嵌入式计算系统设计原理第一章

系统设计技术
主要内容： 设计方法学 讨论需求分析 形式化说明系统功能的技术 系统分析和体系结构设计 质量保证问题
设计方法学
重点讨论嵌入式计算系统的设计过程。 由于嵌入式计算系统十分复杂，多由开 发小组共同设计，好的方法对于建立一 个能正常工作的系统至关重要。 错误会导致用户不满甚至危及用户的安 全。（例如99年美国的火星气候探测器 的失踪，原因在于需求数据单位有误）。
2.集成式芯片：SoC 集成电路技术可以 让数百万以上晶体管电路做在同一芯片 上，包含CPU, Memory, DSP, flash等， 乃至操作系统，形成一个单一的完整系 统，即所谓“片上系统”（System-onchip, ），亦可称为“系统芯片”。 SoC研究的主要内容包括系统设计、系 统平台建立以及相关SIP的设计、验证与 集成等。
嵌入式系统软件开发
嵌入式系统是一种根据特定用途所开发 的系统，因此它的开发过程与开发环境 也随之和一般在桌面型系统开发应用程 序有着显著的不相同。 嵌入式系统因为具备ROMization的特性， 也就是说最后会把软件转换成固件的形 式，并存放在ROM里面，因此开发这种 程序时必须考虑到如何做这些转换以及 做转换时存在的限制。
嵌入式系统的学习
包含多个领域： 硬件（芯片、电路、接口设计）； 软件、固件（Firmware）系统集成，各 种应用程序和服务的提供。 需要软硬件兼备的知识。
须具备的能力
系统集成能力：
计算机架构、组织与操作系统、实时操作系统、数字 信号处理、人工智能、集成电路设计等。
程序语言编写能力：
嵌入式系统的架构
嵌入式系统的架构可分成五个部分：
处理器、 内存、 输出／输入、 操作系统与应用软件。
典型的嵌入式系统架图
嵌入式系统的组成
包括硬件与软件。 硬件包括单芯片控制电路、网络功能、 无线通信等。 软件指信息、通信网络等产品系统中必 备软件，完成对硬件产品的驱动、控制 处理及基本接口功能。 目前，硬件技术大幅进步，软件有极大 成长空间。
应用程序、驱动程序、系统移植集成程序设计人员； 汇编语言、C/C++、Java语言。
市场应用导向：
中间软件（介于OS和应用程序之间的软件）。如通 信协议、安全机制、软件引擎等。用统一标准设计， 通过应用程序界面让应用程序使用这些功能。
未来嵌入式系统展望
集成服务导向： 嵌入式产品无法以零件形式进入市场，应建 立良好的服务架构、网络技术及人机接口， 通过网络连接提供便捷服务。 轻薄小型人性化 软硬件网络无线集成 创意产生与实现
国内发展趋势
从技术方面来看，技术已经成熟，但就入门 来说专业门槛较高，例如需要有微电脑架构、 信息软硬固件、实时性操作系统、DSP等背景 知识，而高级设计更需要有传感器与人工智 能等方面的专业知识。 后PC时代种种需要复杂运算功能的数字应用 系统，其核心肯定是低成本高效率的实时性 嵌入式系统。 国内在这一方面的人才依然相当缺乏，一般 应用产品设计公司依然会有其技术瓶颈，在 当今软件与操作系统激烈竞争的时代，以市 场方面来看这种技术在未来十年内还存在巨 大的潜力。
信息家电与嵌入式系统
信息家电是嵌入式系统领域中发展最快 的分支。原因为： 国际互联网普及； 半导体设计及制造技术大幅度改善； 3C（Computer, Communication, Consumer Electronics）技术的快速集成； 用户需求增大； 信息服务应用生活化。
系统开发的程序及架构图
嵌入式系统开发的工具包括： 人机界面（智能人机接口）、系统程序、 仿真程序、模块集（包括：CPU模块、 I/O模块、功能模块）。 整体系统的输出为软件目标文件和硬件 规划文件。用户依照硬件规划文件制作 硬件，然后将软件刻录在ROM上，即可 得到所需的嵌入式系统。
嵌入式系统开发工具图
3.应用软件 嵌入式软件可区分为用户端的应用软 件及服务器端的集成软件。服务器端的 软件可以以Linux或是Windows为核心， 并搭配各种数据库系统；用户端由于各 种产品种类繁多，可开发出的软件也相 对增加，例如Palm号称有上万种应用软 件可以使用。除了原本各种平台专用的 应用软件之外，现在更有利用Java跨平 台程序开发的软件加入，使得软件的种 类变得更多。
嵌入式系统的软件组成
嵌入式系统的发展趋势
未来的嵌入式系统发展趋势将向软硬系统集 成、SoC设计、应用程序开发以及内容服务 这四个方面来发展： 1．系统：嵌入式操作系统（RTOS)与PC操 作系统（W in98/2000等）比较，嵌入式操作 系统并未要求到全能的地步，但必须能够依 据系统设计规格，有效地发挥出硬件的运算 能力，使得产品达到效率／价格比的最优化。 大多数的系统会要求全自动完成所设定的工 作。
嵌入式计算系统 设计原理
李咏梅
主要内容
嵌入式计算及相关知识 嵌入式软硬件构件及计算平台 程序设计与分析 嵌入式操作系统 系统设计技术
第一部分
嵌入式计算及相关知识 系统设计国电机工程师 协会所做的定义，“嵌入式系统为控制、 监视或辅助某个设备、机器或工厂运作的 装置”。它具备了下列四项特性： 1．用来执行特定功能 2. 以微电脑与周边外设构成核心 3. 需要严格的时序与稳定度 4. 全自动循环操作 嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体， 可涵盖机械或其他的附属装置。整个综合 体设计的目的在于满足某种特殊功能。 开发原则：量身定做
嵌入式产品所需处理器及芯片组比PC要求体 积小、散热好、省电，因此多采用高集成度的 SoC (System-on-Chip)为其处理器核心。为了 尽快缩小制作技术进步与设计生产力间的差距， 并加速SoC的实现，SIP (Silicon Intellectual Porperty）的重复使用(Re-Use)成为各方瞩目的 焦点。 SIP即硅智能产权（Silicon Intellectual Property），或半导体智能产权 （Semiconductor Intellectual Property），在智 产权前面加上硅或半导体，是为了要与一般所 称的智产权有所区分。
信息家电
IA (Information Appliance)信息家电，可 以定义为：能与网际网络互动，专为特 定功能而设计，并且易于使用的产品。 信息家电是一种专门应用于信息方面的 家电，应用范围包含知识、新闻、图形、 图像、影片及声音，具有特定的功能， 最重要的是这些信息家电彼此之间可以 交换信息。
嵌入式系统的例子
过程控制 食品加工 化工厂 汽车 引擎控制 防抱死制动系统 办公室自动化 传真机 复印机 计算机外围设备 打印机 终端 扫描仪 调制解调器
通信 交换机 路由器 机器人 航空 飞行管理系统 武器系统 喷气式引攀控制 家电产品 微波炉 洗碗机 洗衣机 恒温器 通常来说，实时软件应用程 序比非实时应用程序更加难 于设计。
系统规划与设计 （系统设计与评估 ）
Garbage in, Garbage out！
开发产品到最后，常常会感叹最重要的 一件事情其实是系统的规划与设计，一 个系统当初没有设计好，最后的产品一 定是垃圾，彻底符合信息产业的一句名 言："Garbage in, Garbage out！”。 系统设计的首要任务是确定规格。必须 很清楚的了解到底要哪些功能，功能达 到什么样的程度，才可以非常顺利地建 立出自己想要的系统。
嵌入式系统（Embedded System) 结合微处理器 或微控制器的系统电路与其专用的软件，来达 到系统运作效率成本的最优化。 今天凡移动电话、手表、电子游戏机、PDA, 电视、冰箱等家用电子与通信产品，电动机车、 电动自行车乃至于电车等电动交通工具的控制 核心，无不与嵌入式系统息息相关。 在后PC时代，家电、玩具、汽车、新一代手 机、数码相机、先进的医疗仪器乃至于即将到 来的智能型房屋、智能型办公室、与其他跟电 相关的器材设备更是缺少不了嵌入式系统这个 核心技术。
嵌入式计算应用的特点
与为个人电脑或工作站写的程序相比， 嵌入式计算应用程序在许多方面要满足 更多的要求。 功能性对于通用计算或是嵌入式计算来 说都是很重要的，但是嵌入式应用程序 有更多的约束。 另一方面，嵌入式计算系统必须提供更 加精细的功能：
复杂的算法 微处理器进行的操作通常是十分 精密的 。 用户界面 微处理器经常被用于控制复杂的用 户界面。如全球定位系统（GPS）上的移动地 图 实时 实时方式下工作 时，超过时限会引起多 种问题。 多速率 当同时运行多个实时动作，它必须同 时控制这些动作。如多媒体数据流的音频和视 频部分以不同的速率播放，但是它们必须保持 同步。 制造成本 功率
嵌入式计算机系统
它是任意包含一个可编程计算机的设备，但 是这个设备不是作为通用计算机而设计的。 一台个人电脑并不能称之为嵌入式计算系统， 尽管个人电脑经常被用于搭建嵌入式计算系 统。 一台包含了微处理器的传真机或时钟就可以 算是一种嵌入式计算系统。 嵌入式计算系统的设计可以应用于多种类型 的产品设计。 在许多领域，设计者必须做出判断可以在哪 些部分使用微处理器，设计出一套带有输入 输出设备的硬件平台以满足所要完成的任务， 并设计出相应的软件来执行相关的操作。
实时系统概念
实时系统的特点是在系统的逻辑性和时序正 确性得不到保证时将产生严重后果。目前有 两类实时系统：SOFT和HARD。 在一个SOFT实时系统中，任务由系统尽可 能快地执行，但是这些任务不必要在特定的 时间内完成。 在一个HARD实时系统中，任务执行过程不 但必须正确而且必须准时。 大多数的实时系统是SOFT和HARD需求的结 合。 实时应用程序涉及范围广泛，但是大多数的 实时系统是嵌入式的。这就意味着计算机被 构建到一个系统中，使用户看不出它是一台 计算机。
4.服务 由于嵌入式产品必须能随身携带或 走入居家生活，所以体积上要求轻薄小 型、造型及颜色必须个人化、输入必须 自然化、输出必须多媒体化才能吸引消 费者； 另外由于嵌入式产品与网络结合， 所以与网络服务提供商或电子商务业者 极易结合，也就是嵌入式产品连上网络 的入口，网站及其内容(HTML/XML )可 能由厂商负责提供。