4 嵌入式

6、系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法1、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)重用技術(shù)2022/9/23171、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)2022/9/23181、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)（續(xù)）主要設(shè)計(jì)步驟需求分析軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)（Co-design）軟硬件實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同測(cè)試（Co-test）軟硬件協(xié)同驗(yàn)證（Co-verification）2022/9/23191、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)（續(xù)）特點(diǎn)軟硬件統(tǒng)一描述有限狀態(tài)機(jī)（FSM）統(tǒng)一化的規(guī)格語言SystemC、 CSP新的統(tǒng)一描述語言基于圖形的表示工具UML協(xié)同設(shè)計(jì)協(xié)同測(cè)試協(xié)同驗(yàn)證2022/9/23201、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)（續(xù)）優(yōu)點(diǎn)軟硬件統(tǒng)一描述有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注算法，而非實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)不成熟，缺乏有效的統(tǒng)一

7、描述工具現(xiàn)有工具實(shí)現(xiàn)效率不高有待于高效率的綜合工具2022/9/23212、設(shè)計(jì)重用技術(shù)基于IP核的模塊級(jí)重用IP核的設(shè)計(jì)和IP核的使用IP核的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)即插即用IP核的設(shè)計(jì)除了需要考慮具體功能之外，還要考慮可重用、可測(cè)性及測(cè)試的可重用性基于平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)重用基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)重用是近幾年提出的設(shè)計(jì)重用方法基于IP核設(shè)計(jì)重用技術(shù)的擴(kuò)展，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)級(jí)重用要求提供面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)模板，設(shè)計(jì)者通過對(duì)設(shè)計(jì)模板進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷膩順?gòu)造符合性能要求的SoC系統(tǒng) 2022/9/23222.3 嵌入式系統(tǒng)的形式化設(shè)計(jì)方法復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)需要形式化描述傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)方法已不能滿足開發(fā)要求，人們開始嘗試用一些形式化

8、的開發(fā)方法進(jìn)行開發(fā)一種適合于嵌入式系統(tǒng)的形式化開發(fā)方法，不僅能縮短嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的周期，還能減少開發(fā)成本，提高系統(tǒng)質(zhì)量UML就是一種非常有效的描述工具通過UML，設(shè)計(jì)者可以在每一個(gè)不同的抽象層次上逐次加入細(xì)節(jié)信息，不必重新考慮設(shè)計(jì)UML共提供了五類圖（共9種圖形）實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的面向?qū)ο竺枋?022/9/2323亞洲嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法選用2022/9/23241、用例圖（Use Case diagram）從用戶角度描述系統(tǒng)功能并指出各功能的操作者用例圖用于需求分析階段用例圖的建立是系統(tǒng)開發(fā)者和用戶反復(fù)討論的結(jié)果，表明了開發(fā)者和用戶對(duì)需求規(guī)格達(dá)成的共識(shí)描述了待開發(fā)系統(tǒng)的功能需求將系統(tǒng)看作黑盒，

9、從操作者的角度來理解系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)了需求分析之后各階段的開發(fā)工作2022/9/23252、靜態(tài)圖（Static diagram）包括類圖、對(duì)象圖和包圖類圖描述系統(tǒng)中類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，定義系統(tǒng)中的類，表示類之間的聯(lián)系如關(guān)聯(lián)、依賴、聚合等，也包括類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（類的屬性和操作）對(duì)象圖是類圖的實(shí)例，幾乎使用與類圖完全相同的標(biāo)識(shí)包由包或類組成，表示包與包之間的關(guān)系，包圖用于描述系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)2022/9/23263、行為圖（Behavior diagram）描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型和組成對(duì)象間的交互關(guān)系，包括狀態(tài)圖和活動(dòng)圖狀態(tài)圖描述類的對(duì)象所有可能的狀態(tài)以及事件發(fā)生時(shí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換由事件觸發(fā)活動(dòng)

10、圖描述操作（類的方法）的行為，也可以描述用例和對(duì)象內(nèi)部的工作過程活動(dòng)圖是由狀態(tài)圖變化而來的，各自用于不同的目的活動(dòng)圖依據(jù)對(duì)象狀態(tài)的變化來捕獲動(dòng)作與動(dòng)作的結(jié)果2022/9/2327行為描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換2022/9/23284、交互圖（Interactive diagram）描述對(duì)象間的交互關(guān)系，包括順序圖和合作圖順序圖用來描述對(duì)象之間動(dòng)態(tài)的交互關(guān)系，著重體現(xiàn)對(duì)象間消息傳遞的時(shí)間順序合作圖用于描述相互合作的對(duì)象間的交互關(guān)系和鏈接關(guān)系，著重體現(xiàn)交互對(duì)象間的靜態(tài)鏈接關(guān)系一般說來，如果強(qiáng)調(diào)時(shí)間和順序，則使用順序圖；如果強(qiáng)調(diào)上下級(jí)關(guān)系，則選擇合作圖 2022/9/2329行為描述順序圖2022/9/23305

11、、實(shí)現(xiàn)圖（Implementation diagram）包括構(gòu)件圖和配置圖構(gòu)件圖描述代碼構(gòu)件的物理結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件之間的依賴關(guān)系一個(gè)構(gòu)件可能是一個(gè)資源代碼構(gòu)件、一個(gè)二進(jìn)制構(gòu)件或一個(gè)可執(zhí)行構(gòu)件構(gòu)件圖有助于分析和理解部件之間的相互影響程度配置圖定義系統(tǒng)中軟硬件的物理體系結(jié)構(gòu)顯示實(shí)際的計(jì)算機(jī)和設(shè)備（用節(jié)點(diǎn)表示）以及它們之間的連接關(guān)系顯示連接的類型及部件之間的依賴性2022/9/2331本講簡(jiǎn)要說明目的與要求掌握需求分析、規(guī)格說明、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；熟悉構(gòu)件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、測(cè)試；了解GPS導(dǎo)航儀實(shí)例分析授課重點(diǎn)需求分析、規(guī)格說明、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)授課難點(diǎn)如何劃分設(shè)計(jì)過程閱讀章節(jié)：第2.2節(jié)作業(yè)：補(bǔ)充作業(yè)2022/

12、9/23322.3 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程2.3.1 需求分析2.3.2 規(guī)格說明2.3.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.4 軟硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)2.3.5 系統(tǒng)集成2.3.6 系統(tǒng)測(cè)試 2022/9/2333嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程2022/9/23342.3.1 需求分析作用從客戶那兒收集系統(tǒng)的非形式描述分類功能性需求接口設(shè)計(jì)：輸入輸出信號(hào)、操作方式非功能性需求性能成本功耗系統(tǒng)的尺寸和重量2022/9/23352.3.2 規(guī)格說明作用對(duì)需求進(jìn)行提煉，得到系統(tǒng)的規(guī)格說明作為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)它起到客戶和生產(chǎn)者之間的合同的作用2022/9/23362.3.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作用描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功

13、能需求，包括對(duì)硬件、軟件的功能劃分以及系統(tǒng)的軟硬件選型等體系結(jié)構(gòu)描述說明需要什么樣的構(gòu)件一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵2022/9/23372.3.4 軟硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)作用基于體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件硬件并行設(shè)計(jì)對(duì)于使用現(xiàn)成的硬件模塊，大部分工作集中在軟件設(shè)計(jì)上（硬件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可重用）如果設(shè)計(jì)硬件模塊，大部分工作集中在硬件設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)技術(shù)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)技術(shù)組件設(shè)計(jì)技術(shù)2022/9/23382.3.5 系統(tǒng)集成作用把軟件、硬件、執(zhí)行裝置和被控對(duì)象集成在一起進(jìn)行調(diào)試發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤2022/9/23392.3.6 系統(tǒng)測(cè)試作用對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行

14、測(cè)試，看其是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求嚴(yán)格而全面的測(cè)試是產(chǎn)品質(zhì)量保證的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)分類白盒測(cè)試黒盒測(cè)試灰盒測(cè)試第三方測(cè)試2022/9/23402022/9/23412.5 實(shí)例分析GPS導(dǎo)航儀方案設(shè)計(jì)1、需求分析用戶要求2、規(guī)格說明做什么3、體系結(jié)構(gòu)如何做2022/9/23421、需求分析（用戶）功能針對(duì)高速公路上的開車用戶和類似用戶系統(tǒng)應(yīng)展示主要道路和其它陸地標(biāo)志用戶界面LCD：400*600控制按鈕不多于三個(gè)按下按鈕時(shí)屏幕彈出菜單，供用戶選擇性能地圖應(yīng)該平滑滾動(dòng)，系統(tǒng)應(yīng)在15秒鐘內(nèi)顯示當(dāng)前地圖2022/9/23431、需求分析（用戶）成本單個(gè)設(shè)備零售價(jià)不高于20005000元功耗4節(jié)5號(hào)

15、電池供電，可持續(xù)8小時(shí)物理尺寸和重量設(shè)備應(yīng)該可以非常舒適地放在手上2022/9/23441、需求分析（表格化）名稱GPS導(dǎo)航儀目的為開車者提供用戶級(jí)移動(dòng)地圖和定位信息輸入三個(gè)控制按鈕輸出400*600逆光LCD功能顯示當(dāng)前的位置信息和地圖性能屏幕刷新時(shí)間0.25s成本1000元功耗100mW物理尺寸與重量不大于8cm*20cm，350g2022/9/23452、規(guī)格說明GPS導(dǎo)航儀基本構(gòu)成接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)地圖數(shù)據(jù)操作鍵盤LCD顯示器（集成控制器）2022/9/23462、規(guī)格說明工作框圖2022/9/23472、規(guī)格說明工作框圖細(xì)化2022/9/23482、規(guī)格說明類圖2022/9/2349

16、2、規(guī)格說明合作圖2022/9/23502、規(guī)格說明順序圖2022/9/23513、體系結(jié)構(gòu)處理器CPU核存儲(chǔ)控制器Flash、SDRAMUART、LCD控制器、GPIOGPS接收模塊UART接口鍵盤（鍵盤控制器）LCDSD/CF卡存儲(chǔ)地圖數(shù)據(jù)2022/9/23523、體系結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)2022/9/23533、體系結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)鍵盤控制器去抖動(dòng)（20ms）按鍵識(shí)別竄鍵、連續(xù)按鍵處理等可以軟件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)Flash存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)SDRAM運(yùn)行程序、中間數(shù)據(jù)、地圖緩存SD/CF卡移動(dòng)存儲(chǔ)，存放地圖數(shù)據(jù)2022/9/23543、體系結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)GPS接收模塊采用美國GARMIN公司的GPS_25接收板

17、體積小、性能優(yōu)良、價(jià)格便宜、易于二次開發(fā)數(shù)據(jù)信息星歷信息(衛(wèi)星狀況)、位置信息(經(jīng)度、緯度、海拔)、時(shí)間信息(日期、時(shí)間)、速度信息等應(yīng)用車載導(dǎo)航、智能交通、地理信息系統(tǒng)(GIS) ，提供實(shí)時(shí)的三維位置信息軟件接口協(xié)議采用美國的NMEA0183 基于ASCII碼的接口協(xié)議 2022/9/23553、體系結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GPS接收模塊周期性地發(fā)出異步串行數(shù)據(jù)幀以RS232C 為傳輸標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀由幀頭、幀內(nèi)數(shù)據(jù)和幀尾組成幀頭有幾種格式$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC幀頭標(biāo)識(shí)了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)幀尾：回車符和換行符定位數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等可以從$GPGGA幀中獲取2022/9/23563、體系結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)$GPGGA幀格式$GPGGA UTC時(shí)間hh mm ss格式 經(jīng)度dd mm mmmm 格式 經(jīng)度方向（N或S） 緯度dd mm mmmm 格式 緯度方向（E或W） GPS