嵌入式系统与技术1

1、嵌入式系统与技术嵌入式系统与技术 竺红卫 ftp:14 内容安排 绪论 指令系统：ARM，SHARC CPU：IO机制，Cache，MMU 嵌入式平台：IO硬/软件，总线，开发平台 程序设计：优化设计，编译原理，性能分析 操作系统：进程，RTOS，进程通信/调度 硬件加速器 网络 教学安排 课堂讲解 演示：Ck*Core开发环境与工具链 实验演示：基于FPGA嵌入式系统构建与 编程 考试：本科生 文献阅读，读书报告：研究生 参考文献(1) 嵌入式计算机系统设计原理，嵌入式计算机系统设计原理，computers as components, principles of em

2、bedded computing system design, wayne wolf, 机械机械 工业出版社，工业出版社，2002 ARM SoC体系结构，体系结构，Steve Furber著著,田泽田泽 等译，北航出版社，等译，北航出版社，2002 嵌入式系统开发圣经，探矽工作室，中国嵌入式系统开发圣经，探矽工作室，中国 青年出版社，青年出版社，2002 参考文献(2) 嵌入式嵌入式Linux系统设计与应用系统设计与应用.王学龙王学龙. 清清 华大学出版社，华大学出版社，2001年年 UC/OS-II源代码公开的实时嵌入式操源代码公开的实时嵌入式操 作系统作系统.邵贝贝邵贝贝. 中国电力出版

3、社，中国电力出版社，2001 FPGA系统设计与实践，黄智伟主编，系统设计与实践，黄智伟主编， 电子工业出版社，电子工业出版社，2005年年 第一章 嵌入式计算绪论 提纲 嵌入式系统定义 历史与发展 嵌入式系统的组成 CPU,外围设备，操作系统，应用软件 嵌入式CPU MCU, MPU,DSP,SoC 嵌入式软件 实时系统 1.1 嵌入式系统定义 嵌入式系统是包含可编程计算机、软硬 件协同工作的、执行特定任务的计算机 系统 应用的角度； 软硬件协同，含可编程器件(CPU)； 面向特定功能，预先定制好的； 嵌入式系统的定义 以应用为中心以应用为中心、以计算机技术为基础、以计算机技术为基础、 软件

4、硬件可裁剪软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求可靠性、成本、体积、功耗严格要求的的 专用计算机系统专用计算机系统 计算机工业的分类 以往计算机分类：大型计算机、中型机、 小型机和微计算机 目前计算机分类：超级计算机，大型计 算机、工作站、微计算机 亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式 系统的形式隐藏在各种装置、产品和系 统中 商业计算机系统 桌面计算机PCs PCs Laptops Mainframes（主机系统） Servers（服务器） 嵌入式计算系统 1.1.1 嵌入式系统的历史(1) Whirlwind(MIT) 嵌入式系统的历史

5、(2) Apollo Guidance Computer (AGC) 嵌入式系统的历史(3) Intel4004微处理器 今天的嵌入式系统 后PC技术的时代 小到mp3，PDA等微型数字化产品，大到 网络家电，智能家电，车载电子设备 嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱 1999年世界电子产品产值已超过12000亿 美元，2000年达到13000亿美元。 德州仪器OMAP处理器 嵌入式系统的演变 8031/8051单片机系统，自行编写程序； 68360/386EX控制系统，自己编写简单的操作 系统； 32位嵌入式处理器pSoS嵌入式操作系统 tcp/ip协议栈； 各种SoC+嵌入式Linux/

6、VxWorks+嵌入式Web 设备server以及各种复杂网络协议栈GUI图形 界面无线模块现代可移动的网络智能设备 未来的发展趋势 SOC(片上系统) 32-bit RISC CPU Built-in DSP core Built-in interfaces to RAM and ROM Built-in DMA, interrupt and timing controllers Built-in interfaces to disk or flash memory Built-in Ethernet/802.11 interfaces Built-in LCD/CRT interfaces

7、 Built-in A/D D/A Built-in Audio Codec Built-in Keyboard interface SOC(片上系统) Examples Intel StrongARM SA-1110 Motorola PowerPC MPC823e NEC VR4181 Many, many more Small (and cool) SOCs Camera-on-chip (Bell Labs) CMOS-based 100,000 optical sensors in a 2D grid (active pixels) Very low power Cheap ($50

8、) http:/www.bell- 高集成度高集成度 信号处理系统 Real-time video, set-top boxes, DVD players, medical equipment, residential gateways 分布控制系统 Network routers, switches, firewalls, elevators 综合“小”系统 Mobile phones, home appliances, toys, smartcards, MP3 players, PDAs, digital cameras, sensors 1.1.2 嵌入式系统的分类与特征 嵌入式系统应

9、用特征 大系统的一部分 计算机外围设备 特殊应用功能的 H/W经过剪裁以适应具体特殊的应用 可重复编程、升级 始终工作 与物理世界交互作用 无所不在的嵌入式系统无所不在的嵌入式系统 嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机 一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个 嵌入式微处理器： 键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、 Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、 USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。 在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、 汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类 产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 经典应用 CISCO的路由器 以太网交换机 商务通P

10、DA 手机 美国宇航局的火星探测器 Sony的机器狗AIBO 嵌入式系统的应用领域（一） 家用市场家用市场 机顶盒、掌上电脑、DVD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、 网络空调、家庭网关、智能家用电器、车载导航器系统等 通信市场通信市场 电话交换系统，电缆系统，卫星和全球定位系统（L3D），数据交换设备， 移动电话等 工业市场工业市场 制造工厂，污水处理系统，发电站和电力传输系统，自动化工厂，控制系统 开发，维护和测试的工具，石油提炼和相关的贮运设施，建筑设备，计算机辅助 制造系统，能源控制系统，核电站，机器人系统等 商业和金融市场商业和金融市场 自动柜员机，信用卡系统，售货

11、端系统，安全系统等 嵌入式系统的应用领域（二） 办公市场办公市场 电话系统，传真系统，复印机，计时系统，照相机和摄象机 运输市场运输市场 航空、铁路、公路运输系统，燃料服务，航空管理，信令系统，雷达系统， 交通指挥系统，停车系统，售票系统，乘客信息系统，检票系统，行李处理系统， 应急设备等 建筑市场建筑市场 电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升 降系统，车库管理，安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系统， 电子保险柜，警铃等 医疗市场医疗市场 心脏除颤器，心脏起搏器，患者信息和监视系统，MN光设备，理疗控制系统， 电磁成像系统等 军事军事 武器控制 嵌入

12、式系统热点应用 信息家电 车载系统 军事工业 医疗器械 汽车电子 多到100个微处理器 Engine control unit Emissions control Diagnostics Automatic transmission Accessories (doors, windows etc) 1.1.3 嵌入式系统的组成 嵌入式系统的基本组成与设计 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相 关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软 件系统等组成，它是集软硬件于一体的 可独立工作的“器件” 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件 品种总量已经超过1000多种，流行体系 结构有30几个系列，其中8051体系的

13、占 有多半 嵌入式系统硬件主流 32,64位微处理器是目前嵌入式系统的核心 主要硬件厂商包括Intel， Motorola(FreeScale)，Philip(NXP)，AMD， ARM，Ti等 每个月都有新产品出现 微处理器 Intel4004 8位:Z80/Z8,8051,PIC 32位:ARM,MIPS 以处理器的位数来划分 4位8位16位32位64位 单片机型 TMS1000 COPS 8048/49/50 8051/52 6801/04/05 Z8 8096/97 68200 ARM RISC CORE MIPS 32 CORE MIPS 64 CORE 一般用途 型 4004 40

14、40 8085 6809 Z80 6502 6802 8086 80286 80186 Z8000 80386 80486 68000/10/ 20/30/40 Pentium II/III 不同等级的处理器应用： 嵌入式处理器应用产品 4位 遥控器 相机 防盗器 玩具 简易计量表 等 8位 电视游戏机 空调 传真机 电话录音 16位 手机 摄象机 录象机 各种多媒体应用 32位 MODEM 掌上电脑 路由器 数码相机 GPRS 网络家庭 64位 高级工作站 新型电脑游戏机 各种多媒 体应用 CPU 1. MPU (Micro-Processor Unit) :微处理器 2. MCU(Micr

15、ocontroller Unit):微控制器 3. DSP(Digital Signal Processor):数字信号 处理器 4. SoC(System On Chip):系统芯片,片上系 统 通用处理器 Intel80 x86 Motorola 68HCxxx SPARC PowerPC 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(MPU) 通用计算机中的CPU 增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面 功能与和工业控制计算机相似 嵌入式处理器目前主要有386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等 32位嵌入式处理器 目前嵌入式处理器按其体系结构的不同 可分为五大类 A

16、RM MIPS POWER PC X86 SH系列 ARM体系结构 ARM 公司的ARM RISC处理器 ARM 7 Thumb 家族 ARM 9 Thumb 家族 ARM 10 Thumb 家族 Intel StrongARM StrongARM 110 StrongARM 1100 StrongARM 1110 StrongARM 1111 INTEL的Xscale架构处理器 基于ARM V5TE体系结构 兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点指令集） 在处理器内核周围提供了 指令和数据存储器管理单元 指令、数据和微小数据缓存 写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器 电源管理 性能监控

17、调试 JTAG单元以及协处理器接口 MAC协处理器 内核存储总线 MIPS体系结构 从1986年推出R2000处理器以来，陆续推出 R3000、R4000、R8000等。 之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在 嵌入式系统。 1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体 系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集， 并且增加了许多更强大的功能。 此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的 32位和64位处理器内核。 MIPS Core系列 在MIPS的32位内核中 4K系列对应于SOC应用设计； M4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受 欢迎的多CPU

18、 SOC所设计； 4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能 指标； 4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS体系结构，特别适用于需要安 全数据传输的领域，比如网络、智能卡等； Pro Series系列则通过特有的CorExtend技术，使得SOC设计获得了空 前的灵活性； 24K系列除了支持CorExtend技术以外，还为Java和图形应用做了特别 的优化。 5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核 5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。 20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz， 具有7段流水线的

19、20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。 在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理 器占据了相当大的数量 2002年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的 嵌入式处理器。 份额仅次于ARM位居全球第二。 在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录像机等领域内，MIPS的市场 份额位居第一。 MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI， SONY等众多厂商 Motorola的DragonBall VZ Power PC体系结构 Motorola半导体（现Freescale半导体）联 合IBM以及苹果电脑 SH体系结构 SH(Sup

20、erH)系列是由前日立半导体公司（现 Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字 长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复 杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址 方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且 在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间 1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。 SH系列投入市场后，用量最多的是工业， 占总量的36%，第二位是办公自动化， 占总量的26%；第三位是消费领域；再 其次的是通信领域。 此外，汽车导航、定位、控制系统，也 是SH系列不小的一个市场。 在美国，S

21、H系列占有较大的市场份额 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU) 又称单片机 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计 数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、 A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功 能和外设 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 典型微控制器 Motolora 68HC11xx Intel 8051 Microchip PIC ARM 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU) 嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(DSP) DSP处理器对系统结构和指令

22、进行了特殊设 计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较 高，指令执行速度也较高。 在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法 正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在 通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过 渡到采用嵌入式DSP处理器。 嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(DSP) 有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和ADI的ADSP系列。 TMS320系列处理器包括用于控制的 C2000系列，移动通信的C5000系列，以 及性能更高的C6000和C8000系列。 ADSP目前有已经发展成为ADSP21xx(16 位)，ADSP2106x(32位)等几个不同系

23、列 的处理器。 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SOC) 在一个硅片上实现一个复杂的系统 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯 片中去 应用系统电路板将变得很简洁 SOC设计 SoC具有的优势 降低耗电量：随电子产品向小型化、便携化发展，对 其省电需求将大幅提升，由于SoC 产品多采用内部讯 号的传输，可以大幅降低功耗。 减少体积：数颗IC 整合为一颗SoC 后，可有效缩小电 路板上占用的面积，达到重量轻、体积小的特色。 丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部 空间内，SoC 可整合更多的功能元件和组件，丰富系 统功能。 提高速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号 的传输效率将

24、提升，而使产品性能有所提高。 节省成本：理论上，IP 模块的出现可以减少研发成本， 降低研发时间，可适度节省成本。不过，在实际应用 中，由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致测试 成本增加，及生产成品率下降。 SoC 芯片设计中 的IP 模块 SoC 的设计基础是IP（Intellectual Property）复 用技术。 已有的IC 电路以模块的形式在SoC 芯片设计中 调用这些可以被重复使用的IC 模块就叫做IP 模 块 IP 模块是一种预先设计好，已经过验证，具有 某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有 2 种不同形式：软IP 核(soft IP core)和硬IP 核 (hard

25、IP core) 嵌入式外围设备嵌入式外围设备 嵌入式外围设备是指，在嵌入式硬件系统中， 除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、保 护、调试、现实等辅助功能的其他部件。 嵌入式外围设备 根据外围设备的功能可分为以下3类： 存储器类型：静态易失型存储器(RAM/SRAM)，动 态存储器(DRAM)，非易失型存储器(ROM、 EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，FLASH(闪 存)以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便 宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统中都 有其广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广 泛，包括RS-232接口(串口)、I

26、rDA(红外)、SPI(串行 设备接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。 显示类型：CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备。 嵌入式软件的组成 嵌入式系统软件的特征嵌入式系统软件的特征 (1) 软件要求固态化存储 (2) 软件代码高质量、高可靠性 (3) 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 (4) 多任务操作系统是知识集成的平台和 走向工业标准化道路的基础 嵌入式软件主流 VxWorks 是目前嵌入式系统领域中使用最 广泛、市场占有率最高的系统。 Palm Os，是Palm公司的操作系统，和微 软的Windows CE是PDA操作系统的两大 巨头。 实时系统 实时系统(RealT

27、ime System) 一个能够在指定或者确定的时间内完成系统功 能及对外部或内部事件在同步或异步时间内做 出响应的系统，在逻辑或时序控制中如果出现 偏差将会引起严重后果。 实时系统分类 软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定 的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好 硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦 系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩 溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。 嵌入式系统的应用特点 复杂的算法 用户界面 实时性 多速率：多媒体流 制造成本 功率 嵌入式系统的核心-微处理器 实现数字系统的有效手段 可选择面宽，产品更新换代快 节省开发成本 1.1.4 嵌入式系

28、统设计面临挑战 成本 实时性 功耗 可升级 可靠性 测试、调试、开发环境受限 1.2 嵌入式系统设计过程 需求 规格说明 体系结构 构件设计(硬件，软件) 系统集成 设计流程 1.2.1 需求分析(功能与非功能) 功能 性能 成本与价格 物理尺寸和重量 功耗 GPS移动地图 经度： 纬度： 需求表格 名称 目的 输入 输出 功能 性能 成本（生产，设计） 物理尺寸与重量 功耗 GPS移动地图需求表格 名称：GPS移动地图 目的：为驾驶员提供用户级移动地图 输入：一个电源按钮，两个控制按钮 输出：逆光LCD，显示分辨400600 功能：使用5种接收器的GPS系统，三种用户可 选的分辨率，显示当前

29、经纬度 性能：0.25秒刷新 成本：100美元 功耗：100mW，4节AA电池工作8小时 物理尺寸和重量：不大于12盎司 1.2.2 规格说明(Specification) 需求细致化 需求精确化 需求系统化 需求形式化 1.2.3 体系结构设计 GPS接收 器信号 搜索引擎 地图数据库 转换器 用户界面 显示器 硬件体系结构 显示器 帧缓冲器 主存储器 CPU GPS信号 接收器 I/O面板 软件体系结构 数据库搜索 用户界面 位置 时钟 转换器 1.4系统设计的形式化方法 统一建模语言：UML 面向对象建模语言： 设计交互对象； 对象与实际软硬件对应； 设计方法 Top-Down：由顶向下

30、 Bottom-Up：由底向上 程序设计历史 自由阶段：数据、代码混合；代码运行 时可修改；GoTo使用； 结构化编程：数据、代码分离，尽量不 使用GoTo； 程序数据结构+算法 面向对象：类的抽象 类=数据+行为(属性+方法) 面向对象 面向对象设计(OOD) 面向对象编程(OOP) 类 共享相同的属性、操作、方法、关系或 行为的一组对象的描述符； 对象的模板 对象：某个类的实例 消息传递：对象通过在链接上发送消息 产生行为 类 类封装：属性和方法 继承 多态，算符重载 模板 UML图 类图表示类与类间关系，类与类对象间的关系 协同图表示对象间交互 状态图 表示结构通过状态转换实现起始、中止

31、、 关联等的模型 顺序图表示对象间交互、状态顺序 类图 类名 属性(状态) 操作(行为) 类举例 Display pixels:array of pixel elements menu_items Mouse_click() Draw_box() 关联 类之间的联系 链接：关联的实例化，对象通过链接传 递信息 关联举例 Company Person employs 1n 泛化 一般物件与特殊物件之间的关系 泛化 特化 Shape SquareCircleTriangle 派生 类组织成泛化的层次 派生类继承父类所有属性、操作,又可以 添加自身的属性、操作 派生类也称子类 父类也称超类 派生举例

32、 Shape width height draw() getArea() SquareCircle draw()draw()覆盖 多态 多态操作具有多种实现方式 不同类可以不同的方式响应相同的消息 子类可以覆盖父类的操作 多态 Employee Print() WorkerManager Print() Print() 抽象类 抽象操作不具有具体的实现 虚类 虚函数 多态 Shape draw() getArea() SquareCircle draw() getArea() draw() getArea() 类的软件实现 Classdisplay pixels:pixeltypeIMAX,J

33、MAX; public: display(); pixeltype pixels(int i,int j) returnpixelsi,j; void set_pixel(pixeltype val,int i,int j) pixelsi,j=val; 派生类 Display pixels:array of pixel elements menu_items Mouse_click() Draw_box() BW_DisplayColor_Display Color_Map 多重继承 Display Multimedia_Display Speaker 关联和链接 Message set C

34、ount=2 message msg=msg1 length=1102 message msg=msg2 length=2114 Message set Count:integer message msg=ADPCM_stream Length:integer contains 1.4.1结构描述 定义基本构件 定义类及属性 定义类界面(操作) 类的软件实现 类的派生 泛化和继承 1.4.2行为描述 描述操作； 状态机； 状态转换 ab 状态转换：事件 信号事件：外部; 内部事件：例程调用; 定时器事件; UML状态机规格说明 UML顺序图 UML顺序图 对象 时间流 生命线 对象生存期 控制

35、焦点 设计示例(模型火车控制器) 设计示例(模型火车控制器) ECC|Command|Address|Header 控制台 需求表格 名称：模型火车控制器 目的：控制最多达8辆火车 输入：调速、惯性设置，紧急停车、火车数量 输出：火车控制信号 功能：根据惯性设置发动机速度；响应紧急停车 性能：至少每秒校正车速10次 生产成本：50美元 功耗：10W 物理尺寸和重量：控制台适应双手操作，近似键盘大 小；重量小于2磅 概念性规格说明 Set-speed Set-inertia EStop 概念性规格说明 Set-inertia Set-speed Set-speed Set-speed Estop

36、 :Console:Train_rcvr 概念性规格说明 Command EStopSet-inertia Value:unsigned- integer Set-Speed Value:integer 概念性规格说明 :console:receiver 1.n:command 概念性规格说明 Console TransmitterFormatterPanel Knobs* Sender* 概念性规格说明 Train Motor interfaceControllerReceiver Detector* Pulser* Train Set 详细规格说明 Knobs* Train-knob:in

37、teger Speed-knob:integer Inertia-knob:unsigned-integer Emergency-stop:boolean Set-knobs() Sender* Send-bit() Pulser* Pulse-width:unsigned-integer Direction:boolean Detector* read-bit():integer 详细规格说明 Panel train-number():integer speed():integer inertia():integer estop():boolean new-settings() Motor-

38、interface Speed:integer 详细规格说明 Transmitter send-speed(adrs:integer,speed:integer) Send-inertia(adrs:integer,val:integer) Send-estop(adrs:integer) Receiver current:command new:boolean read-cmd() new-cmd(msg-type:command) rcv-speed(val:integer) Rcv-inertia(val:integer) 详细规格说明 Formatter current-train:i

39、nteger current-speedntrains:integer current-inertiantrains:unsigned-integer current-etopntrains:boolean send-command() panel-active():boolean operate() 详细规格说明 :Knobs :Panel:Formatter:Transmitter Speed/inertia/Estop Read Panel Panel setting Read Panel Panel setting Read Panel Panel setting Read Panel

40、 Panel setting new setting Panel-active Send-speed Send-inertia Send-estop Operate Train number 改变控制改变控制 改变车编号改变车编号 Set-knobs 详细规格说明 循环空转循环空转 Update-panel() Send-command() Panel-active() 改编号改编号 改控制改控制 Fomatter operate行为状态图行为状态图 详细规格说明 Panel*:read-train-number() Panel*:read-speed() Panel*:read-inerti

41、a() Panel*:read-estop() Return Current-train=train-knob Update-screen Changed=true Current-speed=throttle Changed=true Current-inertia=inertia-knob Changed=true Current-estop=estop-button-value Changed=true 详细规格说明 Controller current-train:integer current-speedntrains :integer current-directionntrain

42、s :unsigned-integer current-etopntrains :boolean operate() Issue-command() 详细规格说明 循环空转循环空转 issue-command() Receive-command() Controller operate行为状态图行为状态图 详细规格说明 :Receiver :Controller:Motor-interface:Pulser Set-pulse Set-pulse Set-pulse Set-pulse Set-pulse Panel-active Read-cmd New-cmd Cmd-type Rcv-s

43、peed operate 详细规格说明 Command Type:3-bits Address:3-bits Parity:1-bit Estop Type=000 Set-inertia Type=001 Value:3-bits Set-speed Type=010 Value:7-bits 软硬件协同设计 传统的嵌入式系统设计模型 SystemSystem ConceptsConcepts Sys/HWSys/HW Require.Require. AnalysisAnalysis Sys/SWSys/SW Require.Require. AnalysisAnalysis Operat

44、ion.Operation. Testing and Testing and EvalEval. . SoftwareSoftware Require.Require. AnalysisAnalysis Prelim.Prelim. DesignDesign DetailedDetailed DesignDesign Coding,Coding, Unit test.,Unit test., IntegInteg. test. test SW DevelopmentSW Development HWCIHWCI TestingTesting CSCICSCI TestingTesting Sy

45、stemSystem IntegInteg. and . and testtest HardwareHardware Require.Require. AnalysisAnalysis Prelim.Prelim. DesignDesign DetailedDetailed DesignDesign Fabric.Fabric. HW DevelopmentHW Development DOD-STD-2167A 传统的嵌入式系统设计过程 传统软硬件设计过程的基本特征传统软硬件设计过程的基本特征: 系统在一开始就被划分为软件和硬件两大部分系统在一开始就被划分为软件和硬件两大部分 软件和硬件独立

46、进行开发设计软件和硬件独立进行开发设计 “Hardware first” approach often adopted 隐含的一些问题隐含的一些问题: 软硬件之间的交互受到很大限制软硬件之间的交互受到很大限制 软硬件之间的相互性能影响很难评估软硬件之间的相互性能影响很难评估 系统集成相对滞后，系统集成相对滞后，NRE较大较大 因此因此: Poor quality designs（设计质量差）（设计质量差） Costly modifications（设计修改难）（设计修改难） Schedule slippages（研制周期不能有效保障）（研制周期不能有效保障） 传统设计过程中的尖锐矛盾 随着设计

47、复杂程度的提高，软硬件设计中的 一些错误将使开发过程付出昂贵的代价 “Hardware first” approach often compounds software cost because software must compensate for hardware inadequacies 软硬件设计过程发展方向协同设计 SystemSystem ConceptsConcepts Sys/HWSys/HW Require.Require. AnalysisAnalysis Sys/SWSys/SW Require.Require. AnalysisAnalysis HardwareHar

48、dware Require.Require. AnalysisAnalysis SoftwareSoftware Require.Require. AnalysisAnalysis Operation.Operation. Testing and Testing and EvaluationEvaluation SW DevelopmentSW Development HW DevelopmentHW Development SystemSystem IntegInteg. and . and testtest HWCIHWCI TestingTesting CSCICSCI TestingT

49、esting Franke91 Integrated Modeling Substrate Integrated Modeling Substrate Prelim.Prelim. DesignDesign Prelim.Prelim. DesignDesign DetailedDetailed DesignDesign DetailedDetailed DesignDesign Fabric.Fabric. Coding,Coding, Unit test.,Unit test., IntegInteg. test. test IEEE 1991 软硬件协同设计的基本需求 统一的软硬件描述方

50、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 允许多个不通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 Partitioning applied to modules to best meet design criteria (functionality and performance goals) 软硬件协同设计的基本需求 (cont.) 完整的软硬件模型基础 Supports evaluation at several stages of the design pr

51、ocess Supports step-wise development and integration of hardware and software 正确的验证方法 确保系统设计达到目标要求 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 Provides continual verification throughout the design cycle（贯穿整个设计周期） Separate HW/SW development paths can lead to costly modifications and schedule slippages 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 典型的软硬件协同设计过程 System Integration Instruction set level HW/SW evaluation Unified representation (Data/control flow) HW/SW Partitioning Interface Synthesis Software Synthesis SW Hardware Synthesis