嵌入式系统设计-第二章——设计方法PPT课件

嵌入式系统设计方法,嵌入式系统设计,刘兆庆Email:liuzq_hitTel:86413532/33ext.515Office:科学园2A栋515,.,主要内容,设计方法论嵌入式系统的设计过程嵌入式系统软硬件协同设计嵌入式系统节能设计,.,主要内容,设计方法论嵌入式系统的设计过程嵌入式系统软硬件协同设计嵌入式系统节能设计,.,设计方法是什么？其作用是什么？,产品是满足人们功能需求与生活方式的载体，而设计方法则是实现这一目标所制定的总的计划方式；由于产品设计所牵涉的多学科、多工艺技术的特征，这些都需要相应的技术方法和设计程序来解决，那么设计方法就是这些领域的观念化指导思想。设计方法的作用是从思维的高度引导设计师实现“人与物、人与环境”关系的辨证理论基础。,.,设计方法学的起源,最早涉及设计方法研究的学者应该提到德国的F.Reuleaux，他在1875年理论运动学一书中第一次提出“进程规划”的模型，即对很多机械技术现象中本质统一的东西进行抽象，并在此基础上形成一套综合的理论的探讨，因此有人称他为设计方法学的奠基人。作为一门科学是社会化生产的产物,.,设计方法学的发展,20世纪60年代，由于各国经济的高速发展，并导致竞争的加剧，西方一些主要工业国家往往采取加强产品设计，同时开展设计方法学理论研究，使得设计学研究在这一时期取得了快速进展；德国的设计较侧重设计的程序、步骤和规律，并进行系统化的逻辑分析研究；英、美则侧重分析创造性开发和计算机的应用；日本则利用国内电子领域的优势，在价值工程学上作了很多研究工作。中国？,.,设计方法论的概念,关于设计方法学，不同的国家和不同的学者在具体的观点上是有差别的。目前比较完整和有一定代表性的是瑞士V.Hubka博士提出的一些观念，他认为：“设计方法学是研究解决设计问题的进程的一般理论，包括一般设计战略及用于设计工作各个具体部分的战术方法”,.,研究对象,设计方法具体的研究对象应是在深入研究设计进程本质的基础上，以系统的观点规划设计的一般进程，并安排和解决设计问题的方法和科学。具体包括：设计对象设计进程现代设计理论和方法的作用设计评价设计工具,.,方法论在设计实践中的体现与作用,方法论在设计实践中的具体体现主要是系统论主导的思维方法问题在现代设计早已成为了一门科学的背景下，我们不能总习惯于靠经验设计这一手工艺时代的观念来行事，要靠理论，靠思维方法；思维方法不光只有指导技巧的作用，而是对各种设计信息、各类技术数据、各种计划模式进行分析、优化和影响。,.,嵌入式系统设计中采用方法论的理由,确保我们所做的每一件事情都是必须要做的，不做无用功。可以积累成功的设计经验，逐步实现设计自动化。开发团队遵循一套方法论，提高开发效率。,.,主要内容,设计方法论嵌入式系统的设计过程嵌入式系统软硬件协同设计嵌入式系统节能设计,.,嵌入式系统设计要素,设计过程的目标至少必须符合三个要素上市时间设计成本质量,.,嵌入式系统的设计过程,.,自底向上设计,自顶向下设计,设计过程的主要步骤,需求,规格说明,体系结构,构件设计,系统集成,.,需求分析,作用使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标用户需要什么？有哪些要求？设计者我能做吗？我能做成什么样。目标形成需求文档内容功能性需求必须做什么？输入，输出，功能非功能性需求其他属性可靠性，速度，功耗，成本，大小，重量，设计时间，,.,评价标准,准确性精确性正确性（无二义性）完整性可检验性一致性可修改性可追踪性,.,需求分析的描述,自然语言需求说明书需求分析表形式化描述采用UML用例图描述需求管理工具DOORS,.,UML(UnifiedModelingLanguage),是标准的建模语言，而不是一个标准的开发流程。是用来对软件密集系统进行描述、构造、视化和文档编制的一种语言。UML是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。它溶入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。它的作用域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程。用于复杂实时嵌入式应用软件从分析、设计一直到代码实现和软件测试的开发过程,.,采用UML进行设计具有以下优势,不同背景的开发人员和设计师可以互相交流；可视化描述比较直观；简单易学、易用；是行业标准，被绝大多数业内人士认同；有利于保存系统设计的精髓以供下次开发使用（而不仅仅是一堆电路图和代码）；有利于项目的回溯、测试。,.,UML的应用目标,UML的目标是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统，具有很宽的应用领域。最常用的是建立软件系统的模型，它同样可以用于描述非软件领域的系统，如机械系统、企业机构或业务过程，以及处理复杂数据的信息系统、具有实时要求的工业系统或工业过程等。UML可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模。NASA的火星探路者航天器就是运用Rhapsody在VxWorks上开发应用程序。,.,标准建模语言UML的内容可以由下列五类图(共9种图形)来定义:,用例图(UseCase)静态图(Static)=类图(Class)+对象图(Object)行为图(Behavior)=状态图(State)+活动图(Activity)幻灯片72交互图(Interactive)=顺序图(Sequence)+合作图(Collaboration）幻灯片73实现图(Implementation)=构件图(Component)+配置图(Deployment)幻灯片74,.,DOORS,由Telelogic公司负责产品开发和市场推广是一种先进的需求管理工具。是一种跨平台的、企业级的需求管理工具，用于捕获、连接、跟踪、分析和管理各类信息，以确保项目符合所描述需求和标准。为满足业务需要的沟通提供了手段，使不同功能小组可以协同开发项目，使用户可以检验所构建系统是否正确及是否是以合适的方式构建的。,.,例：GPS移动地图的需求,.,实际例子：指令测试仪需求（摘录）,应具备对最少80个指令通道的并行采集指令电压：2533V可调；导通压降：测量精度5mV；脉冲宽度：测量精度1s；上升沿、下降沿：测量精度1ns测量数据（波形）能实时显示符合LXIC类接口标准外形尺寸：标准3U机箱指令电压程控可调指令电阻可调,合不合理？能不能做？,.,实际例子：指令测试仪需求（摘录）,应具备对最少80个指令通道的并行采集指令电压：2533V可调；导通压降：测量精度5mV；脉冲宽度：测量精度1s；上升沿、下降沿：测量精度1ns测量数据（波形）能实时显示符合LXIC类接口标准外形尺寸：标准3U机箱指令电压程控可调指令电阻可调,矛盾1,矛盾2,矛盾3,.,规格说明,规格说明与需求的比较对需求的细化是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、更精确、更一致的描述目标形成规格说明书内容包含系统体系结构设计的足够信息,.,规格说明书的描述,自然语言（不直观）形式化描述UMLRSML(requirementsstatemachinelanguage)SDL(SpecificationandDescriptionLanguage),.,SDL语言符号及实例,.,系统结构设计,系统如何实现设计说明书描述的功能是一种对于整体系统结构的计划，说明利用哪些组件来构建系统软件/硬件划分嵌入式系统中软件和硬件协同完成系统的功能软件硬件划分通常由速度、灵活性以及开销来决策,.,系统结构设计,作用实现系统的蓝图，系统整体结构的一个计划目标形成结构设计文档内容系统分析系统软硬件整体结构的设计软硬件划分标准构件和自行设计构件的确定,.,评价标准,有弹性简单可实现层次清晰功能分布平衡平衡技术和经济约束满足功能需求和非功能需求可重用,.,系统结构的描述,非形式化方式自然语言结构框图形式化方法UML建模,.,实例：处理器地址空间扩展,4510B（ARM7）地址空间,M模块I/O地址空间：64bytesMA模块增加了16MbytesMemory地址空间,.,结构的设计过程及方法,结构化设计方法以算法为中心从输入、输出入手，根据操作和数据流，形成比较粗的系统大框架；然后逐步细化框架内的每个部分，进一步确定内部模块的及模块之间的关系设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程,.,结构设计的验证,结构设计的正确性非常关键详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响验证所关心的问题结构设计是否满足功能、性能要求能否实现验证方法仿真系统结构软件结构硬件结构其他方法如基于开发板的原型系统,.,实例：PCM模拟器,2路PCM码流输出，输入的2路PCM与输出PCM是共用的，即PCM模拟器总共有2路PCM接口。P_RS485是PCM模拟器向调度计算机发送数据的RS-485通路。PCM模拟器通过G_RS485接收调度计算机注入的数据；PCM模拟器根据注入的数据进行工作模式选择，可选择为测控工作模式或者中心计算机工作模式，缺省工作模式为测控模式。PCM模拟器工作在测控模式时，将注入的数据通过PCM码流输出，码型为NRZ-L，同时将接收的TM数据通过P_RS485发送给调度计算机。PCM模拟器如果工作在中心计算机模式将注入的数据通过PCM码流输出，码型为NRZ-M，同时将接收的TC数据通过P_RS485发送给调度计算机。,.,.,.,.,系统引入错误和修改错误开销分布,.,嵌入式系统设计者要求,懂得系统的整个构架详细了解硬件的细节软件设计满足实时要求低功耗代码量小详细了解领域知识,.,UML示例：车载GPS终端系统,.,用例图分角色和用例两部分。角色是与系统交互的人或物，而用例是系统提供的功能块。使用用例观察系统能够将系统实现与系统目标分开，有助于开发人员了解最重要的部分，满足用户需求，而不会沉浸于实现细节,UML示例：需求分析用例图,.,ULM示例：规格说明类图,规格说明比需求分析更详细，通过UML设计可以使规格说明更直观、更清晰。首先，使用类图描述系统处理的数据结构。例如在车载GPS终端的规格说明设计时可以使用类图描述需要接收的GPS卫星数据。,.,UML示例：规格说明合作图,在规格说明阶段，还需要识别出系统的对象。首先以功能块划分，广泛地找出系统的主要对象；然后使用合作图描述它们之间的关系。图中描述了车载GPS终端的主要对象，根据框图可以进行进一步的细化,.,UML示例：规格说明活动图,最后，在规格说明阶段进行系统的业务描述。即规范系统完成一定功能的主要流程。这可以利用活动图进行。图中显示了GPS数据到达时，车载GPS终端系统所进行的处理流程。,.,UML示例：系统设计构件图,规格说明完成后，需要对系统的各个模块及模块之间的关系仔细地分析，从而确定哪些部分使用硬件完成，哪些部分使用软件实现。在本例中，需要硬件实现的模块有GPS接收模块、电源模块、用户控制模块、LCD显示模块和GSM通讯模块。所有的控制逻辑和数据计算全部由主控制器的软件实现。系统设计分为两个分支：硬件设计及软件设计。使用的合作图和构件图对系统的硬、软件分别进行系统设计。图中用构件图描述了车载GPS终端系统的软件系统架构,.,UML示例：构件设计状态图,接下来对每一个系统构件进行详细的设计。对于某些大型工程，甚至需要把每一个构件作为一个项目，重新以需求分析、规格说明开始展开构件设计循环。在构件设计中，除了可以使用已经介绍过的各种UML图外，通常还需要使用状态图和顺序图图描述具体的系统流程细节。在本例中GSM模块共有四个状态：待命、有问题、通话中、短消息通讯中。使用状态图描述它们之间的转换关系，如图所示。,.,UML示例：构件设计顺序图,顺序图显示了一个特定对象进行特定操作时所遇到的流程。图中显示了车载终端用户甲在遇到危险按下报警按钮后系统的处理过程。,.,UML示例：集成测试,在集成测试时，可以联合使用所有的UML图认真分析每个构件的原理，针对每一个系统功能、每一个可能发生错误的过程写出相应的测试程序，进行完整而可靠的程序测试。,.,主要内容,设计方法论嵌入式系统的设计过程嵌入式系统软硬件协同设计嵌入式系统节能设计,.,软硬件协同设计,.,软硬件协同设计发展条件,大规模可编程逻辑器件的成熟应用先进的设计方法在设计软件上的应用以最短的开发时间、最低的成本来达到最佳的系统设计成果。计算机技术及网络技术的进步,.,传统的嵌入式系统设计模型,.,软硬件设计过程发展方向协同设计,.,示例：传统设计的MPEG影音解码设备,在这种设计模式下，设计者将所有的工作交予硬件控制的方式来完成，这种设计的好处在于所有的设计工作都可按照传统的设计流程来进行,.,示例：经软硬件分割设计的MPEG影音解码设备,在这种设计方式下，结合了处理器上执行软件程序以及硬件译码组件来完成。带来的好处是：整个产品的设计变得更有可伸缩性，通过修改软件程序的内容便可增加系统的功能，甚至在整个硬件规格都已确定后，仍可通过软件的更新来做某些程度的修正。中央处理器可以用来分担较不耗资源的运算工作利用处理器来分配调度，可提高各硬件的使用率以及减少原需硬件的面积，以达到降低成本的目的,.,软硬件协同设计的基本需求,统一的软硬件描述方式软硬件支持统一的设计和分析工具（技术）允许在一个集成环境中仿真（评估）系统软硬件设计支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植交互式软硬件划分技术允许多个不同的软硬件划分设计进行仿真和比较辅助最优系统实现方式决策将软硬件划分应用到模块设计，以便最佳地实现系统的设计指标。,.,软硬件协同设计的基本需求(续),完整的软硬件模型基础支持在设计过程中的几个阶段的综合评价支持软硬件逐步的开发和集成正确的验证方法确保系统设计达到的目标要求,.,软硬件协同设计的优势,在设计初始阶段就可进行软硬件交互设计和调整连续的验证过程贯穿整个设计周期软、硬件分开的开发路线，导致代价昂贵的纠错成本和开发进度的下降关键技术（如可编程逻辑综合技术、器件接口和功能模型描述）的进步使得软硬件交互设计变得简单起来,.,软硬件的划分,嵌入式系统的设计涉及硬件与软件部件，设计中必须决定什么功能由硬件实现，什么功能由软件实现。硬件和软件具有双重性软硬件变动对系统的决策造成影响划分和选择需要考虑多种因素硬件和软件的双重性是划分决策的前提,.,通常由软件实现的部分,操作系统功能任务调度资源管理设备驱动协议栈TCP/IP应用软件框架除基本系统、物理接口、基本逻辑电路，许多由硬件实现的功能都可以由软件实现。,.,双重性部分,算法加密解密编码解码压缩解压数学运算浮点运算，FFT，,.,标准构件和自行设计构件,构件的实现选择标准自行设计标准构件？现成构件已经产品化形成规模生产标准构件+自行设计构件用户系统构件包括了硬件构件和软件构件构件本身可以是层次性的，可以由子构件组成,.,标准硬构件,IC：集成电路PCB：印刷电路板IP：IntellectualProperty标准ICCPU,DSPRAM,ROM,接口控制器ASIC标准IPCPU核标准模块GPRS模块,GSM模块,蓝牙模块显示模块标准计算平台基于PC104的嵌入式计算机基于CompactPCI的嵌入式计算机SOC,.,标准软构件,OS/RTOS协议栈TCP/IP路由协议H.323图形开发包VxWorks的ZINK驱动程序,.,自研硬构件,内容逻辑电路，专用加速器实现方式PCBIC：PLDFPGAASICEDA设计工具板级原理图设计工具PCB设计工具IC硬件描述语言：VHDL，Verilog原理图描述工具综合仿真工具布线器,.,自研软构件,BSP驱动程序应用程序,.,软硬件技术对系统结构的影响,硬软件设计的趋势融合、渗透硬件设计的软件化VHDL，VerilogHDLHANDL-C软件实现的硬件化各种算法的ASIC对系统设计的影响协同设计增加灵活性提高设计效率降低了成本,.,主要内容,设计方法论嵌入式系统的设计过程嵌入式系统软硬件协同设计嵌入式系统节能设计,.,嵌入式系统的节能设计,节能计算成为嵌入式系统设计、系统软件重点考虑的基本方面：节能计算包括：硬件体系结构支持在小巧外形尺寸下，如何实现所需电源性能的工艺和技术热管理、降噪、电池管理和功能整合软件支持节能编译操作系统节能策略,.,现状,电源管理策略面向PC、笔记本电脑、服务器、通信设备的服务器APM：高级电源管理方案ACPI：高级配置和电源接口根据嵌入式系统模型定制节能技术非常缺乏，甚至在某些方面是空白,.,传统手持设备管理策略,处理器时钟变慢操作系统转入待机、睡眠状态动态电源管理（DPM）调整内核电压和频率高性能存储器彩色显示器无线接口固化为通用电源管理IC,.,软件节能策略,预测设备的未来使用状况或者使用率“time-out”策略预测特定的时间长度,.,能耗测试,测试出每条指令的能耗，估计测试程序运行完的总能耗测试出每个函数的能耗，然后利用这些函数作为标准去估计其他函数运行的能耗,.,节能操作系统,目的保证操作系统实时性的前提下，完成能耗计算调度算法的节能优化中断处理优化低功耗文件系统CPU电压和频率调节会给实时性能带来了严峻挑战可能造成不稳定“重新锁定”锁相环路和其它动态时钟机制需要时间，造成了很长的等待时间（有时是毫秒级别）锁定期间CPU既不能执行计算操作，又不能响应外部事件（中断）通过动态的调节CPU的内核频率与内核电压，以及动态的关闭系统的某些设备和调整某些设备的状态,.,外设驱动,针对不同功能部件的能耗，进行合理的功耗优化从电池开始，严格和精确地电量测量根据外设特征研究不同的电源管理策略下的驱动现有情况硬件产品有几种状态定义状态提供不同的服务质量和消耗的能量提供各种状态之间的转换接口算法目标实现状态转换的节能策略减少待机能耗人工智能技术的应用通过软件来动态的预测和控制某些部件的开关,.,节能编译,对每条指令的能耗进行测试对函数编译结果的能耗进行估计错误处理代码的能耗设计基于ICE进行函数执行代码统计,.,后面没有了！,.,用例图：主要从用户的角度描述系统的功能，通常用于与系统客户交流，提取用户的需求。静态图(Staticdiagram)：包括类图和对象图。类图描述系统中类的静态结构。在类图中可以体现类的主要内容和功能、类之间的结构和相互关系。对象图是类图的实例,几乎使用与类图完全相同的标识。他们的不同点在于对象图显示类的多个对象实例，而不是实际的类。一个对象图是类图的一个实例。行为图(Behaviordiagram)，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。状态图提供了建模对象的各种状态及它们之间的转换关系。它提供建模系统的动态功能。活动图着重于显示系统的功能流，显示用例框图中某个用例的事件流。它定义了工作流从何时开始、哪里开始、按什么顺序发生、最终在哪结束。返回,.,交互图(Interactivediagram)，描述对象间的交互关系，包括顺序图和合作图。顺序图描述业务过程的细节。这个框图只显示对象，不显示类。也就是说顺序图是针对某个特定情况、特定对象进行的描述。合作图不像顺序图那样以时间顺序描述，而是着重显示对象