嵌入式系统设计技术

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软件平台的选择Ⅱ
2.编程语言的选择主要考虑以下因素：
➢① 通用性。 ➢② 可移植性程度。 ➢③ 执行效率。 ➢④ 可维护性。
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软件平台的选择Ⅲ
3.集成开发环境IDE考虑的因素:
➢ ① 系统调试器的功能。 ➢ ② 支持库函数。与选择硬件和操作系统的原则一样：
除非必要，尽量采用标准的 glibc。 ➢ ③ 编译器开发商是否持续升级编译器。 ➢ ④ 连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式。
使用需求表格将系统的功能性需求和非功能性 需求综合起来。
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规格说明阶段
对需求进行提炼，得到系统的规格说明，这些规格说明 里包含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。 规格说明作为分析结果，它是系统开发、验收和管理的 依据。因此，规格说明必须足够的清晰和明白。通过验 证规格说明检查它是否符合系统需求并且完全满足客户 的期望和要求。规格说明不能有任何歧义，应该让系统 的设计者明确地知道他们需要构造的是怎样的一个系统。 规格说明必须认真仔细地编写，以便能够精确详尽地反 映客户对系统各方面的需求，并且作为设计时必须明确 遵循的要求和准则。
USB
用户输入 （如键盘）
RS232
ARM7TDMI
MP3解码/DAC/音 频放大器
IDE连接器
SDRAM
MP3随声听的硬件组成
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中间层
中 间 层 也 称 为 硬 件 抽 象 层 （ Hardware Abstract Layer,HAL）或板级支持包（Board Support Package， BSP），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。
宿主机（通用个人计算机PC）
RS232/以太网 RS232/以太网
目标机（嵌入式开发系统）
硬件调试器（如 JTAG仿真器）
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3
“宿主机/目标机”方式Ⅱ
➢首先，利用宿主机上丰富的设备资源以及良好 的开发环境来开发和仿真调试目标机上的软件。 ➢然后，通过UART接口或Ethernet接口将交叉编 译生成的目标代码传输并下载到目标机上，并用 交叉调试器在实时内核/操作系统或监控程序的 支持下进行实时分析和调试。 ➢最后，目标机在特定的环境下运行。
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UML中的图Ⅰ(1)
UML共有9种不同类型的图，包括用例图、类图、对象 图、状态图、顺序图、协作图、活动图、组件图和部 署图。
➢ 1.用例图（Use Case Diagram）:
显示多个外部参与者（Actor）以及它们与系统提供 的用例之间的连接。图示见下页。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些功能，并不描述这些功能 在系统内部是如何实现的，也就是说，用例定义系统 的功能需求。
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嵌入式系统的设计流程
开始 系统需求分析阶段
规格说明阶段
体系结构设计阶段
硬件构件设计
软件构件设计
执行装置设计
系统集成
系统测试
嵌入式产品发布
结束
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需求分析阶段
嵌入式系统的特点决定了系统在开发设计初期 的需求分析过程中就要搞清需要完成的任务。
➢功能性需求：是系统的基本功能，如输入输出信号、操 作方式等； ➢非功能性需求：包括系统性能、成本、功耗、体积、重 量等因素。
嵌入式系统设计需要交叉开发环境；
嵌入式系统的程序需要固化；
嵌入式系统的软件开发难度较大 ；
嵌入式系统还需要提供强大的硬件开发工具和软件包 的支持，需要设计者从速度、功能和成本综合考虑。 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更为严格和苛刻。
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系统集成和测试
在系统的硬件构件和软件构件建立起来后，将硬件构 件、软件构件和执行装置集成在一起才能得到一个可 以运行的系统。
分阶段架构整个系统并且正确运行事先选择好的测试 程序。
嵌入式系统集成过程中使用的调试工具很有限，常用 的调试工具在前面已经介绍过。
嵌入式系统的软件测试与通用软件的测试相似，分为 单元测试和系统的集成测试。常用有黑盒测试和白盒 测试两种测试方法。
BSP具有以下两个特点：
➢1)操作系统相关性
➢2)硬件相关性
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：
➢嵌入式系统的初始化:片级初始化、板级初始化和系统 级初始化
➢设计硬件相关的设备驱动。
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软件层
软件层由实时多任务操作系统（RTOS）、文件 系统、图形用户接口（GUI）、网络系统及通 用组件模块组成。
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软件平台的选择Ⅳ
4.硬件调试工具的选择:
好的软件调试程序可以有效地发现大多数的错误，但 是如果再选择一个好的硬件调试就会达到事半功倍的效 果。常用的硬件调试工具有以下几种： ➢①实时在线仿真器(ICE，In-Circuit Emulator)。 ➢②驻留监控软件。 ➢③ROM仿真器。 ➢④ JTAG仿真器。是目前使用最广泛的调试手段。
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硬件层
硬件层是由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口和I/O接 口（A/D 、D/A、I/O等）组成。在一片嵌入式微处理器基础上增 加电源电路、时钟电路和存储器电路（ROM 和SDRAM等），就构成 了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固 化在ROM中。
LCD
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功能层与执行装置
功能层：由基于RTOS开发的应用程序组成，用 来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，为方便用户操作，往往需要提 供一个友好的人机界面。
执行装置：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 设备和装置。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 场合和系统所要求实现的功能选择不同的设备和 执行装置。
1.操作系统的选择需要考虑到以下几个方面：
➢ ① 操作系统本身所提供的开发工具。 ➢ ② 操作系统向硬件接口移植的难度。 ➢ ③ 操作系统的内存要求。 ➢ ④ 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的系统API。 ➢ ⑤ 操作系统是否提供硬件的驱动程序，如网卡驱动程
序等。 ➢ ⑥ 操作系统的是否具有可剪裁性。 ➢ ⑦ 操作系统的实时性能。
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软件组件的选择
授权软件组件的费用一般都很高，但大都经过严格的 测试，可靠性高，调试时间短。反之免费组件。
现在也有一些免费的自由软件组件，它们的性能、可 靠性也很好。因此开发人员在选择的时候要加以权衡， 确定哪种方案更好。
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实例：设计便携式网络电视Ⅰ
卫星信号 解码
< Contains
RecordGrade()
1
1…* UpdateGrade() 1…*
1
DeleteGrade()
QueryGrade ()
成绩报告卡 Generate()
^ Displays
网站
Login() View () Query()
< Uses
在线用户 （学生）
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UML中的图Ⅲ
➢ 3) 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；
➢ 4) UML语言是第三代面向对象建模语言的标准，被绝大多数业内 人士认同；
➢ 5) UML采用图形化的设计，将系统的核心部分描述出来，可以供 以后系统开发使用；
➢ 6) 有利于项目的回溯和测试。
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UML的组成部分
作为一种可视化建模语言，UML采用的是一种图形表示 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个系统的功能和设计。
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统一建模语言UML概述
统一建模语言UML是可视化建模语言中的一种，属于第 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，便于人员交流。
采用UML进行设计具有以下特点和优势：
➢ 1) UML语言简单,易学、易用；
➢ 2) UML采用可视化的图形描述，比较形象直观；
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“宿主机/目标机”方式Ⅰ
嵌入式系统的开发通常采用“宿主机/目标机”方式。
宿主机（Host）是一台通用的计算机，一般是PC机。它通过串口 或网络连接与目标机进行通信。
目标机（Target）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境，也可以是能替代实际环境的仿 真系统。
➢ (1) 视图（View） ➢ (2) 图（Diagram） ➢ (3) 模型元素（Model Element） ➢ (4) 通用机制（General Mechanism）
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UML中的视图
UML中提供的视图共有五种：
用例视图描述系统应该交付的功能，也就是外部参与者（Actor）观 察到的系统功能。 逻辑视图从系统的静态结构和动态行为角度显示如何实现系统的功 能。 组件视图显示的是代码组件的组织结构。 并发视图显示的是系统的并发性，解决在并发系统中存在的通信和 同步问题。 部署视图显示的是系统的具体部署。
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体系结构设计
体系结构是系统整体结构的一个规划和描述，设计完成 之后用于构建整个体系结构的构件。
体系结构描述了系统如何实现所述的功能和非功能的需 求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统 的软件、硬件选型等。
一个好的体系结构是设计成功与否的关键。
通常硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、操作 系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件 组件等。其中，通常，处理器是最重要的，同时操作系 统和编程语言也是非常关键的。处理器的选择往往同时 会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限制开发 工具的选择。
解密模块
屏幕输出
便携式网络电视的软件工作原理图
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设计硬件构件和软件构件
构件的设计应与体系结构和规格说明保持一致。 通常为了缩短产品的开发周期，往往硬件和软
件的设计是并行的。 总的来说，嵌入式系统设计的工作大部分集中
在软件设计上，采用面向对象的技术、软件组 件技术、模块化设计是现代软件工程当中经常 采用的方法。
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UML中的图Ⅰ(2)
记录成绩 浏览成绩
学生
分发报告卡
教师Biblioteka 一个评分系统的用例图精品ppt课件
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UML中的图Ⅱ
➢ 2.类图（Class Diagram）:
类图用来显示系统中各个类的静态结构。这些类可
以以多种方式相互连接在一起：关联、依赖、特殊化
或者打包。
教师
成绩
Maintains >
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硬件平台的选择
处理器选择要考虑的主要因素有：
➢① 处理器的性能 ➢② 处理器的技术指标。 ➢③ 功耗。 ➢④ 软件支持工具。 ➢⑤ 处理器是否内置调试工具。 ➢⑥ 供应商是否提供评估板。 ➢ ⑦其它因素：生产规模、开发市场的目标、软件对硬 件的依赖性。
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软件平台的选择Ⅰ
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嵌入式系统的组成
执行装置
被控对象（如 微型电机）
功能层 软件层 中间层
硬件层
应用程序
文件系统
图形用户接口 任务管理 (GUI)
实时操作系统（RTOS）
HAL/BSP硬件抽象层/板级支持包
通用接口
D/A
嵌入式微处理器
ROM
A/D
(MCU)
SDRAM
I/O
人机交互接口
嵌入式 计算机
系统
数据处理 用户界面
无线网络
声像处理 存储
卫星信号接 收器
解调器
总线
解码器 （cpu）
存储器
无线网卡
触摸传感器
LCD显示
便携式网络电视的主体框架
便携式网络电视的硬件结构
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实例：设计便携式网络电视Ⅱ
无线网络
网络模块
卫星数据传输流 加密流
EPG信息 软解码
界面模块
FLASH存储 节目信息
第6章 嵌入式系统设计技术
本章主要内容： ➢ 嵌入式系统设计的特点 ➢ 嵌入式系统的组成 ➢ 嵌入式系统的设计流程 ➢ 统一建模语言UML ➢ 设计示例：车载GPS终端系统的设计
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嵌入式系统设计的特点
嵌入式系统通常是面向特定应用的系统；
嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量体裁 衣、去除冗余；
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 RTOS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，相当于用户的主程序， 用户的其他应用程序都建立在RTOS之上。RTOS 是一个标准的内核，它将CPU时钟、中断、I/O、 定时器等资源都封装起来，留给用户的是一个 标准的API函数接口。
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