第二章 嵌入式系统的设计方法
嵌入式系统的设计及实现方法
嵌入式系统的设计及实现方法嵌入式系统是指直接嵌入产品内部，在特定场合下，为产品提供必要的功能的电子系统。
嵌入式系统已成为现代科技的一个重要组成部分，在汽车、空调、电视、冰箱等众多产品中都得以广泛应用。
本文重点讨论嵌入式系统的设计及实现方法。
一、嵌入式系统的设计思路嵌入式系统的设计需要遵循以下几个基本思路：1、功能可靠性嵌入式系统是直接嵌入产品中，产品的稳定性和质量关系到用户的信任和使用寿命。
因此，嵌入式系统的设计应将产品的功能上限和下限掌握好，降低可能发生的异常事故。
2、底层硬件匹配嵌入式系统的设计需要选择正确的芯片和硬件，确保整个系统的稳定性。
硬件的选择应考虑使用场合、使用周期及系统运行速度等多方面因素，保证系统不易出现瓶颈。
3、软件功能丰富嵌入式系统的软件功能应与产品整体需求相匹配。
软件应可以定制，适合市场不断变化和用户需求增加的情况。
要保证软件的可扩展性和可调整性，确保系统在更新机制、用户交互和数据传输方面的灵活应变。
4、可靠性与安全性嵌入式系统应具有很高的可靠性和安全性。
系统的可靠性涉及多方面因素，要确保系统的重要信息不会丢失或泄露。
在硬件、软件开发时都应实现尽可能严格的测试，确保系统在最恶劣的情况下仍能运行稳定。
二、嵌入式系统设计的实现嵌入式系统设计实现包括硬件和软件两个方面。
1、硬件实现硬件设计通常包括原理图设计、PCB设计、焊接以及电路验证测试等环节。
硬件设计要考虑到元器件的可靠性、生产成本、产品的实际使用条件等问题。
硬件设计要根据不同的使用情况、使用场合等因素进行分区，将所有部分组合在一起运作。
2、软件实现软件实现有相对成熟的软件模板。
在实现时，可以使用一些现有的嵌入式系统相应的实现工具：例如，MCUBoot、u-boot 等，这些工具可以通过一些跟板子匹配的配置文件就可以实现相应的功能，并完成整个编译操作。
在软件设计阶段，同时考虑到实际产品的应用场景，充分考虑系统的性能、稳定性以及可扩展性等问题。
嵌入式系统原理与设计
嵌入式系统原理与设计第一章：概述嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它通常被用于控制、监视或执行特定函数。
嵌入式系统有着高度的可靠性和稳定性，因此广泛应用于工业自动化、智能家居、医疗设备等领域。
本文将介绍嵌入式系统的原理和设计。
第二章：嵌入式系统架构嵌入式系统的架构通常分为三层：应用层、操作系统层和硬件层。
应用层：应用程序运行的层面，包含各种应用软件和应用程序，以及相关的驱动程序。
操作系统层：管理嵌入式系统的操作系统层，用于分配系统资源、提供应用程序运行环境、处理用户与系统交互等。
硬件层：承担实际运算工作的硬件设备，包括处理器、内存、输入输出接口等。
第三章：嵌入式系统设计流程嵌入式系统设计流程通常包括以下几个步骤：1.需求分析：明确系统目标、性能要求和功能要求等。
2.系统设计：根据需求分析结果设计系统框架、硬件方案和软件方案等。
3.软件开发：实现软件设计方案，包括编写驱动程序、系统程序和应用程序等。
4.硬件开发：实现硬件设计方案，包括原型制作、芯片测试等。
5.系统测试：对整个系统进行功能测试、性能测试和稳定性测试等。
第四章：嵌入式系统编程语言常用的嵌入式系统编程语言有C、C++、汇编语言等。
C语言是嵌入式系统编程中最常用的编程语言，它具有简单易学、运行速度快、调试方便等优点。
C++语言是在C语言的基础上发展而成，它具有面向对象的编程思想，可以大大提高程序的可维护性和可读性。
汇编语言是直接面向硬件的编程语言，可以充分发挥嵌入式系统的处理器性能，但难度较大。
第五章：嵌入式系统通信协议嵌入式系统通信协议是用于进行数据交换的规则和标准，常用的有SPI、I2C、CAN和UART等。
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速同步串行数据接口标准，常用于连接微控制器和外围设备。
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种双向、两线制串行总线，用于连接微控制器和外围设备。
嵌入式系统的特点与设计方法
嵌入式系统的特点与设计方法嵌入式系统（Embedded System）是指嵌入在其他设备中的计算机系统，它通过使用微处理器或微控制器来控制、监视和执行特定功能。
与通用计算机系统不同，嵌入式系统的设计方法和特点更为独特和特殊。
本文将具体探讨嵌入式系统的特点与设计方法，以帮助读者更好地理解和应用于实际项目中。
嵌入式系统的特点：1. 特定功能：嵌入式系统通常被设计用于执行特定的任务或功能，例如家电设备中的控制模块、汽车中的引擎控制系统等。
因此，嵌入式系统的设计需要充分了解和满足这些特定功能的需求。
2. 系统封闭性：嵌入式系统通常是封闭的，即它们不需要与其他外部系统进行通信。
因此，嵌入式系统设计时需要考虑其独立性和稳定性，以确保其功能的正常运行和有效性。
3. 资源受限：嵌入式系统在计算能力、存储容量和能源供应方面往往受到限制。
因此，设计者需要充分考虑资源的有效利用和优化，以最大程度地满足系统功能的需求。
4. 可靠性要求高：很多嵌入式系统被用于控制关键任务或环境，如医疗设备、航空航天系统等。
这些系统对可靠性的要求非常高，设计上需要考虑系统的容错性、稳定性和自动恢复能力。
嵌入式系统的设计方法：1. 确定需求：首先，设计者需要明确系统的需求和功能。
这包括系统要实现的功能、性能指标、接口需求等。
通过充分了解和明确需求，可以为后续的设计提供明确的目标和方向。
2. 系统架构设计：在系统架构设计阶段，设计者需要确定系统的组织结构、主要模块和模块间的关系。
这意味着要确定主控制器、传感器、执行器等组件的位置和交互方式。
此外，还需要确定适当的电源管理和通信接口。
3. 硬件设计：硬件设计是嵌入式系统设计中的关键环节。
设计者需要选取合适的处理器或控制器，并根据需求选择合适的外部器件。
此外，还需要进行电路设计、布局和散热等方面的考虑。
4. 软件设计：在软件设计阶段，设计者需要根据系统需求和硬件特性来编写软件代码。
这包括系统的控制算法、状态机设计、任务调度等。
嵌入式系统的设计方法
将现实世界的事物抽象为对象，通过对象的属性和行为来描 述系统的功能。这种方法有利于软件的复用和可扩展性。
软硬件协同设计方法
基于模型的设计法
使用数学模型描述系统的行为，通过仿真验证设计的正确性。这种方法有利于软 硬件的协同设计和验证。
硬件描述语言
使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）描述系统的硬件结构和行为，通过综合工 具生成可用的硬件电路。这种方法有利于软硬件的协同设计和优化。
基于PCB的设计方法
PCB（印刷电路板）是一种用于实现电子设备连接和功能的基板，上面布满了金属 导线和平面层。基于PCB的设计方法主要是通过电路原理图和PCB布局图进行设计， 使用EDA工具进行布线和元件布局，然后将PCB加工成实际电路板。
PCB设计方法的优点在于简单易行、成本低廉，适用于小型电子设备和低端应用 。通过合理的PCB布局和布线，可以实现电子设备的高效散热、电磁兼容性和可 靠性。
详细描述
基于SoC的设计方法将多个IP模块集成在一 个芯片上，通过优化芯片的内部连接来提高 系统的性能和能效。这种方法能够降低系统 的体积和功耗，提高系统的可靠性和稳定性。
06 设计方法的比较与选择
设计方法的优缺点比较
优点
从硬件开始，逐步添加软件，有助于充分利 用硬件资源。
缺点
设计周期长，成本高，对设计人员要求高。
基于高级语言的设计方法
总结词：易于开发
详细描述：高级语言如Python、Java等，具 有易于学习、开发效率高的特点。使用高级 语言进行设计，可以降低开发难度，提高开 发效率，但可能会牺牲一些执行效率。
05 软硬件协同设计方法
基于模型的设计方法
总结词
基于模型的设计方法是一种抽象化的设计方法，通过建立数学模型来描述系统的行为和 功能。
嵌入式的设计方法
嵌入式的设计方法嵌入式系统设计是一种将硬件和软件相结合的设计方法，用于开发可以控制和执行特定任务的系统。
嵌入式系统广泛应用于汽车、手机、家电、医疗设备等各个领域。
对于设计一个可靠、高效的嵌入式系统，需要遵循一些设计原则和方法。
首先，嵌入式系统设计需要明确系统的需求和目标。
这包括系统的功能要求、性能要求、可靠性要求、实时性要求等。
明确需求和目标对于后续的设计和开发过程至关重要。
接下来，嵌入式系统设计需要进行系统分析和建模。
通过对系统进行分析，可以确定系统的边界、各个子系统的功能和交互关系。
建模可以使用UML（统一建模语言）等工具，通过绘制用例图、活动图、时序图等来描述系统的结构和行为。
在系统分析和建模的基础上，进行软件设计。
软件设计包括确定系统的软件架构和设计模式。
嵌入式系统常见的软件架构有单一系统架构、分层系统架构、客户机-服务器架构等。
根据系统需求，选择合适的软件架构，并进行详细的模块划分和接口设计。
硬件设计也是嵌入式系统设计的重要部分。
硬件设计包括电路设计、PCB布局设计、电源设计等。
在硬件设计过程中，需要根据系统需求选择合适的芯片、传感器、接口等硬件组件，并保证硬件之间的电路连接正常，信号传输可靠。
在软件和硬件设计完成后，需要进行集成和测试。
集成是将软件和硬件进行整合，在实际硬件平台上运行测试。
测试包括功能测试、性能测试、可靠性测试等，以验证系统是否满足设计要求。
测试过程需要模拟实际应用场景，对系统进行全面测试和验证。
最后，进行系统优化和验证。
通过对系统性能和可靠性的评估，进行针对性的优化。
优化可以包括软件算法的改进、硬件电路的优化等。
同时，系统还需要进行验证，确保设计的嵌入式系统可以在现实环境中正常工作。
总结起来，嵌入式系统设计是一个综合的过程，需要进行需求分析、系统建模、软件设计、硬件设计、集成测试、系统优化和验证等多个环节。
合理的设计方法和流程可以提高嵌入式系统的可靠性和性能，满足用户的需求。
嵌入式系统的传统设计方法
嵌入式系统的传统设计方法嵌入式系统的传统设计方法是一种应用广泛的设计方法，它在许多领域都得到了广泛的应用。
嵌入式系统是一种嵌入在某个设备中的计算机系统，它通过与设备的硬件交互，实现对设备的控制和操作。
在嵌入式系统的传统设计方法中，设计师主要考虑系统的功能和性能，并通过分析和优化系统的各个模块来实现系统的最优化。
嵌入式系统的传统设计方法通常包括五个步骤：需求分析、系统设计、硬件设计、软件设计和测试验证。
在需求分析阶段，设计师会了解客户的需求并确定系统的目标。
在此基础上，设计师会做出基本的系统结构和功能布局，以确保系统的性能和可靠性满足客户的要求。
在系统设计阶段，设计师会深入研究系统各个模块，并确定与硬件和软件相关的技术选型。
此外，设计师还会进行系统架构的分析和设计，以确保系统可以顺利地实现。
在硬件设计阶段，设计师会设计系统的电路板和周边电路。
这是系统中最复杂的部分，因为它需要结合硬件原理和电路设计来实现系统的核心功能。
在软件设计阶段，设计师会编写系统所需的软件程序。
这个步骤最核心的部分在于编写系统的控制程序和驱动程序，以确保系统可以正常工作。
最后，测试验证是嵌入式系统传统设计方法中至关重要的一部分。
在这个过程中，设计师会对系统进行全面的测试和验证，以确保系统的功能和性能得到保证。
总的来说，嵌入式系统的传统设计方法是一种经典的设计方法，它已经应用于许多行业和领域中，如家电、通讯、汽车、医疗等。
在设计嵌入式系统的过程中，设计师们需要注意以下几个方面：首先，设计师需要充分了解客户的需求，并确定系统的目标，以确保系统可以顺利实现；其次，设计师需要深入研究系统的各个模块，并确定与硬件和软件相关的技术选型；最后，设计师需要进行全面的测试和验证，以确保系统的功能和性能得到保证。
总之，嵌入式系统的传统设计方法对于实现系统的优化、调试和验证功不可没。
在未来，我们相信它仍将继续发挥其重要作用，为人类的生活带来前所未有的便利。
ram课件第2章++嵌入式系统工程设计
2.2 嵌入式系统工程设计方法简介
• UML系统建模
UML（Unified Modeling Language）是一种原本设 计用来描述对象导向程序语言开发的图形化语言。由 于它具有描述事物的多重性，所以理论上也可以被拉 到其他领域使用。 在实际使用上，根据不同的使用情况，UML提供 了不同的图形来描述系统。在UML中，包括了下面几 种图形：类图、状态图、对象图、用例图、顺序图、 协作图、活动图、组件图和部署图。
2.2 嵌入式系统工程设计方法简介
• 使用UML的好处
语言的用处在于沟通。UML也是一种语言，它利 用视觉化的方法来制定、构建以及记录对象导向系统。 因此，可以把UML当作一种软件工程用的语言。 使用UML的好处在于可以在短时间内了解别人要 传达的消息，而不是花时间在了解消息本身如何解读。 UML提供给用户基础的工具与基本的规范，在这个基 础上，用户可以利用这个语言去描述他所想要描述的 系统，用不同的界面去描绘出系统的不同方面。
提出方案 • 项目开发周期 ——提出方案
对于嵌入式系统项目来说，这个阶段的主要工作是系统规划 与设计。在设计规划阶段中，开发团队需要分析所有可行的解决 方案，并拟定进程，使项目在合理的进程范围中逐渐建构完成。 在系统的设计方面最重要的一件事就是确定系统的框架。
规划分析 系统规划 预估项目进程 提出方案 设计系统架构 系统设计 寻找适当方案
售后服务 结束项目 项目讨论
第2章 目录
1. 嵌入式系统项目开发生命周期 2. 嵌入式系统工程设计方法简介
2.2 嵌入式系统工程设计方法简介
• 由上而下与由下而上
由上而下是一个正统的设计方式，也就是说，所有的设计皆 是遵循系统工程的流程来进行。相对而言，由下而上表示一个系 统是由已经有的基础（或组件）为起点，开始往上延伸，最后将 系统完成。
基于人工智能的嵌入式系统设计研究
基于人工智能的嵌入式系统设计研究第一章：引言随着人工智能技术的日益发展，嵌入式系统的应用范围越来越广泛。
人工智能技术可以为嵌入式系统带来更加智能化和自动化的特性，提高了嵌入式系统的性能和效率。
本文将基于人工智能技术来研究嵌入式系统的设计方法和实现过程，旨在通过研究和分析嵌入式系统中人工智能技术的应用，为相关领域的研究和开发提供一定的参考。
第二章：嵌入式系统的基本概念嵌入式系统是指嵌入在各种电子设备中并且能够控制这些设备的计算机系统。
嵌入式系统具有良好的可靠性、实时性、低功耗等特点。
嵌入式系统的硬件包括芯片、嵌入式操作系统和各种外围设备，软件方面则包括应用程序、操作系统以及驱动程序等。
嵌入式系统广泛应用于家电、汽车、医疗、工业自动化等领域。
第三章：人工智能技术在嵌入式系统中的应用人工智能技术在嵌入式系统中的应用有很多。
例如：1. 智能家居系统：通过语音识别技术，实现家居设备的远程控制和智能化过程。
2. 自动驾驶技术：通过机器视觉和机器学习技术，实现自动驾驶功能，提高了驾驶的安全性和效率。
3. 医疗设备：通过人工智能技术，实现医疗设备的智能化控制和诊断功能。
4. 工业自动化:通过自动控制技术，实现工业自动化系统的实时控制和生产管理。
以上只是人工智能技术在嵌入式系统中的一部分应用，随着人工智能技术的不断发展，其应用范围也越来越广泛。
第四章：基于人工智能的嵌入式系统设计流程基于人工智能的嵌入式系统设计流程的主要步骤包括以下四个方面：1. 需求分析阶段：这一阶段主要通过市场调研和用户需求分析，确定嵌入式系统所需的人工智能算法和硬件配置要求。
2. 系统设计阶段：在这一阶段，根据需求分析结果，设计嵌入式系统的硬件和软件，并对系统进行初步测试和验证。
3. 算法设计阶段：根据系统设计的结果，设计人工智能算法，并集成到系统中。
4. 系统测试阶段：在系统测试阶段，对整个系统进行综合测试和评估，以确保其符合预期的性能和功能要求。
嵌入式系统原理与应用课后答案
嵌入式系统原理与应用课后答案1. 第一章答案：a. 嵌入式系统是嵌入到其他系统中的小型电子系统，一般具有特定的功能和任务。
它以硬件和软件的结合形式存在。
b. 嵌入式系统具有实时性、可靠性和可扩展性的要求，并且一般运行在资源受限的环境中。
c. 嵌入式系统可分为实时嵌入式系统和嵌入式控制系统两种类型。
d. 实时嵌入式系统需要按照严格的时间要求完成任务，可以分为硬实时和软实时系统。
2. 第二章答案：a. 嵌入式系统的硬件平台由微处理器、存储器、总线、输入输出设备等组成。
b. 嵌入式系统的硬件平台性能指标包括：处理器的主频、存储器的容量和带宽、总线的带宽和响应时间、输入输出设备的性能等。
c. 嵌入式系统的软件平台由操作系统、应用软件和驱动程序等组成。
d. 实时操作系统是嵌入式系统的核心软件，它可以提供任务调度、资源管理、中断处理等功能。
3. 第三章答案：a. 嵌入式系统的开发流程包括需求分析、系统设计、硬件设计、软件设计、系统集成和测试等阶段。
b. 嵌入式系统开发中常用的设计工具包括仿真工具、编译工具、调试工具和测试工具等。
c. 嵌入式系统的设计方法可以分为自顶向下设计和自底向上设计两种。
d. 自顶向下设计是先定义系统的整体结构，再逐步详细设计每个组件的功能和接口。
e. 自底向上设计是先设计每个组件的功能和接口，再逐步将它们组合起来形成系统。
4. 第四章答案：a. 嵌入式系统的程序设计语言可以分为汇编语言、高级语言和特定领域语言三种。
b. 汇编语言是一种低级语言，使用机器指令来编写程序，可以直接控制硬件。
c. 高级语言是一种抽象层次较高的语言，使用类似自然语言的语法来编写程序，更易理解和维护。
d. 嵌入式系统常用的高级语言包括C语言和C++语言。
e. 特定领域语言是一种专门为某种特定应用领域设计的语言，具有特定领域的特性和功能。
5. 第五章答案：a. 嵌入式系统的编程模型可以分为裸机编程和操作系统编程两种。
《嵌入式系统基础》课程教学大纲
嵌入式系统基础课程教学大纲（EmbeddedMicroprocessorSystem）学时数：32其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2适用专业：计算机科学与技术一、课程的性质、目的和任务本课程是计算机科学与技术专业本科生的一门专业选修课程。
通过本课程的学习，使学生掌握嵌入式系统的基础知识，熟悉典型的嵌入式微处理器及嵌入式操作系统，掌握嵌入式系统的一般设计方法与开发过程，具备初步的嵌入式系统的软硬件设计开发能力，为嵌入式系统的实际应用打下基础。
二、课程教学的基本要求（一）掌握嵌入式系统的基本概念、基本组成及发展、嵌入式处理器及嵌入式操作系统分类（二）掌握ARM嵌入式微处理器体系结构、ARM指令系统及ARM汇编语言（H）掌握嵌入式1inUX 操作系统内核结构及文件系统（四）掌握嵌入式系统的一般设计流程、典型开发环境及开发工具（五）掌握基于ARM嵌入式微处理器的典型接口设计（六）初步掌握基于嵌入式1inUX操作系统的软件设计三、课程的教学内容、重点和难点第一章嵌入式系统基础知识一、嵌入式系统简介二、嵌入式处理器第二章嵌入式系统一般设计方法一、嵌入式系统的层次结构二、嵌入式系统的设计流程第三章ARM处理器体系结构及指令系统一、ARM微处理器的体系结构二、指令系统三、基于ARM体系的汇编语言程序设计第四章基于ARM处理器的硬件平台设计一、基于微处理器的嵌入式系统的硬件设计二、存储系统的分析与设计三、通用I/O接口的设计第五章嵌入式1inux操作系统一、1i1IUX及其应用二、嵌入式1inux内核三、嵌入式1inUX文件系统第六章嵌入式1inux系统的Boot1oader设计一、Boot1oader的基本概念二、Boot1oader的具体实现重点：Boot1oader的基本概念难点：BOOt1Oader的具体实现第七章嵌入式1inux程序设计基础一、嵌入式1inUX开发基础二、1inUX的常用工具三、嵌入式1inUX操作系统的开发工具四、交叉开发环境重点：嵌入式1inUX操作系统的开发工具、难点：交叉开发环境第八章嵌入式1inux系统的驱动开发一、1inUX下的设备驱动程序简介二、设备驱动程序的开发过程三、典型设备驱动程序设计分析第九章嵌入式网络程序设计一、嵌入式以太网基础知识二、以太网接口设计三、1in1IX网络编程实现重点：以太网接口设计、1inUX网络编程实现难点：1inUX网络编程实现第十章嵌入式1inux图形用户界面编程一、1inux图形开发基础二、嵌入式1inIIX图形用户界面简介四、课程各教学环节要求（一）作业根据课程学习需要，安排适当课外作业。
嵌入式系统的设计方法(具体设计)
方案的合理性可以从所设计的 系统是否能以简洁、可靠而较少的 代价来完成指定功能的角度来衡量 。
设计准则（5）
1.5 平台意识 嵌入式系统开发的平台资源包括各种
开发工具（如仿真器、半成品用户板等） 、 已被验证的设计方案、功能模块和子程序 等。
科学研究以发现事物内在规律为主要任务，是 一种探索过程，它允许有失败、也允许有较长的研 究时间。
设计准则（2）
1.2 目标意识 嵌入式系统通常是面向特定应用
的，只要完成指定的任务即可。在完 成任务的前提下，多余的硬件、软件 应该删除。
设计准则（3）
1.3 成本意识
设计者需要考虑产品的开发、生产和使用等 环节中的综合成本；
设计步骤（9）
用户需求分析
编写任务说明书
嵌
方案设计
入
式
硬件电路制作
软件程序编制
系 统
开
软硬件联调
发
No
的
性能测试合格？
流
程
资料总结
图
No
现场试运行正常？
维护和改进
设计步骤（9）
2.9 现场试运行
1）原理样机在实验室或生产厂家完成开发测 试后，还需要进行现场测试。有些设计缺 陷、样机的环境适用性等必须在现场运行 后才能发现；
开发平台（3）
3.3 开发平台组建
4）EasyJTAG-H一端接计算机并口，另一端接嵌入 式开发实验箱，给发评估板加上稳压电源；
5）启动，调入光盘上“ARM嵌入式系统实验教程 一”目录下的某个实验代码的工程文件，进行 调试；
6）提示：由于H-JTAG驱动程序的缺陷，目录名称 用全英文，目录级数不要太长。
嵌入式系统设计方法
2.软件平台的选择
（1）操作系统的选择 操作系统的选择至关重要。一般而言，在选择嵌入式操作系统时，可以遵循以下原则： ➢ 市场进入时间 ➢ 可移植性 ➢ 可利用资源 ➢ 系统定制能力 ➢ 成本 ➢ 中文内核支持
2.软件平台的选择
（2）集成开发环境 集成开发环境IDE应考虑以下因素： ➢ 系统调试器的功能 ➢ 支持库函数 ➢ 编译器开发商是否持续升级编译器 ➢ 连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式
第二章 嵌入式系统的设计方法
嵌入式系统的基本设计过程
良好的设计方法在嵌入式系统的开发过程中是必不可少的。
✓ 首先，好的方法有助于规划一个清晰的工作进度，避免遗漏重要的工作，例如性能的优化和可 靠性测试对于一个合格的嵌入式产品而言是不可或缺的。
✓ 其次，采用有效的方法可以将整个复杂的开发过程分解成若干可以控制的步骤，通过一些先进 的计算机辅助设计工具，按部就班、有条不紊地完成整个项目。
✓ 最后，通过定义全面的设计过程，可以使整个团队的各个成员更好地理解自身的工作，方便成 员之间相互交流与协作。
提纲
嵌入式系统的开发流程 传统的嵌入式系统开发方法 嵌入式系统的软硬件协同设计 嵌入式系统的测试技术
嵌入式系统开发流程流程
嵌入式系统开发的一般流程。主要包 括系统需求分析(要求有严格规范的 技术要求)、体系结构设计、软硬件 及机械系统设计、系统集成、系统测 试，最终得到最终产品。
系统调试与集成 把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。
系统调试与集成
只有建立构件后，才能将它们合并得到一个可以运行的系统。当然在系统集成阶段并不 是仅仅把所有的构件连接在一起就行，在系统集成中通常都会发现以前设计上的错误。
第二章 嵌入式系统设计方法
有限状态机（FSM） 统一化的规格语言——SystemC、新的统一描述
语言
基于图形的表示工具——UML
2021/7/7
12
软硬件协同设计
优点
软硬件统一描述 有利于优化设计 重点关注算法，而非实现
缺点
不成熟，缺乏有效的统一描述工具 现有工具实现效率不高 有待于高效率的综合工具
29
体系结构
处理器
CPU核 存储控制器——Flash、SDRAM UART、LCD控制器、GPIO
GPS接收模块
UART接口
键盘（键盘控制器）
LCD SD/CF卡
存储地图数据
2021/7/7
30
体系结构——硬件结构
嵌入式 处理器
天线
GPS接收 模块
键
键盘
盘 控制器
CPU Core UART
第二章 嵌入式系统设计方法
2.1 引言 2.2 嵌入式系统的设计方法 2.3 嵌入式系统的设计过程 2.4 实例分析——GPS导航仪
2021/7/7
1
2.1 引言
产品度量 上市时间、设计成本、产品质量
嵌入式系统越来越复杂推动着设计方法不断发展 随着应用的发展，性能要求越来越高，嵌入式系 统的设计也越来越复杂 激烈的市场竞争使得产品上市时间的压力越来越 大，设计者需考虑的问题也越来越多
由各种EDA工具软件提供支持的
软件设计的进步
旧方法：无操作系统 新方法：基于操作系统设计
简化多任务、实时、复杂软件设计
2021/7/7
PLD：Program Logic Device EOS：Embedded Operating System
6
第2章嵌入式系统的设计方法
为什么称作 Ada -美国国防部之所以把这种语言取名为 Ada，是为了纪念奥左斯特. 艾达. Ada，是为了纪念奥左斯特. 艾达.洛夫莱斯 伯爵夫人 (Augusta Ada Lovlace 1815-1852),她 1815-1852),她 是英格兰诗人拜伦(Byron)勋爵的女儿, 是英格兰诗人拜伦(Byron)勋爵的女儿,曾对 现代计算机技术之父查尔斯.巴贝奇(Charles 现代计算机技术之父查尔斯.巴贝奇(Charles Babage)的笔记，手稿进行了整理和修正。 Babage)的笔记，手稿进行了整理和修正。 从某种意义上说，她是世界上第一位计算 机程序员。
嵌入式系统的设计方法21嵌入式系统的一般设计流程22传统的嵌入式系统设计方法23嵌入式系统的软硬件协同设计方法24嵌入式系统的测试技术25小节21嵌入式系统的一般设计流程一单片机系统用户需求选择处设计硬件平台依据硬件平台编写软件存在硬件问题否修改硬件平台测试软件通过是单片机系统主要用于实现相对简洁的掌握因此系统核心部件集成在一块芯片单片机上再在单片机的外围加入一些接口电路即可
系统开发结束
整个系统测试
图2.2 嵌入式处理器系统开发流程
二、嵌入式处理器系统
开发方式
嵌入式处理器系统通常采用“宿主机/目标机”的开发方式。
图2.3 嵌入式处理器系统的开发方式
复习提问
1.嵌入式系统软件有哪几部分？ 1.嵌入式系统软件有哪几部分？ 2.嵌入式系统实际开发采用宿主机/目标机方 2.嵌入式系统实际开发采用宿主机/ 式的开发步骤？
性能分析工具会提供有关的数据，说明执行时间是如何 消耗的，是什么时候消耗的，以及每个例程所用的时间。
（3）GUI测试工具
GUI测试工具可以作为脚本工具在开发环境中运行测试 用例，其功能包括对操作的记录和回放、抓取屏幕显示供以 后分析和比较、设置和管理测试过程。 有些嵌入式设备没有GUI，但常常可以对该设备进行插 装来运行GUI测试脚本，虽然这种方式可能要求对被测代码 进行更改，但是节省了功能测试和回归测试的时间。
嵌入式系统随堂练习
嵌入式系统随堂练习第一章嵌入式系统概述随堂练习提交截止时间：2016-06-15 23:59:59当前页有10题，你已做10题，已提交10题，其中答对10题。
A. B. C.答题： A. B. C. D.A. B. C.答题： A. B. C. D.A. B. C.答题： A. B. C. D.A. B. C.答题： A. B. C. D.A. B. C.答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D.答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D.答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错第二章嵌入式系统的设计方法随堂练习提交截止时间：2016-06-15 23:59:59当前页有10题，你已做10题，已提交10题，其中答对10题。
A. B. C.答题： A. B. C. D.A. B. C.答题： A. B. C. D.A. B. C.答题： A. B. C. D.A. B. C.答题： A. B. C. D.A. B. C.答题： A. B. C. D.答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D.答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题： A. B. C. D. 答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错答题：对. 错第三章嵌入式处理器随堂练习提交截止时间：2016-06-15 23:59:59当前页有10题，你已做10题，已提交10题，其中答对10题。
第2章01： 嵌入式系统基本设计方法
大规模集成电路：微电子技术的发展，带来大规 模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，生产 出了大批量的低成本、高可靠性和高精度的微电 子结构模块
器件可编程：在此基础上发展起来的器件可编程 思想和微处理（器）技术可以用软件来改变和实 现硬件的功能，实现了微处理器和各种可编程大 规模集成专用电路、半定制器精件品课的件大量应用。 11
库/IP技术将预先设计好的低抽象级实现用于高级。
测试/验证技术确保每级功能正确，减少各级之间反复设 计的成本。
➢ 电路板级设计技术：完成电路板的规划，电路设 计，在印制板上布局，布线，最终构成系统。
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电路原理图
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电路原理图
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2.1.1 嵌入式系统设计的内容
2. 软件设计技术：软件语言
– 软件语言经历了从低级语言（机器语言、汇编语言） 到高级语言（如结构化设计语言、面向对象设计语 言）的发展历程，推动其发展的是汇编技术、分析 技术、编译/解释技术等诸多相关技术。
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2.1.2 嵌入式系统设计的技术背景
IT技术的发展推动嵌入式系统设计方法 的演变，这些技术包括：
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2.1.2 嵌入式系统设计的技术背景
名词解释： –IP（Intellectual Property Core，知识产 权核 ）
是一种预先设计好的甚至已经过验证的具有某种 确定功能的集成电路、器件或部件。
该模块有行为（behavior）、结构（structure） 和物理（physical）3级不同程度的设计，对应有 主要描述功能行为的“软IP内核(soft IP core)”、完成结构描述的“固IP内核(firm IP core)”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬IP 内核(hard IP core)”3个层次。
嵌入式系统设计方法
嵌入式系统设计方法
嵌入式系统设计方法是一种系统化的方法，用于设计和开发嵌入式系统。
以下是一种常用的嵌入式系统设计方法：
1. 确定需求：了解系统的功能和性能需求，并对系统的约束条件进行分析。
这包括确定系统的输入输出要求、硬件资源和时间限制等。
2. 架构设计：根据需求，设计系统的整体结构和模块划分。
这包括确定系统的主要组件、架构风格和交互方式等。
3. 硬件设计：设计系统所需的硬件电路和接口。
这包括选择适合的芯片、电路板和传感器，以及设计系统的电源、时钟和通信接口等。
4. 软件设计：开发系统的嵌入式软件。
这包括编写和调试系统的驱动程序、操作系统和应用软件，以及进行软件测试和优化。
5. 集成测试：将硬件和软件组件集成到一起，并进行系统级的测试和验证。
这包括验证系统的功能和性能，并解决集成过程中的兼容性和冲突问题。
6. 系统部署：将设计好的嵌入式系统部署到目标环境中，并进行系统的安装和配置。
这包括测试系统的稳定性和可靠性，并进行用户培训和文档编写。
7. 系统维护：定期对系统进行维护和更新，包括修复软件漏洞、更新硬件驱动程序和优化系统性能等。
以上是一种常用的嵌入式系统设计方法，设计者可以根据具体的项目需求和约束条件进行调整和扩展。
《嵌入式系统设计》教学大纲
《嵌入式系统设计》教学大纲嵌入式系统设计是计算机科学与技术领域的一个重要分支，主要研究如何设计和开发嵌入在其他设备或系统中的计算机系统。
嵌入式系统设计涉及到硬件和软件的相互协作，涵盖了多个学科和技术领域，包括计算机体系结构、操作系统、嵌入式软件开发、嵌入式系统测试等。
本课程将对嵌入式系统设计的相关知识和技能进行系统的讲解和实践操作，旨在培养学生的嵌入式系统设计与开发能力。
一、课程目标1.了解嵌入式系统的概念、特点、应用领域和发展趋势；2.掌握嵌入式系统设计的基本原理和方法；3.学习使用常见的嵌入式系统设计工具和开发环境；4.培养嵌入式系统设计与开发能力，能够独立完成基本的嵌入式系统设计项目。
二、教学内容第一章嵌入式系统概论1.嵌入式系统的概念和特点2.嵌入式系统的应用领域和发展趋势3.嵌入式系统设计的基本要求和步骤第二章嵌入式系统硬件设计1.嵌入式系统的硬件平台和体系结构2.嵌入式系统的处理器选择和嵌入式开发板3.嵌入式系统的外设接口和通信接口设计4.嵌入式系统的电源和封装设计第三章嵌入式系统软件设计1.嵌入式系统开发环境和常用软件工具2.嵌入式系统的软件开发过程和方法3.嵌入式系统的软件编程语言和开发框架4.嵌入式系统的操作系统选择和驱动程序开发第四章嵌入式系统测试与调试1.嵌入式系统的测试原理和策略2.嵌入式系统的测试工具和方法3.嵌入式系统的调试技术和工具4.嵌入式系统的性能调优和优化方法三、教学方法1.理论授课：通过讲解嵌入式系统的相关概念、原理和方法，培养学生的理论知识；2.实践操作：通过实验和实际项目，让学生亲自动手操作和实践，加深对嵌入式系统设计的理解和掌握；3.讨论交流：通过小组讨论和大班互动，促进学生之间的交流和合作，共同解决问题；4.课程项目：学生可以选择一个与嵌入式系统设计相关的项目进行深入研究和实践，提高综合应用能力。
四、考核方式1.平时成绩：包括课堂表现、实验报告和讨论参与等；2.期末考试：对理论知识的掌握程度进行考核；3.课程项目：对学生的综合能力进行考核；4.考勤情况：根据学生的出勤情况进行评定。
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由于系统仿真验证的过程中，模拟的工作环境与实际
使用环境相差甚远，软硬件之间的相互作用方式及作用效
果也就不同，这就难以保证系统在真实环境下工作的可靠
性，因此系统仿真的有效性是有限的。
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（1）软硬件协同设计采用统一的工具描述，可合理
划分系统软硬件，分配系统功能，在性能、成本、
功耗等方面进行权衡折衷，获取更优化的设计
（2）软硬件协同设计方法采用并行设计和协同设计
的思想，提高了设计效率，缩短了设计周期
（3）在系统级设计中，对软硬件部分使用统一描述
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（1）嵌入式处理器的选型
处理器的选型直接影响存储器、外设的选择。一般从以 下几个因素考虑： 够用 适用 成本 功耗 软件开发工具 是否内置调试工具 是否提供评估板
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（2）操作系统的选择
从八十年代起，国际上就有一些IT组织、公司，开始 致力于嵌入式操作系统的研发，现已涌现了一批优秀的操作 系统。如何从众多的嵌入式操作系统中选取合适的操作系统？ 可以考查以下几个方面： 操作系统的移植—硬件平台适应性 操作系统的内存要求—最小内存，最大内存 操作系统的实时性—应用要求硬实时还是软实时(WindowsCE) 支持的开发工具—是否支持第三方开发工具 操作系统的可裁剪性—可减少EOS对存储占用 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的API 操作系统是否提供硬件的驱动程序，如网卡等
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（1）系统描述
系统建模可以由设计者用非正式语言，甚至是自 然语言手工完成，但非正式的容易导致系统描述 不准确，而选用合适的建模语言将对设计起到事 半功倍的效果。
UML（Unified Modeling Language）语言是一种 功能强大的可视化建模语言。它将模型中的信息 用标准图形元素直观地显示，使具有不同技术背 景的开发人员和设计师可以较好地交流。
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用户需求
选择嵌入式处理 器及硬件平台
嵌 入 式 处 理 器 系 统 开 发 流 程
选择合适的 嵌入式操作系统
基于操作系统 开发应用程序
否
应用程序 测试通过 是 整个系统测试 系统开发结束
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嵌入式处理器系统开发方式
嵌入式处理器系统通常采用“宿主机/目标机”的开发方式。
宿主机
RS232 JTAG
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（1）内存分析工具
内存分析工具用来处理在动态内存分配中存在的缺陷
两类内存分析工具——软件和硬件的
基于软件的内存分析工具可能会对代码的性能造成很
大影响，从而严重影响实时操作
基于硬件的内存分析工具价格昂贵，而且只能在工具
所限定的运行环境中使用
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（2）性能分析工具
性能分析工具会提供有关的数据，说明执行时间 是如何消耗的，是什么时候消耗的，以及每个例 程所用的时间
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（2）软硬件划分 软硬件功能划分就是要确定哪些系统功能由 硬件实现，哪些功能由软件实现。 从理论上讲，每个应用系统都存在一个适合 于该软硬件功能的最佳组合，但如何从系统需求 出发，依据一定的指导原则和分配算法对硬件/软
件功能进行合理划分，从而使系统的整体性能达
到最佳，是软硬件划分的目标所在。
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测试人员把被测程序当作一个黑盒子
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黑盒测试
黑盒测试主要测试的错误类型有：
①不正确或遗漏的功能；
②接口、界面错误；
③性能错误；
④数据结构或外部数据访问错误；
⑤初始化或终止条件错误等等。
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黑盒测试
黑盒测试用于回答以下问题：
如何测试功能的有效性？ 何种类型的输入会产生好的测试用例？ 系统是否对特定的输入值尤其敏感？ 如何分隔数据类的边界？ 系统能够承受何种数据率和数据量？ 特定类型的数据组合会对系统产生何种影响？
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单片机系统 ：
单片机系统主要用于实现相对简单的控制，因 此系统核心部件集成在一块芯片——单片机上， 再在单片机的外围加入一些接口电路即可。 单片机系统设计相对比较简单，软件部分不需 要嵌入式操作系统的支持，只需采用汇编语言 编写针对特定应用的程序即可。
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用户需求
选择处理器 设计硬件平台
（3）协同综合
软硬件协同综合是根据系统描述和软硬件划
分的结果，在已有的设计规则和既定的设计目标
前提下，决定系统中软件和硬件部分以及其接口
的具体实现方法，并将其集成。
明确将采用哪些硬件模块、软件模块、软硬件
模块之间的通信方法及这些模块的具体实现
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（4）协同仿真与验证
软硬件协同仿真的目的是在硬件生产出来前，通过仿
系统描述
软硬件划分
协同综合
软件综合
接口综合
硬件综合
协同仿真/验证
系统集成与实现
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设计流程总体上可分为：
系统描述
软硬件划分 协同综合 协同仿真与验证 系统集成
（1）系统描述 采用一种或多种系统级描述语言对所需设计的嵌入式 系统的功能和性能进行全面的描述，是建立系统软硬件模 型的过程。
地取代硬件，以降低系统成本，获得更大的灵活
性，这就需要使用更好的测试方法和工具进行嵌
入式实时软件的测试。
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（1）白盒测试
白盒测试也称结构测试或逻辑驱动测试，是一种测试用
例设计方法，它从程序的控制结构导出测试用例
白盒测试使用被测单元内部如何工作的信息，允许测试
人员对程序内部逻辑结构及有关信息来设计和选择测试
单 片 机 系 统 的 开 发 流 程
根据硬件平台 编写软件
存在硬件 问题
否 否
是
修改硬件平台
测试软件 通过
是
整个系统测试
系统开发结束
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嵌入式处理器系统：
嵌入式处理器系统往往包含CPU、内存和丰富的外 部接口，其开发过程类似在PC机上开发应用程序。 开发流程的第一步是选择嵌入式处理器和硬件平台。 软件部分一般包含操作系统，开发人员基于此编写 相应的应用程序即可，这可大大地简化开发过程， 提高系统的稳定性。
第二章
本章知识点
嵌入式系统的设计方法
单片机系统
嵌入式处理器系统 传统的嵌入式系统开发方法 嵌入式系统描述与软硬件划分 嵌入式系统协同综合与协同仿真
嵌入式软件的测试方法
嵌入式软件的测试工具 嵌入式系统的测试策略
1 1
本讲导学
嵌入式系统的一般设计流程
传统的嵌入式系统设计方法
嵌入式系统的软硬件协同设计方法
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黑盒测试
黑盒测试用例设计方法
等价类划分法 边界值分析法 错误推测法 因果图法 判定表驱动法 正交试验设计法 功能图法 场景法
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（3）目标环境测试和宿主环境测试
在嵌入式软件测试中，常常要在基于目标的测 试和基于宿主的测试之间作出折衷。 基于目标的测试消耗较多的经费和时间，而基 于宿主的测试代价较小，目前的趋势是把更多的测试 转移到宿主环境中进行 在宿主环境中，可以进行逻辑或界面的测试、以 及与硬件无关的测试。 在目标环境中，则进行与定时问题有关的白盒测 试、中断测试、硬件接口测试。
否
测试通过
是
开发结束
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传统设计方法存在的缺陷 传统的嵌入式系统设计方法虽然简单，但存在一
些不可避免的缺陷：
设计方法缺乏统一的软硬件协同表示方法，软硬件
划分完全由设计者凭经验完成，无法从系统级验证划
分的合理性，且不易发现软硬件之间存在的接口问题
实际的设计过程中，常采用“硬件优先的原则”，
因此软件的测试必须在硬件全部完成之后才能进行，
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单片机系统 ：
又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片， 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当 于一台缺少了外围设备微型的计算机（最小系统 一块芯片就成了一台计算机。 体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供 了便利条件。 最早被用在工业控制领域。
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白盒测试的主要方法：
基本路径测试
设计足够多的测试用例，运行所测程序，要覆盖 程序中所有可能的路径。这是最强的覆盖准则
但在路径数目很大时，真正做到完全覆盖是很困 难的，必须把覆盖路径数目压缩到一定限度。
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（2）黑盒测试
黑盒测试的概念
黑盒测试又称功能测试、数据驱动测试或基于 规格说明书的测试，是一种从用户观点出发的 测试。
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本讲导学
嵌入式软件的测试方法 嵌入式软件的测试工具 嵌入式系统的测试策略
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通用系统中的软件测试通常分为:单元/模块
测试，集成测试，外部功能测试，回归测试，系
统测试，验收测试，安装测试。
嵌入式系统测试也叫交叉测试（crosstest），它与PC机的软件测试有相似之处。
目前，在嵌入式系统设计中软件正越来越多
目标机
JTAG仿真器
嵌入式处理器系统的开发方式 JTAG(Joint Test Action Group；联合测试工作组)是一种国际
标准测试协议。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、
TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线
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利用宿主机开发目标机软件 通过交叉编译环境生产目标代码和可执行 文件 通过串口/USB/以太网等方式将软件下载到 目标机 利用交叉调试器在监控程序或实时操作系 统支持下进行实时分析和调度 将正确程序下载固化到目标机