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3
挑战性的设计问题
成本省和开发周期短 软硬件协同设计 代码优化 嵌入式操作系统优化 功耗的优化设计 如何进行测试
4
设计流程—自顶向下或自底向上设计
自顶向下 设计
需求 设计说明 体系结构 构件设计 系统集成
自底向上 设计
5
需求分析
作用 使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标 设计者 － 设计什么？有哪些要求？ 用户 － 将得到的系统是什么样的？
读入整幅图像数据，然后再进行处理，简称Frame-In模式 读取一个图像点，就处理一个图像点，简称Pixel-In模式
数据的输出也有方式：
整幅图像数据处理完成后，一次性的存储到外部缓存中， 简称Frame-Out模式
逐个像素点的存储。每处理完一个点就输出处理结果，简 称Pixel-Out模式
面向对象的方法(OOA/OOD)，90年代开始流行
OOA：Object-Oriented Analysis，主要原则包括：抽象、封装、继承、分类、聚 合、关联等
OOD：Object-Oriented Design，过程和数据结构都被对象隐藏起来，两者几乎 是互不相关的
UML建模
15
结构设计的验证
Y a11 a12 a13 R
u a21 a22 a23 G
v a31 a32 a33 B
图像的彩色空间变换公式
20
系统数据处理流程
Phase 1
Phase 2
Phase 3
输入接口
处理器
输出接口
21
需求说明书 需求分析表
形式化描述
用例图等 需求管理工具DOORS
8
例：GPS移动地图的需求
9
规格说明
规格说明与需求的比较
需求的提炼 是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、
更精确、更一致的描述
目标
形成规格说明书
内容
包含系统体系结构设计的足够信息
10
23
输入、输出性能分析
无论哪种方式（pixel/Frame模式），对IO接口的 最低要求是：
每个像素有3bytes的数据输入（RGB），3bytes输出 （YUV），输入输出基本对称 1 pixel = 3次读操作 + 3次写操作
系统分析与功能模块确定 软硬件划分 系统软硬件整体结构的设计 标准构件和自行设计构件的确定
12
系统结构设计
13
系统结构设计过程及方法
结构化设计方法 以算法为中心，从处理到处理的数据流
从输入、输出入手，根据操作和数据流，形成比较粗 的系统大框架；
然后逐步细化框架内的每个部分，进一步确定内部模 块的及模块之间的关系
引入错误数目
修改错误开销
系统结构 软硬件
设计
详细设计
软硬件 实现
开发周期
17
软硬件的划分
嵌入式系统的设计涉及硬件与软件部件，设计中必 须决定什么功能由硬件实现，什么功能由软件实现。 硬件和软件具有双重性 软硬件变动对系统的决策造成影响 划分和选择需要考虑多种因素 硬件和软件的双重性是划分决策的前提
目标 形成需求文档
内容
功能性需求 做什么？
输入,输出,功能，……
非功能性需求 其他属性
可靠性，速度，功耗，…… 成本,大小,重量,设计时间， ……
6
评价标准
正确性 无二义性 完整性 可检验性 一致性 可修改性 可追踪性
7
需求分析的描述
自然语言
算法分析
Y a11 a12 a13 R
u a21 a22 a23 G
v a31 a32 a33 B
每次运算只涉及1个像素 每个像素的运算量是：9次乘法+6次加法
22
根据每次运算只涉及到1个pixel，可以采用两种可 能的输入方式
系统设计方法
1
嵌入式系统的设计
问题：
功能、性 能要求等
约束:
价格、开 发周期等
设计：
算法方案 选择 折衷 分析比较 评价
嵌入式系统
方法
工具
2
设计要解决的主要问题
需要用什么样的系统结构来实现？ 如何满足时限要求，如何处理多项功能在时间上的协
调一致关系？ 如何保证系统可靠地工作？ 如何满足系统接口要求，如何设计美观且有效的UI？ 如何降低系统的功耗？ 如何使系统可升级？
设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程
面向对象的方法 以类及交互模式为中心
14
系统软件结构的设计
结构化方法(SC/SD)，70-80年代占优势
结构化设计方法给出一组帮助设计人员在模块层次上区分设计质量的原理与技 术。重视数据结构和处理数据结构的过程。
概要设计工具——结构图（SC: Structure Chart ） 结构化设计方法（SD：Structured Design），过程设计语言（PDL）
wk.baidu.com
规格说明
需求的精确描述
描述明确，可理解 UML (Unified Modeling Language)
统一建模语言是可视化的设计说明语言 统一描述系统的硬件和软件
UML 可对系统的功能建模 可自动产生实际设计的HDL 或C++ 代码
11
系统结构设计
目的：系统如何实现规格说明书描述的功能 目标：形成结构设计文档 内容：
结构设计的正确性非常关键 详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响
验证所关心的问题 结构设计是否满足功能、性能要求 能否实现
验证方法 形式化方法 仿真 系统结构 软件结构 硬件结构 其他方法 如基于开发板的原型系统
16
系统引入错误和修改错误开销分布
18
软硬件技术对系统结构的影响
硬软件设计的趋势——融合、渗透 硬件设计的软件化，VHDL, Verilog
HANDL-C
软件实现的硬件化，各种算法的ASIC
对系统设计的影响——协同设计
增加灵活性 增加了风险
19
一个简单的方案设计例子
设计实例
要求设计一个系统，完成图像颜色空间变换的实时 处理，输入图像大小为VGA分辨率（640×480）
挑战性的设计问题
成本省和开发周期短 软硬件协同设计 代码优化 嵌入式操作系统优化 功耗的优化设计 如何进行测试
4
设计流程—自顶向下或自底向上设计
自顶向下 设计
需求 设计说明 体系结构 构件设计 系统集成
自底向上 设计
5
需求分析
作用 使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标 设计者 － 设计什么？有哪些要求？ 用户 － 将得到的系统是什么样的？
读入整幅图像数据，然后再进行处理，简称Frame-In模式 读取一个图像点，就处理一个图像点，简称Pixel-In模式
数据的输出也有方式：
整幅图像数据处理完成后，一次性的存储到外部缓存中， 简称Frame-Out模式
逐个像素点的存储。每处理完一个点就输出处理结果，简 称Pixel-Out模式
面向对象的方法(OOA/OOD)，90年代开始流行
OOA：Object-Oriented Analysis，主要原则包括：抽象、封装、继承、分类、聚 合、关联等
OOD：Object-Oriented Design，过程和数据结构都被对象隐藏起来，两者几乎 是互不相关的
UML建模
15
结构设计的验证
Y a11 a12 a13 R
u a21 a22 a23 G
v a31 a32 a33 B
图像的彩色空间变换公式
20
系统数据处理流程
Phase 1
Phase 2
Phase 3
输入接口
处理器
输出接口
21
需求说明书 需求分析表
形式化描述
用例图等 需求管理工具DOORS
8
例：GPS移动地图的需求
9
规格说明
规格说明与需求的比较
需求的提炼 是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、
更精确、更一致的描述
目标
形成规格说明书
内容
包含系统体系结构设计的足够信息
10
23
输入、输出性能分析
无论哪种方式（pixel/Frame模式），对IO接口的 最低要求是：
每个像素有3bytes的数据输入（RGB），3bytes输出 （YUV），输入输出基本对称 1 pixel = 3次读操作 + 3次写操作
系统分析与功能模块确定 软硬件划分 系统软硬件整体结构的设计 标准构件和自行设计构件的确定
12
系统结构设计
13
系统结构设计过程及方法
结构化设计方法 以算法为中心，从处理到处理的数据流
从输入、输出入手，根据操作和数据流，形成比较粗 的系统大框架；
然后逐步细化框架内的每个部分，进一步确定内部模 块的及模块之间的关系
引入错误数目
修改错误开销
系统结构 软硬件
设计
详细设计
软硬件 实现
开发周期
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软硬件的划分
嵌入式系统的设计涉及硬件与软件部件，设计中必 须决定什么功能由硬件实现，什么功能由软件实现。 硬件和软件具有双重性 软硬件变动对系统的决策造成影响 划分和选择需要考虑多种因素 硬件和软件的双重性是划分决策的前提
目标 形成需求文档
内容
功能性需求 做什么？
输入,输出,功能，……
非功能性需求 其他属性
可靠性，速度，功耗，…… 成本,大小,重量,设计时间， ……
6
评价标准
正确性 无二义性 完整性 可检验性 一致性 可修改性 可追踪性
7
需求分析的描述
自然语言
算法分析
Y a11 a12 a13 R
u a21 a22 a23 G
v a31 a32 a33 B
每次运算只涉及1个像素 每个像素的运算量是：9次乘法+6次加法
22
根据每次运算只涉及到1个pixel，可以采用两种可 能的输入方式
系统设计方法
1
嵌入式系统的设计
问题：
功能、性 能要求等
约束:
价格、开 发周期等
设计：
算法方案 选择 折衷 分析比较 评价
嵌入式系统
方法
工具
2
设计要解决的主要问题
需要用什么样的系统结构来实现？ 如何满足时限要求，如何处理多项功能在时间上的协
调一致关系？ 如何保证系统可靠地工作？ 如何满足系统接口要求，如何设计美观且有效的UI？ 如何降低系统的功耗？ 如何使系统可升级？
设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程
面向对象的方法 以类及交互模式为中心
14
系统软件结构的设计
结构化方法(SC/SD)，70-80年代占优势
结构化设计方法给出一组帮助设计人员在模块层次上区分设计质量的原理与技 术。重视数据结构和处理数据结构的过程。
概要设计工具——结构图（SC: Structure Chart ） 结构化设计方法（SD：Structured Design），过程设计语言（PDL）
wk.baidu.com
规格说明
需求的精确描述
描述明确，可理解 UML (Unified Modeling Language)
统一建模语言是可视化的设计说明语言 统一描述系统的硬件和软件
UML 可对系统的功能建模 可自动产生实际设计的HDL 或C++ 代码
11
系统结构设计
目的：系统如何实现规格说明书描述的功能 目标：形成结构设计文档 内容：
结构设计的正确性非常关键 详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响
验证所关心的问题 结构设计是否满足功能、性能要求 能否实现
验证方法 形式化方法 仿真 系统结构 软件结构 硬件结构 其他方法 如基于开发板的原型系统
16
系统引入错误和修改错误开销分布
18
软硬件技术对系统结构的影响
硬软件设计的趋势——融合、渗透 硬件设计的软件化，VHDL, Verilog
HANDL-C
软件实现的硬件化，各种算法的ASIC
对系统设计的影响——协同设计
增加灵活性 增加了风险
19
一个简单的方案设计例子
设计实例
要求设计一个系统，完成图像颜色空间变换的实时 处理，输入图像大小为VGA分辨率（640×480）