嵌入式系统(第6章嵌入式系统设计技术)

1、第第6章章 嵌入式系统设计技术嵌入式系统设计技术 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成嵌入式系统的设计流程嵌入式系统的设计流程嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点设计示例设计示例：车载车载GPS终端系统的设计终端系统的设计统一建模语言统一建模语言UML 嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点 嵌入式系统通常是嵌入式系统通常是面向特定应用面向特定应用的系统的系统； 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量量体裁衣、去除冗余体裁衣、去除冗余； 嵌入式系统设计需要嵌入式系统设计需要交叉开发环境交叉开发环境； 嵌入式系统的程序需要嵌入式系统的程序需要固化固化

2、； 嵌入式系统的嵌入式系统的软件开发难度较大软件开发难度较大 ； 嵌入式系统还需要提供强大的嵌入式系统还需要提供强大的硬件开发工具和软硬件开发工具和软件包的支持件包的支持，需要设计者从速度、功能和成本综，需要设计者从速度、功能和成本综合考虑。合考虑。对稳定性、可靠性、功耗、抗干扰性、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。更为严格和苛刻。“宿主机宿主机/ /目标机目标机”方式方式 嵌入式系统的开发通常采用嵌入式系统的开发通常采用“宿主机宿主机/ /目标机目标机”方方式。式。 宿主机（宿主机（HostH

3、ost）：）：一台通用的计算机，一般是一台通用的计算机，一般是PCPC机。它通过串口或网络连接与目标机进行通信。机。它通过串口或网络连接与目标机进行通信。 目标机（目标机（TargetTarget）：）：常用在嵌入式系统的开发过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境，也可以是能替代实际环境的仿真系统。嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成硬件层硬件层中间层中间层 中间层：中间层：也称为硬件抽象层（也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Hardware Abstract Laye

4、r,HALLayer,HAL）或板极支持包（）或板极支持包（Board Support Board Support PackagePackage，BSPBSP），它把系统软件与底层硬件部分隔），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。离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。 BSPBSP的特点：的特点：1)1)操作系统相关性操作系统相关性 2)2)硬件相关性硬件相关性 设计一个完整的设计一个完整的BSPBSP需要完成两部分工作：需要完成两部分工作：1 1）嵌入式系统的初始化）嵌入式系统的初始化: :片级初始化、板级初始化片级初始化、板级初始化和系统级初始化和系统

5、级初始化 2 2）设计硬件相关的设备驱动。）设计硬件相关的设备驱动。软件层软件层 软件层：软件层：由实时多任务操作系统（由实时多任务操作系统（RTOSRTOS）、）、文件系统、图形用户接口（文件系统、图形用户接口（GUIGUI）、网络）、网络系统及通用组件模块组成。系统及通用组件模块组成。 RTOSRTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 RTOSRTOS实际上是一段嵌入式目标代码中的程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主程序，用户的其他应用程序都建立在R

6、TOSRTOS之上。之上。 RTOSRTOS是一个标准的内核，它将是一个标准的内核，它将CPUCPU时钟、时钟、中断、中断、I/OI/O、定时器等资源都封装起来，、定时器等资源都封装起来，留给用户的是一个标准的留给用户的是一个标准的APIAPI函数接口。函数接口。 功能层与执行装置功能层与执行装置 功能层：功能层：由基于由基于RTOSRTOS开发的应用程序组成，用来开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。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。作，往往需要提供一个友好的人机界面

7、。 执行装置：执行装置：是指那些可以接受嵌入式计算机系统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发出的控制命令，执行所规定的操作或任务的设备和装置。备和装置。 在不同的应用领域中，嵌入式系统的执行装置一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。要求实现的功能选择不同的设备和执行装置。嵌入式系统的设计流程嵌入式系统的设计流程统一建模语言统一建模语言UML概述概述 统一建模语言统一建模语言UMLUML：可视化建模语言，属可视化建模语言，属于第

8、三代面向对象建模语言。它将模型中于第三代面向对象建模语言。它将模型中的信息用标准图形元素直观地表示出来，的信息用标准图形元素直观地表示出来，便于人员交流。便于人员交流。统一建模语言统一建模语言UML概述概述 特点：特点： 1) UML1) UML语言语言简单简单, ,易学、易用易学、易用； 2) UML2) UML采用可视化的采用可视化的图形描述图形描述，比较形象直观；，比较形象直观； 3) 3) 可使不同技术背景的开发人员和设计人员很可使不同技术背景的开发人员和设计人员很容易的相互交流；容易的相互交流； 4) UML4) UML语言是第三代面向对象建模语言的标准，语言是第三代面向对象建模语言

9、的标准，被绝大多数被绝大多数业内人士认同业内人士认同； 5) UML5) UML采用采用图形化的设计图形化的设计，将系统的核心部分描，将系统的核心部分描述出来，可以供以后系统开发使用；述出来，可以供以后系统开发使用； 6) 6) 有利于项目的有利于项目的回溯和测试回溯和测试。UML组成组成 UML采用图形表示法，它的重要内容是由一些采用图形表示法，它的重要内容是由一些图来定义的。设计人员就是用这些图来描述整图来定义的。设计人员就是用这些图来描述整个系统的功能和设计。个系统的功能和设计。 UML包括包括4部分：部分：（1）视图（视图（View）：）：UML的视图并不是图形，的视图并不是图形，而是

10、由许多图（而是由许多图（Diagram）组成的一个抽象，）组成的一个抽象，视图显示表达系统的各个不同方面。视图显示表达系统的各个不同方面。（2）图（图（Diagram）：）：描述描述UML视图内容的视图内容的图形。图形。UML共有共有9种不同类型的图，通过它们种不同类型的图，通过它们的相互组合来表示出被建模系统的所有的视图。的相互组合来表示出被建模系统的所有的视图。UML组成组成（3）模型元素（模型元素（Model Element）：）：UML图中使用的概念就是模型元素。模型元素图中使用的概念就是模型元素。模型元素代表普通的面向对象的概念，例如类、对代表普通的面向对象的概念，例如类、对象、消息

11、以及这些概念之间的关系。象、消息以及这些概念之间的关系。（4）通用机制（通用机制（General Mechanism）：）：UML提供的通用机制为模型元素提供一些提供的通用机制为模型元素提供一些附加的信息、注释、语义。这些通用机制附加的信息、注释、语义。这些通用机制也提供扩展机制，允许用户对也提供扩展机制，允许用户对UML进行扩进行扩展，以便适应一个特定的方法展，以便适应一个特定的方法/过程、组织过程、组织或用户。或用户。 UML中的视图中的视图 5种视图：种视图：（1）用例视图用例视图（Use Case View）：描述系）：描述系统应该统应该交付的功能交付的功能，是外部参与者（，是外部参与

12、者（Actor）观察到的系统功能。用例视图利用用例图、观察到的系统功能。用例视图利用用例图、活动图进行描述。活动图进行描述。 一个用例就是对系统的一个一个用例就是对系统的一个功能的通用描功能的通用描述述。 用例视图是核心。系统的最终目标，系统用例视图是核心。系统的最终目标，系统提供的功能在用例视图中被描述。用例视提供的功能在用例视图中被描述。用例视图会对所有其他的视图产生影响。图会对所有其他的视图产生影响。 UML中的视图中的视图 （2）逻辑视图逻辑视图（Logical View）：从系统）：从系统的的静态结构静态结构和和动态行为动态行为角度显示如何实现角度显示如何实现系统的功能，描述如何实现

13、用例视图中提系统的功能，描述如何实现用例视图中提出的那些出的那些系统功能系统功能，逻辑视图注重的是系，逻辑视图注重的是系统的内部。统的内部。UML中的视图中的视图 （3）组件视图组件视图（Component View）：显示代）：显示代码组件的码组件的组织结构组织结构，描述模块以及它们之间，描述模块以及它们之间的的依赖关系依赖关系。组件是不同类型的代码模块，。组件是不同类型的代码模块，通过代码模块的结构和依赖关系来表示。通过代码模块的结构和依赖关系来表示。UML中的视图中的视图 （4）并发视图并发视图（Concurrency View）：显示）：显示系统的系统的并发性并发性，解决并发系统中存在

14、的通信，解决并发系统中存在的通信和和同步问题同步问题。主要考虑资源的有效利用、代。主要考虑资源的有效利用、代码的并行执行以及系统环境中异步事件的处码的并行执行以及系统环境中异步事件的处理。理。UML中的视图中的视图 （5）部署视图部署视图（Deployment View）：显示系）：显示系统的具体统的具体部署部署，将系统部署到有计算机和设，将系统部署到有计算机和设备（称之为备（称之为Node）组成的物理结构上。）组成的物理结构上。UML中的图中的图1 9种图：种图：用例图、类图、对象图、状态图、顺序用例图、类图、对象图、状态图、顺序图、协作图、活动图、组件图和部署图。图、协作图、活动图、组件图

15、和部署图。（1）用例图（）用例图（Use Case Diagram） 显示多个外部参与者（显示多个外部参与者（Actor）以及它们与系统）以及它们与系统提供的用例之间的连接，提供的用例之间的连接，定义系统的功能需求定义系统的功能需求。 一个用例是对系统提供的某个功能的描述，用例一个用例是对系统提供的某个功能的描述，用例只是描述系统活动者从外部观察系统所得到的那只是描述系统活动者从外部观察系统所得到的那些功能，并不描述这些功能在系统内部是如何实些功能，并不描述这些功能在系统内部是如何实现的。现的。UML中的图中的图1 一个评分系统的用例图一个评分系统的用例图 ：UML中的图中的图2（2）类图（）

16、类图（Class Diagram） 显示系统中各个显示系统中各个类的静态结构类的静态结构。类图。类图是静态图。是静态图。 类代表系统内处理的事务，这些类可类代表系统内处理的事务，这些类可以多种方式连接：关联、依赖、特殊以多种方式连接：关联、依赖、特殊化或者打包。化或者打包。 一个类的内部结构使用该类的属性和一个类的内部结构使用该类的属性和操作表示。操作表示。 一个系统一般有几个类图，并不是所一个系统一般有几个类图，并不是所有的类都放在一个类图中，一个类可有的类都放在一个类图中，一个类可以参与到多个类图中去。以参与到多个类图中去。UML中的图中的图2评分系统的类图：评分系统的类图： UML中的图

17、中的图3（3）对象图（）对象图（Object Diagram） 类图的一个实体类图的一个实体。对象图中，对象名带下。对象图中，对象名带下划线。划线。 与类图的区别：与类图的区别：对象图显示的不是实际的对象图显示的不是实际的类，而是类的多个对象的实例。因此，对类，而是类的多个对象的实例。因此，对象图就是类图的一个例子，显示系统执行象图就是类图的一个例子，显示系统执行时的一个可能的快照。时的一个可能的快照。UML中的图中的图3UML中的图中的图4（4）状态图（）状态图（State Diagram） 显示类的对象显示类的对象可能具备的可能具备的所有状态所有状态，以及，以及那些引起状态改变的事件。状态

18、图是对类那些引起状态改变的事件。状态图是对类的描述的补充。的描述的补充。 对象的一个事件可以是另一个对象向其发对象的一个事件可以是另一个对象向其发送的消息，例如到了某个指定的时刻，或送的消息，例如到了某个指定的时刻，或者已经满足了某个条件。者已经满足了某个条件。 状态的变化称之为状态的变化称之为转换转换，一个转换也可以，一个转换也可以有一个与之相连的动作，后者用以指定完有一个与之相连的动作，后者用以指定完成该状态转换应该执行的操作。成该状态转换应该执行的操作。 UML中的图中的图4UML中的图中的图5（5）顺序图（）顺序图（Sequence Diagram） 显示多个对象之间的动态协作显示多个

19、对象之间的动态协作。 重点是显示对象之间发送消息的重点是显示对象之间发送消息的时间顺序时间顺序。 由多个用垂直线显示的对象组成，图中时由多个用垂直线显示的对象组成，图中时间从上到下推移，并且顺序图显示对象之间从上到下推移，并且顺序图显示对象之间随着时间的推移而交换的消息或函数。间随着时间的推移而交换的消息或函数。 消息用带消息箭头的直线表示，位于垂直消息用带消息箭头的直线表示，位于垂直对象线之间。对象线之间。UML中的图中的图5UML中的图中的图6（6）协作图（）协作图（Collaboration Diagram） 显示动态协作。显示动态协作。 选择顺序图还是协作图的决定条件：选择顺序图还是协

20、作图的决定条件：（1）重点强调）重点强调上下文上下文，选择协作图。，选择协作图。（2）重点强调）重点强调时间或顺序时间或顺序，选择顺序图。，选择顺序图。UML中的图中的图6UML中的图中的图7（7）活动图（）活动图（Activity Diagram） 显示一系列顺序的活动，主要描述在一个显示一系列顺序的活动，主要描述在一个操作内执行的那些活动。操作内执行的那些活动。 由多个动作状态组成，这些动作状态包含由多个动作状态组成，这些动作状态包含将被执行的活动（一个动作）的规格说明。将被执行的活动（一个动作）的规格说明。 当动作完成后，动作状态将会改变，转换当动作完成后，动作状态将会改变，转换为一个新

21、的状态，从而控制就在这些互相为一个新的状态，从而控制就在这些互相连接的动作状态之间流动。连接的动作状态之间流动。UML中的图中的图7UML中的图中的图8（8）组件图（）组件图（Component Diagram） 用代码组件显示代码物理结构用代码组件显示代码物理结构。 组件可以是二进制组件、源代码组件或一个组件可以是二进制组件、源代码组件或一个可执行的组件。可执行的组件。 根据组件图中显示的那些组件之间的相互依根据组件图中显示的那些组件之间的相互依赖关系，可以很容易地分析出其中某个组件赖关系，可以很容易地分析出其中某个组件的变化将会对其他组件产生什么样的影响。的变化将会对其他组件产生什么样的影

22、响。UML中的图中的图8UML中的图中的图9（9）部署图（）部署图（Deployment Diagram） 显示系统中的显示系统中的硬件和软件的物理结构硬件和软件的物理结构。 可以显示实际的计算机和设备（或者可以显示实际的计算机和设备（或者Node），），它们之间必要的连接、连接的类型。它们之间必要的连接、连接的类型。 也可以显示组件之间的依赖关系。也可以显示组件之间的依赖关系。 UML中的图中的图9UML中的模型元素中的模型元素 模型元素：模型元素：在在UML各种图中使用的概念。各种图中使用的概念。 一个模型元素是用语义、该元素的正式定义或一个模型元素是用语义、该元素的正式定义或者用一条明确

23、的语句中该元素所代表的准确意者用一条明确的语句中该元素所代表的准确意义来定义的。义来定义的。 一个模型元素也有一个与之相对应的视图元素，一个模型元素也有一个与之相对应的视图元素，这些视图元素是模型元素的图形表示或者在这些视图元素是模型元素的图形表示或者在UML图中表示元素的图形符号。图中表示元素的图形符号。 常用的模型元素：类、对象、状态、节点、包常用的模型元素：类、对象、状态、节点、包和组件等。和组件等。 模型元素对应的视图元素模型元素对应的视图元素模型元素中的关系模型元素中的关系 关系：关系：模型元素之间的相互连接。模型元素之间的相互连接。UML中定义的关系：中定义的关系：（1）泛化泛化（

24、Generalization）：一个元素是另一个元素的特化，）：一个元素是另一个元素的特化，也称为继承关系。也称为继承关系。（2）关联关联（Association）：类实例之间连接的描述。）：类实例之间连接的描述。（3）聚合聚合（Aggregation）：一种关联的形式，一个元素包含）：一种关联的形式，一个元素包含其他一些元素。其他一些元素。（4）依赖依赖（Dependency）：两模型之间的关系，显示一个元）：两模型之间的关系，显示一个元素在某种程度上依赖于另一元素。素在某种程度上依赖于另一元素。 UML中的通用机制中的通用机制 UMLUML在所有的图形中都使用一些通用机制来描述在所有的图形

25、中都使用一些通用机制来描述图的附加信息。图的附加信息。 通用机制包括通用机制包括三个方面的内容：三个方面的内容：修饰、注解、修饰、注解、规格说明。规格说明。车载车载GPS终端系统简介终端系统简介 GPSGPS：全球定位系统（全球定位系统（Global Position Global Position SystemSystem）。）。 车载车载GPSGPS终端：终端：置于机动车内的实时定位装置。置于机动车内的实时定位装置。 应用对象：应用对象：需要定位、调度的车队。需要定位、调度的车队。车辆可以车辆可以通过终端和通过终端和GPSGPS卫星进行实时、准确的定位，卫星进行实时、准确的定位，并能够通过

26、无线通讯网络上报远程的车辆控制并能够通过无线通讯网络上报远程的车辆控制中心系统中心系统。车载车载GPS终端系统简介终端系统简介车载车载GPS终端终端需求分析需求分析 用例图分角色（用例图分角色（Actor）和案例（）和案例（Case）两部分。）两部分。角色：角色：与系统交互的人或物。与系统交互的人或物。车载车载GPS终端角色：终端角色：车辆调度中心用户和车载终端用户。车辆调度中心用户和车载终端用户。案例：案例：系统提供的功能块。系统提供的功能块。使用用例图观察系统能够将系统实现与系统目标分开，有使用用例图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，而不只

27、助于开发人员了解最重要的部分，满足用户需求，而不只是着眼于实现的具体细节。是着眼于实现的具体细节。车载车载GPS终端终端规格说明规格说明1 1（1）使用类图描述系统所要处理的数据结构。）使用类图描述系统所要处理的数据结构。 例如在车载例如在车载GPS终端的规格说明设计时可以终端的规格说明设计时可以使用类图描述需要接收的使用类图描述需要接收的GPS卫星信号。卫星信号。 车载车载GPS终端终端规格说明规格说明2 2（2）在规格说明阶段，还需要识别出系统的对象。）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；首先以功能块划分，广泛地找出系统的主要对象；然后使用协

28、作图描述它们之间的关系。然后使用协作图描述它们之间的关系。下图描述了车载下图描述了车载GPS终端的主要对象，根据框图可以进行终端的主要对象，根据框图可以进行进一步的细化。进一步的细化。车载车载GPS终端终端规格说明规格说明3 3（3）在规格说明阶段还需要进行系统的业务描述，即规范系）在规格说明阶段还需要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。统完成一定功能的主要流程。可以利用活动图进行描述。可以利用活动图进行描述。下图显示了当下图显示了当GPS数据到达时，车载数据到达时，车载GPS终端系统所进行终端系统所进行的处理流程。的处理流程。 车载车载GPS终端终端系统体系结构系统体系结构 规格说明完成后，需要对系统的各个模块及模块规格说明完成后，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。硬件完成，哪些部分使用软件实现。 在本例中，需要在本例中，需要硬件实现的模块：硬件实现的模块：电源模块、电源模块、GPS接收模块、接收模块、LCD显示模块、用户控制模块和显示模块、用户控制模块和GSM