嵌入式系统设计

时间：2022-10-07 19:24:29 计算机毕业论文我要投稿

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嵌入式系统设计

　　嵌入式系统设计【1】

　　[摘要]嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

　　嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和具体应用相结合的产物。

　　[关键词]嵌入式系统设计

　　嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

　　嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和具体应用相结合的产物。

　　近年来,在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时,嵌入式系统开发技术取得迅速发展,嵌入式系统应用范围也急剧扩大。

　　从小到电子手表、电子体温计、翻译机等,大到如冷气机、电冰箱、电视机,甚至马路上红绿灯的控制器、战斗机中的飞控系统等。

　　嵌入式系统几乎无处不在:

　　1 嵌入式系统的特点

　　与通用计算机系统相比,嵌入式系统有其自身的特点:

　　(1)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

　　(2)嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。

　　(3)嵌入式系统和具体应用相结合,其升级换代也是和具体产品同步进行的。

　　因此嵌入式系统产品一旦进入市场,就具有较长的生命周期。

　　2 嵌入式系统的发展趋势

　　消费家电的智能化,为嵌入式系统的发展展现出美好的市场前景,也对嵌入式系统提出新的发展要求;微电子技术和系统设计方法的进步,使得嵌入式系统的发展呈现出以下趋势:

　　(1)随着嵌入式系统功能的增加,嵌入式系统处理的信息和数据量越来越大,系统对处理的响应时问也要求更严格,嵌入式处理器的主频会越来越高,甚至采用多核的方式来应付日益增长的性能要求。

　　(2)嵌入式系统在工业领域和某些特殊场合的广泛应用,要求嵌入式系统具有远程控制软件更新和故障诊断的能力。

　　(3)随着嵌入式系统在手持设备上的大量应用,手持设备的特点要求嵌入式系统功耗、体积更小,重量更轻。

　　(4)嵌入式系统将具有更加高速的通信接口,如USB2.0、千兆以太网等。

　　3 嵌入式系统设计流程

　　嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分。

　　嵌入式系统开发过程一般都采用“宿主机/目标板”开发模式,即利用宿主机(PC机)上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件,然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件,通过串口FUSB/以太网等方式下载到目标板上,利用交叉调试器在监控程序运行,实时分析,最后,将程序下载固化到目标机上,完成整个开发过程。

　　当前,嵌入式开发已经逐步规范化,在遵循一般工程开发流程的基础上,嵌入式开发有其自身的一些特点,图1所示为嵌入式系统开发的一般流程。

　　流程主要包括系统需求分析佞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、最终产品。

　　具体情况如下:

　　(1)系统需求分析:确定设计任务和设计目标,并提炼出设计规格说明书,作为正式设计指导和验收的标准。

　　系统的需求一般分功能性需求和非专题与综述功能性需求两方面。

　　功能性需求是系统的基本功能,如输入输出信号、操作方式等;非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。

　　(2)体系结构设计:描述系统如何实现所述的功能和非功能需求,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。

　　(3)硬件/软件协同设计:基于体系结构,对系统的软件、硬件进行详细设计。

　　为了缩短产品开发周期,设计往往是并行的。

　　嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上,采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。

　　(4)系统集成:

　　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。

　　(5)系统测试:对设计好的系统进行测试,看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。

　　4 嵌入式系统设计面临的挑战

　　要求更高的应用需求推动嵌入式设计从8/16位转向功能更强大的32位MCU。

　　这种升级给工程师带来了严峻的挑战,提出了一系列前所未有的全新问题。

　　(1)转变观念,需要熟悉新的开发模式。

　　嵌入式系统应用不再是过去单一的单片机应用模式,而是越来越多样化,嵌入式系统实现的最高形式是片上系统SoC,而SoC的核心技术是重用和组合IP核构件。

　　从单片机应用设计到片上系统设计及其中间的一系列的变化,从底层大包大揽的设计到利用FPGA和IP模块进行功能组合PSoC/SOPC设计。

　　(2)技术门槛提高,需要学习全新的RTOS技术。

　　(3)选择合适的开发工具,熟悉新的开发环境。

　　目前从8位升级到32位的一个最大障碍就是开发工具的投入。

　　32位开发工具要比8位开发工具复杂得多,使用的技术门槛要高得多,同时其投资也要高得多。

　　(4)熟悉硬件/软件协同设计和验证技术、设计管理技术。

　　软/硬件并行设计是嵌入式系统设计的一项关键任务。

　　在设计过程中的主要问题,是软硬件设计的同步与集成。

　　这要求控制一致性与正确性,但随着技术细节不断增加,需要消耗大量的时间。

　　目前,业界已经开发Polis、Cosyma及Chinook等多种方法和工具来支持集成式软硬件的协同设计。

　　目标是提供一种统一的软硬件开发方法。

　　它支持设计空间探索,并使系统功能可以跨越硬件和软件平台复用。

　　团队开发的最大问题就是设计管理问题。

　　(5)SoC设计所面临的巨大的挑战。

　　SoC已经开始成为新一代应用电子技术的核心,这已成为电子技术的革命标志。

　　过去应用工程师面对的是各种ASIC电路,而现在越来越多所面对的是巨大的IP模块库,所有设计工作都是以IP模块为基础。

　　SoC设计技术使嵌入式系统设计工程师变成了一个面向应用的电子器件设计工程师。

　　随着SoC应用的日益普及,在测试程序生成、工程开发、硅片查错、量产等领域对SoC测试技术提出了越来越高的要求。

　　[参考文献]

　　[1] DSP技术及应用.黄仁欣.2002年出版.

　　[2] 单片机技术.彭永.2007年12月出版.

　　[3] 电子感测技术.周南山.2007年出版.

　　[4] 电子技术基础.韦鸿.2008年出版.

　　嵌入式系统【2】

　　人类在经历了桌面系统的空前繁荣之后，嵌入式系统的发展正风起云涌，广泛进入到工业，军事，通信，运输，金融，医疗，气象，农业等众多领域。

　　通常情况下，人们往往会忽视自己身边的嵌入式系统。

　　比如手机，取款机或者电梯等等，在这些随处可见的设备中就存在嵌入式系统;此外，嵌入式系统还经常在工业机器人，医疗设备，卫星，飞行系统等领域扮演着更为重要的角色。

　　正是“看不见”和“无所不在”这样的特性使得嵌入式计算机系统有别于传统的计算机系统。

　　它与通用计算机系统相比具有以下特点：软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术和行业技术为一体;需要操作系统支持，代码小，执行速度快;专用紧凑，用途固定，成本敏感;可靠性要求高;多样性，应用广泛，种类繁多。

　　一、嵌入式系统简介

　　所谓嵌入式系统(Embedded Systems)是“嵌入式计算机系统”的简称，是相对于通用计算机系统而言的。

　　嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

　　它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

　　嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。

　　嵌入式微处理器和外围设备共同组成了一个嵌入式系统的硬件部分。

　　嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心。

　　嵌入式系统的软件部分包括操作系统软件(OS)(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。

　　有时设计人员把这两种软件组合在一起。

　　应用程序控制着系统的运作和行为;而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

　　二、嵌入式系统的分类

　　嵌入式系统涵盖的面非常之广泛，除PC系统以外的所有用到CPU的系统都为嵌入式系统，而且嵌入式系统有大有小，大到类似于PC的系统，小到类似于电饭炉这样的微控制系统。

　　具体分类：(1)信息家电，如机顶盒、DVD等;(2)信息终端，如手机、PDA等;(3)工业控制，如机器人，智能仪表等;(4)交通管理，如GPS,GSM模块;(5)电子商务，如公共电话卡发行系统，自动售货机等;(6)环境检测，等等。

　　三、嵌入式系统发展趋势

　　1、嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。

　　随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP和ASP在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。

　　为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力;同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。

　　2、互联网成为必然趋势。

　　为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。

　　针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,相应需要TCP/IP协议簇软件支持;由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。

　　为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、WML等。

　　3、支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本。

　　为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。

　　这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。

　　如，选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能。

　　因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。

　　4、提供精巧的多媒体人机界面。

　　嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。

　　人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。

　　手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。

　　目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。

　　总之，中国的单片机应用和嵌入式系统开发走过了15年的历程，但大多仍处于是以3-5个人为小组的封闭方式开发为主。

　　今天面对的嵌入式系统工业化的潮流，如果我们不能认识到嵌入式软件必须以工业化的方式生产开发，不理解在短时间内装配集成“数百人年”嵌入式产品软件库固化于芯片之中的方法，那么我们将失去更多“上游”产品的市场机遇;反之在我国大力推动和建设“嵌入式软件工厂”，使我国的嵌入式软件库(零件)产品化并溶入国际市场，对加速知识创新和建立面向21世纪的知识经济具有战略意义。

　　参考文献：

　　1、马忠梅,李善平,康慨等.ARM & Linux嵌入式系统教程.北京:北京航天航空大学出版社,2004.

　　2、沈文斌.嵌入式硬件系统设计与开发实例详解.北京:电子工业出版社,2005.

　　3、陈渝,李明,杨晔等.源代码开发的嵌入式软件分析与实践.北京:北京航天航空大学出版社,2004.

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