嵌入式系统设计技术.ppt

1 第6章嵌入式系统设计技术 本章主要内容 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 2 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 3 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 4 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 5 嵌入式系统的组成 6 硬件层 硬件层是由嵌入式微处理器 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 mp3随声听的硬件组成 7 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具有以下两个特点 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 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设计硬件相关的设备驱动 8 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 9 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 10 嵌入式系统的设计流程 11 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 功能性需求 是系统的基本功能 如输入输出信号 操作方式等 非功能性需求 包括系统性能 成本 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 12 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 因此 规格说明必须足够的清晰和明白 通过验证规格说明检查它是否符合系统需求并且完全满足客户的期望和要求 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则 13 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 通常硬件和软件的选择包括 处理器 硬件部件 操作系统 编程语言 软件开发工具 硬件调试工具 软件组件等 其中 通常 处理器是最重要的 同时操作系统和编程语言也是非常关键的 处理器的选择往往同时会限制操作系统的选择 操作系统的选择又会限制开发工具的选择 14 硬件平台的选择 处理器选择要考虑的主要因素有 处理器的性能 处理器的技术指标 功耗 软件支持工具 处理器是否内置调试工具 供应商是否提供评估板 其它因素 生产规模 开发市场的目标 软件对硬件的依赖性 15 软件平台的选择 1 操作系统的选择需要考虑到以下几个方面 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 操作系统是否提供硬件的驱动程序 如网卡驱动程序等 操作系统的是否具有可剪裁性 操作系统的实时性能 16 软件平台的选择 2 编程语言的选择主要考虑以下因素 通用性 可移植性程度 执行效率 可维护性 17 软件平台的选择 3 集成开发环境ide考虑的因素 系统调试器的功能 支持库函数 与选择硬件和操作系统的原则一样 除非必要 尽量采用标准的glibc 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 18 软件平台的选择 4 硬件调试工具的选择 好的软件调试程序可以有效地发现大多数的错误 但是如果再选择一个好的硬件调试就会达到事半功倍的效果 常用的硬件调试工具有以下几种 实时在线仿真器 ice in circuitemulator 驻留监控软件 rom仿真器 jtag仿真器 是目前使用最广泛的调试手段 19 软件组件的选择 授权软件组件的费用一般都很高 但大都经过严格的测试 可靠性高 调试时间短 反之免费组件 现在也有一些免费的自由软件组件 它们的性能 可靠性也很好 因此开发人员在选择的时候要加以权衡 确定哪种方案更好 20 设计硬件构件和软件构件 构件的设计应与体系结构和规格说明保持一致 通常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 总的来说 嵌入式系统设计的工作大部分集中在软件设计上 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 21 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