嵌入式控制系统原理及设计课件4-1 嵌入式控制系统的设计方法
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嵌入式控制系统原理及设计
第4章 嵌入式控制系统设计基础
4.1 嵌入式控制系统的设计方法
4.1.1 嵌入式控制系统设计流程
• 嵌入式控制系统的设计过程可大致为三个阶段：
• 系统定义阶段
• 系统研发阶段
• 系统维护与升级阶段。
硬 件 设
计
• 各阶段具体的工作及流程如图4.1所示。
嵌入式控制系统原理及设计
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
3.维护与升级阶段 • 随着硬件技术的飞速发展以及软件应用的日益广泛和复杂化，软件已经
成为嵌入式系统的核心，不仅以前采用硬件实现的诸多功能可以改由软 件实现，而且系统的核心功能必须借由软件才能实现。
• 由于硬件的修改往往会代价较大，因此尽可能遵循软件适应硬件的原则， 即硬件设计时要充分考虑可能发生的情况，后期尽可能以修改软件为主， 除非硬件设计存在重大问题，不得不进行修改或重新设计。
率、响应时限、动态性能指标、稳态性能指标等。
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 （3）可行性分析 • 可行性分析回答：用户提出的问题是否可解？可解的价值如何？ • 可行性分析用以确定在现有的技术、法律、市场等条件和约束下，是否
存在行之有效的方法，解决本项目研发过程中可能遭遇到的技术、法律 等问题，解决这些问题带来的附加成本是否在承受范围内。
（1）确定研发工作总目标； （2）需求分析； （3）可行性分析。
4.1.1 嵌入式控制系统设计流程
嵌入式控制系统原理及设计
2.系统研发阶段 • 系统研发阶段的主要目标是实现系统定义阶段所规划的需求，做出满足
系统设计指标要求的产品。 • 本阶段主要的工作任务主要有：
（1）系统总体设计； （2）软件、硬件以及接口的详细设计与实现； （3）系统的软硬件集成和测试。
系 统 定 义
系 统 总 体 设 计
系 统 研 发
软 件 设 计
软硬 件集成
系统 测试
否
符合 需求
否
是
系
统
产品 发布
维
护
与
维护 与升级
升
级
4.1.1 嵌入式控制系统设计流程
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 • 产品定义阶段的工作目标是确定开发任务和设计目标，并提炼出需求规
则说明书，作为设计指导和验收的标准。 • 本阶段的主要工作包括：
4.1.2 软硬件协同设计技术
• 传统的系统设计模式一般采用瀑布式开发 模式。
• 先完成硬件部分的设计工作，然后依据硬 件设计平台开发相应的软件，再进行系统 功能的调试、性能测试等工作。
嵌入式控制系统原理及设计
开始 系统定义 总体设计方案 硬件电路设计&实现 软件设计与编码 系统集成
满足指标？
Y 产品发布
确定 研发总 目标 需求 分析
可行 性分析 系统 概要设 计
系 统 总 体 框 架
软 硬 件 划 分
处 理 器 选 型
软 件 平 台 选 择
开 发 环 境 选 定
硬件 概要设 计
软件 概要设 计
原理 图设计 仿真 验证 P C B绘制
软
算法 流程设 计
硬
件
接
软件 编码
口
设
计
调试
制板 与测试
软件 测试
N
源自文库
修改设计
4.1.2 软硬件协同设计技术
• 软硬件协同设计是为解决上述问题而提出 的一种全新的系统设计思想。
• 该方法首先依据详细的系统需求确定软硬 件划分方案，并定义软硬件接口，然后在 EDA（Electronic Design Automation）工 具软件的支持下，进行软硬件协同开发。
嵌入式控制系统原理及设计
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
2.系统研发阶段 （3）软硬件集成与测试 • 软硬件集成就是将上一部分设计的软件代码和硬件电路板按照预先确定
的接口集成起来，将软件代码下载到硬件电路中，进行联调，发现并改 进设计过程中的错误和不兼容。
• 系统软硬件集成和联调后，还需要经过系统功能及性能指标的测试。如 经过测试，系统可以满足规格说明书中给定的各项指标要求，则该产品 可以进行发布。
需求，并将用户的要求准确、完整的描述。
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 2）需求分析 • 需求分析回答：所设计的系统做什么？ • 系统需求一般分为功能性需求和非功能性需求两方面。 • 功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式、功能等； • 非功能性需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。 • 此外，作为控制系统，一般还需要考虑实时性性能指标、控制指标，如采样频
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
2.系统研发阶段 （1）系统总体设计 • 系统总体设计主要是确定系统总体设计方案。 • 具体工作为根据需求规则说明书中定义的各类指标，确定系统的总体架
构，划分功能模块，确定控制结构与算法，对硬件、软件和执行装置的 功能划分，确定嵌入式微处理器及主要芯片的型号，确定系统软件开发 平台和工具等。
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
2.系统研发阶段 （2）软硬件及接口设计 • 在传统的系统开发中，软硬件设计各自独立进行，依据是系统总体设计
的软硬件划分。
• 在软硬件协同设计方法中，软件、硬件及接口设计往往是并行的，其中 接口的设计可能略超前于软硬件设计，以确定软件和硬件之间的数据交 互形式。
4.1.1 嵌入式控制系统设计流程
嵌入式控制系统原理及设计
3.系统维护与升级 • 系统维护与升级的主要工作是根据用户的反馈信息，完善软硬件的设计，
更新产品。
• 产品维护是一个长期的过程，有些商品的维护一直持续到该产品推出市 场；
• 产品维护将导致生产成本的增加，与产品的设计、测试有较大的关系， 也直接关系企业形象。
开始 系统定义 总体设计方案
硬
软
件 设 计 与 实
接 口 设 计
件 设 计 与 编
现
码
系统集成
满足指标？ Y
产品发布
N
修改设计
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 （1）确定研发工作总目标 • 确定研发工作总目标回答：要解决的问题是什么？ • 在进行广泛调研和信息收集的基础上，明确客户提出的要求或市场的
第4章 嵌入式控制系统设计基础
4.1 嵌入式控制系统的设计方法
4.1.1 嵌入式控制系统设计流程
• 嵌入式控制系统的设计过程可大致为三个阶段：
• 系统定义阶段
• 系统研发阶段
• 系统维护与升级阶段。
硬 件 设
计
• 各阶段具体的工作及流程如图4.1所示。
嵌入式控制系统原理及设计
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
3.维护与升级阶段 • 随着硬件技术的飞速发展以及软件应用的日益广泛和复杂化，软件已经
成为嵌入式系统的核心，不仅以前采用硬件实现的诸多功能可以改由软 件实现，而且系统的核心功能必须借由软件才能实现。
• 由于硬件的修改往往会代价较大，因此尽可能遵循软件适应硬件的原则， 即硬件设计时要充分考虑可能发生的情况，后期尽可能以修改软件为主， 除非硬件设计存在重大问题，不得不进行修改或重新设计。
率、响应时限、动态性能指标、稳态性能指标等。
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 （3）可行性分析 • 可行性分析回答：用户提出的问题是否可解？可解的价值如何？ • 可行性分析用以确定在现有的技术、法律、市场等条件和约束下，是否
存在行之有效的方法，解决本项目研发过程中可能遭遇到的技术、法律 等问题，解决这些问题带来的附加成本是否在承受范围内。
（1）确定研发工作总目标； （2）需求分析； （3）可行性分析。
4.1.1 嵌入式控制系统设计流程
嵌入式控制系统原理及设计
2.系统研发阶段 • 系统研发阶段的主要目标是实现系统定义阶段所规划的需求，做出满足
系统设计指标要求的产品。 • 本阶段主要的工作任务主要有：
（1）系统总体设计； （2）软件、硬件以及接口的详细设计与实现； （3）系统的软硬件集成和测试。
系 统 定 义
系 统 总 体 设 计
系 统 研 发
软 件 设 计
软硬 件集成
系统 测试
否
符合 需求
否
是
系
统
产品 发布
维
护
与
维护 与升级
升
级
4.1.1 嵌入式控制系统设计流程
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 • 产品定义阶段的工作目标是确定开发任务和设计目标，并提炼出需求规
则说明书，作为设计指导和验收的标准。 • 本阶段的主要工作包括：
4.1.2 软硬件协同设计技术
• 传统的系统设计模式一般采用瀑布式开发 模式。
• 先完成硬件部分的设计工作，然后依据硬 件设计平台开发相应的软件，再进行系统 功能的调试、性能测试等工作。
嵌入式控制系统原理及设计
开始 系统定义 总体设计方案 硬件电路设计&实现 软件设计与编码 系统集成
满足指标？
Y 产品发布
确定 研发总 目标 需求 分析
可行 性分析 系统 概要设 计
系 统 总 体 框 架
软 硬 件 划 分
处 理 器 选 型
软 件 平 台 选 择
开 发 环 境 选 定
硬件 概要设 计
软件 概要设 计
原理 图设计 仿真 验证 P C B绘制
软
算法 流程设 计
硬
件
接
软件 编码
口
设
计
调试
制板 与测试
软件 测试
N
源自文库
修改设计
4.1.2 软硬件协同设计技术
• 软硬件协同设计是为解决上述问题而提出 的一种全新的系统设计思想。
• 该方法首先依据详细的系统需求确定软硬 件划分方案，并定义软硬件接口，然后在 EDA（Electronic Design Automation）工 具软件的支持下，进行软硬件协同开发。
嵌入式控制系统原理及设计
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
2.系统研发阶段 （3）软硬件集成与测试 • 软硬件集成就是将上一部分设计的软件代码和硬件电路板按照预先确定
的接口集成起来，将软件代码下载到硬件电路中，进行联调，发现并改 进设计过程中的错误和不兼容。
• 系统软硬件集成和联调后，还需要经过系统功能及性能指标的测试。如 经过测试，系统可以满足规格说明书中给定的各项指标要求，则该产品 可以进行发布。
需求，并将用户的要求准确、完整的描述。
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 2）需求分析 • 需求分析回答：所设计的系统做什么？ • 系统需求一般分为功能性需求和非功能性需求两方面。 • 功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式、功能等； • 非功能性需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。 • 此外，作为控制系统，一般还需要考虑实时性性能指标、控制指标，如采样频
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
2.系统研发阶段 （1）系统总体设计 • 系统总体设计主要是确定系统总体设计方案。 • 具体工作为根据需求规则说明书中定义的各类指标，确定系统的总体架
构，划分功能模块，确定控制结构与算法，对硬件、软件和执行装置的 功能划分，确定嵌入式微处理器及主要芯片的型号，确定系统软件开发 平台和工具等。
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
2.系统研发阶段 （2）软硬件及接口设计 • 在传统的系统开发中，软硬件设计各自独立进行，依据是系统总体设计
的软硬件划分。
• 在软硬件协同设计方法中，软件、硬件及接口设计往往是并行的，其中 接口的设计可能略超前于软硬件设计，以确定软件和硬件之间的数据交 互形式。
4.1.1 嵌入式控制系统设计流程
嵌入式控制系统原理及设计
3.系统维护与升级 • 系统维护与升级的主要工作是根据用户的反馈信息，完善软硬件的设计，
更新产品。
• 产品维护是一个长期的过程，有些商品的维护一直持续到该产品推出市 场；
• 产品维护将导致生产成本的增加，与产品的设计、测试有较大的关系， 也直接关系企业形象。
开始 系统定义 总体设计方案
硬
软
件 设 计 与 实
接 口 设 计
件 设 计 与 编
现
码
系统集成
满足指标？ Y
产品发布
N
修改设计
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 （1）确定研发工作总目标 • 确定研发工作总目标回答：要解决的问题是什么？ • 在进行广泛调研和信息收集的基础上，明确客户提出的要求或市场的