嵌入式系統設計

　　嵌入式系統設計【1】

　　[摘 要]嵌入式系統是以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

　　嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和具體應用相結合的產物。

　　[關鍵詞]嵌入式系統 設計

　　嵌入式系統是以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

　　嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和具體應用相結合的產物。

　　近年來,在計算機、互聯網和通信技術高速發展的同時,嵌入式系統開發技術取得迅速發展,嵌入式系統應用范圍也急劇擴大。

　　從小到電子手表、電子體溫計、翻譯機等,大到如冷氣機、電冰箱、電視機,甚至馬路上紅綠燈的控制器、戰斗機中的飛控系統等。

　　嵌入式系統幾乎無處不在:

　　1 嵌入式系統的特點

　　與通用計算機系統相比,嵌入式系統有其自身的特點:

　　(1)嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術以及電子技術與各個行業的具體應用相結合的產物,這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。

　　(2)嵌入式系統通常是面向用戶、面向產品、面向特定應用的。

　　(3)嵌入式系統和具體應用相結合,其升級換代也是和具體產品同步進行的。

　　因此嵌入式系統產品一旦進入市場,就具有較長的生命周期。

　　2 嵌入式系統的發展趨勢

　　消費家電的智能化,為嵌入式系統的發展展現出美好的市場前景,也對嵌入式系統提出新的發展要求;微電子技術和系統設計方法的進步,使得嵌入式系統的發展呈現出以下趨勢:

　　(1)隨著嵌入式系統功能的增加,嵌入式系統處理的信息和數據量越來越大,系統對處理的響應時問也要求更嚴格,嵌入式處理器的主頻會越來越高,甚至采用多核的方式來應付日益增長的性能要求。

　　(2)嵌入式系統在工業領域和某些特殊場合的廣泛應用,要求嵌入式系統具有遠程控制軟件更新和故障診斷的能力。

　　(3)隨著嵌入式系統在手持設備上的大量應用,手持設備的特點要求嵌入式系統功耗、體積更小,重量更輕。

　　(4)嵌入式系統將具有更加高速的通信接口,如USB2.0、千兆以太網等。

　　3 嵌入式系統設計流程

　　嵌入式系統開發分為軟件開發部分和硬件開發部分。

　　嵌入式系統開發過程一般都采用“宿主機/目標板”開發模式,即利用宿主機(PC機)上豐富的軟硬件資源及良好的開發環境和調試工具來開發目標板上的軟件,然后通過交叉編譯環境生成目標代碼和可執行文件,通過串口FUSB/以太網等方式下載到目標板上,利用交叉調試器在監控程序運行,實時分析,最后,將程序下載固化到目標機上,完成整個開發過程。

　　當前,嵌入式開發已經逐步規范化,在遵循一般工程開發流程的基礎上,嵌入式開發有其自身的一些特點,圖1所示為嵌入式系統開發的一般流程。

　　流程主要包括系統需求分析佞求有嚴格規范的技術要求)、體系結構設計、軟硬件及機械系統設計、系統集成、系統測試、最終產品。

　　具體情況如下:

　　(1)系統需求分析:確定設計任務和設計目標,并提煉出設計規格說明書,作為正式設計指導和驗收的標準。

　　系統的需求一般分功能性需求和非專題與綜述功能性需求兩方面。

　　功能性需求是系統的基本功能,如輸入輸出信號、操作方式等;非功能需求包括系統性能、成本、功耗、體積、重量等因素。

　　(2)體系結構設計:描述系統如何實現所述的功能和非功能需求,包括對硬件、軟件和執行裝置的功能劃分,以及系統的軟件、硬件選型等。

　　一個好的體系結構是設計成功與否的關鍵。

　　(3)硬件/軟件協同設計:基于體系結構,對系統的軟件、硬件進行詳細設計。

　　為了縮短產品開發周期,設計往往是并行的。

　　嵌入式系統設計的工作大部分都集中在軟件設計上,采用面向對象技術、軟件組件技術、模塊化設計是現代軟件工程經常采用的方法。

　　(4)系統集成:

　　把系統的軟件、硬件和執行裝置集成在一起,進行調試,發現并改進單元設計過程中的錯誤。

　　(5)系統測試:對設計好的系統進行測試,看其是否滿足規格說明書中給定的功能要求。

　　4 嵌入式系統設計面臨的挑戰

　　要求更高的應用需求推動嵌入式設計從8/16位轉向功能更強大的32位MCU。

　　這種升級給工程師帶來了嚴峻的挑戰,提出了一系列前所未有的全新問題。

　　(1)轉變觀念,需要熟悉新的開發模式。

　　嵌入式系統應用不再是過去單一的單片機應用模式,而是越來越多樣化,嵌入式系統實現的最高形式是片上系統SoC,而SoC的核心技術是重用和組合IP核構件。

　　從單片機應用設計到片上系統設計及其中間的一系列的變化,從底層大包大攬的設計到利用FPGA和IP模塊進行功能組合PSoC/SOPC設計。

　　(2)技術門檻提高,需要學習全新的RTOS技術。

　　(3)選擇合適的開發工具,熟悉新的開發環境。

　　目前從8位升級到32位的一個最大障礙就是開發工具的投入。

　　32位開發工具要比8位開發工具復雜得多,使用的技術門檻要高得多,同時其投資也要高得多。

　　(4)熟悉硬件/軟件協同設計和驗證技術、設計管理技術。

　　軟/硬件并行設計是嵌入式系統設計的一項關鍵任務。

　　在設計過程中的主要問題,是軟硬件設計的同步與集成。

　　這要求控制一致性與正確性,但隨著技術細節不斷增加,需要消耗大量的時間。

　　目前,業界已經開發Polis、Cosyma及Chinook等多種方法和工具來支持集成式軟硬件的協同設計。

　　目標是提供一種統一的軟硬件開發方法。

　　它支持設計空間探索,并使系統功能可以跨越硬件和軟件平臺復用。

　　團隊開發的最大問題就是設計管理問題。

　　(5)SoC設計所面臨的巨大的挑戰。

　　SoC已經開始成為新一代應用電子技術的核心,這已成為電子技術的革命標志。

　　過去應用工程師面對的是各種ASIC電路,而現在越來越多所面對的是巨大的IP模塊庫,所有設計工作都是以IP模塊為基礎。

　　SoC設計技術使嵌入式系統設計工程師變成了一個面向應用的電子器件設計工程師。

　　隨著SoC應用的日益普及,在測試程序生成、工程開發、硅片查錯、量產等領域對SoC測試技術提出了越來越高的要求。

　　[參考文獻]

　　[1] DSP技術及應用.黃仁欣.2002年出版.

　　[2] 單片機技術.彭永.2007年12月出版.

　　[3] 電子感測技術.周南山.2007年出版.

　　[4] 電子技術基礎.韋鴻.2008年出版.

　　嵌入式系統【2】

　　人類在經歷了桌面系統的空前繁榮之后，嵌入式系統的發展正風起云涌，廣泛進入到工業，軍事，通信，運輸，金融，醫療，氣象，農業等眾多領域。

　　通常情況下，人們往往會忽視自己身邊的嵌入式系統。

　　比如手機，取款機或者電梯等等，在這些隨處可見的設備中就存在嵌入式系統;此外，嵌入式系統還經常在工業機器人，醫療設備，衛星，飛行系統等領域扮演著更為重要的角色。

　　正是“看不見”和“無所不在”這樣的特性使得嵌入式計算機系統有別于傳統的計算機系統。

　　它與通用計算機系統相比具有以下特點：軟硬件一體化，集計算機技術、微電子技術和行業技術為一體;需要操作系統支持，代碼小，執行速度快;專用緊湊，用途固定，成本敏感;可靠性要求高;多樣性，應用廣泛，種類繁多。

　　一、嵌入式系統簡介

　　所謂嵌入式系統(Embedded Systems)是“嵌入式計算機系統”的簡稱，是相對于通用計算機系統而言的。

　　嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。

　　它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

　　嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。

　　嵌入式微處理器和外圍設備共同組成了一個嵌入式系統的硬件部分。

　　嵌入式微處理器是嵌入式系統的核心。

　　嵌入式系統的軟件部分包括操作系統軟件(OS)(要求實時和多任務操作)和應用程序編程。

　　有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。

　　應用程序控制著系統的運作和行為;而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。

　　二、嵌入式系統的分類

　　嵌入式系統涵蓋的面非常之廣泛，除PC系統以外的所有用到CPU的系統都為嵌入式系統，而且嵌入式系統有大有小，大到類似于PC的系統，小到類似于電飯爐這樣的微控制系統。

　　具體分類：(1)信息家電，如機頂盒、DVD等;(2)信息終端，如手機、PDA等;(3)工業控制，如機器人，智能儀表等;(4)交通管理，如GPS,GSM模塊;(5)電子商務，如公共電話卡發行系統，自動售貨機等;(6)環境檢測，等等。

　　三、嵌入式系統發展趨勢

　　1、嵌入式應用軟件的開發需要強大的開發工具和操作系統的支持。

　　隨著因特網技術的成熟、帶寬的提高，ICP和ASP在網上提供的信息內容日趨豐富、應用項目多種多樣，嵌入式電子設備的功能不再單一，電氣結構也更為復雜。

　　為了滿足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力;同時還采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。

　　2、互聯網成為必然趨勢。

　　為適應嵌入式分布處理結構和應用上網需求，面向21世紀的嵌入式系統要求配備標準的一種或多種網絡通信接口。

　　針對外部聯網要求，嵌入設備必需配有通信接口,相應需要TCP/IP協議簇軟件支持;由于家用電器相互關聯(如防盜報警、燈光能源控制、影視設備和信息終端交換信息)及實驗現場儀器的協調工作等要求，新一代嵌入式設備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時也需要提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。

　　為了支持應用軟件的特定編程模式，如Web或無線Web編程模式，還需要相應的瀏覽器，如HTML、WML等。

　　3、支持小型電子設備實現小尺寸、微功耗和低成本。

　　為滿足這種特性，要求嵌入式產品設計者相應降低處理器的性能，限制內存容量和復用接口芯片。

　　這就相應提高了對嵌入式軟件設計技術要求。

　　如，選用最佳的編程模型和不斷改進算法，采用Java編程模式，優化編譯器性能。

　　因此，既要軟件人員有豐富經驗，更需要發展先進嵌入式軟件技術，如Java、Web和WAP等。

　　4、提供精巧的多媒體人機界面。

　　嵌入式設備之所以為億萬用戶樂于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機交互界面，如司機操縱高度自動化的汽車主要還是通過習慣的方向盤、腳踏板和操縱桿。

　　人們與信息終端交互要求以GUI屏幕為中心的多媒體界面。

　　手寫文字輸入、語音撥號上網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。

　　目前一些先進的PDA在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發布，但離掌式語言同聲翻譯還有很大距離。

　　總之，中國的單片機應用和嵌入式系統開發走過了15年的歷程，但大多仍處于是以3-5個人為小組的封閉方式開發為主。

　　今天面對的嵌入式系統工業化的潮流，如果我們不能認識到嵌入式軟件必須以工業化的方式生產開發，不理解在短時間內裝配集成“數百人年”嵌入式產品軟件庫固化于芯片之中的方法，那么我們將失去更多“上游”產品的市場機遇;反之在我國大力推動和建設“嵌入式軟件工廠”，使我國的嵌入式軟件庫(零件)產品化并溶入國際市場，對加速知識創新和建立面向21世紀的知識經濟具有戰略意義。

　　參考文獻：

　　1、馬忠梅,李善平,康慨等.ARM & Linux嵌入式系統教程.北京:北京航天航空大學出版社,2004.

　　2、沈文斌.嵌入式硬件系統設計與開發實例詳解.北京:電子工業出版社,2005.

　　3、陳渝,李明,楊曄等.源代碼開發的嵌入式軟件分析與實踐.北京:北京航天航空大學出版社,2004.

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