嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)【1】
[摘 要]嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。
[關(guān)鍵詞]嵌入式系統(tǒng) 設(shè)計(jì)
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。
近年來(lái),在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí),嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)取得迅速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍也急劇擴(kuò)大。
從小到電子手表、電子體溫計(jì)、翻譯機(jī)等,大到如冷氣機(jī)、電冰箱、電視機(jī),甚至馬路上紅綠燈的控制器、戰(zhàn)斗機(jī)中的飛控系統(tǒng)等。
嵌入式系統(tǒng)幾乎無(wú)處不在:
1 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)
與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比,嵌入式系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn):
(1)嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物,這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。
(2)嵌入式系統(tǒng)通常是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向特定應(yīng)用的。
(3)嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用相結(jié)合,其升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行的。
因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng),就具有較長(zhǎng)的生命周期。
2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
消費(fèi)家電的智能化,為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展展現(xiàn)出美好的市場(chǎng)前景,也對(duì)嵌入式系統(tǒng)提出新的發(fā)展要求;微電子技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步,使得嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢(shì):
(1)隨著嵌入式系統(tǒng)功能的增加,嵌入式系統(tǒng)處理的信息和數(shù)據(jù)量越來(lái)越大,系統(tǒng)對(duì)處理的響應(yīng)時(shí)問(wèn)也要求更嚴(yán)格,嵌入式處理器的主頻會(huì)越來(lái)越高,甚至采用多核的方式來(lái)應(yīng)付日益增長(zhǎng)的性能要求。
(2)嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域和某些特殊場(chǎng)合的廣泛應(yīng)用,要求嵌入式系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制軟件更新和故障診斷的能力。
(3)隨著嵌入式系統(tǒng)在手持設(shè)備上的大量應(yīng)用,手持設(shè)備的特點(diǎn)要求嵌入式系統(tǒng)功耗、體積更小,重量更輕。
(4)嵌入式系統(tǒng)將具有更加高速的通信接口,如USB2.0、千兆以太網(wǎng)等。
3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為軟件開(kāi)發(fā)部分和硬件開(kāi)發(fā)部分。
嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程一般都采用“宿主機(jī)/目標(biāo)板”開(kāi)發(fā)模式,即利用宿主機(jī)(PC機(jī))上豐富的軟硬件資源及良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具來(lái)開(kāi)發(fā)目標(biāo)板上的軟件,然后通過(guò)交叉編譯環(huán)境生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行文件,通過(guò)串口FUSB/以太網(wǎng)等方式下載到目標(biāo)板上,利用交叉調(diào)試器在監(jiān)控程序運(yùn)行,實(shí)時(shí)分析,最后,將程序下載固化到目標(biāo)機(jī)上,完成整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。
當(dāng)前,嵌入式開(kāi)發(fā)已經(jīng)逐步規(guī)范化,在遵循一般工程開(kāi)發(fā)流程的基礎(chǔ)上,嵌入式開(kāi)發(fā)有其自身的一些特點(diǎn),圖1所示為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一般流程。
流程主要包括系統(tǒng)需求分析佞求有嚴(yán)格規(guī)范的技術(shù)要求)、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測(cè)試、最終產(chǎn)品。
具體情況如下:
(1)系統(tǒng)需求分析:確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo),并提煉出設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書(shū),作為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。
系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非專(zhuān)題與綜述功能性需求兩方面。
功能性需求是系統(tǒng)的基本功能,如輸入輸出信號(hào)、操作方式等;非功能需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。
(2)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求,包括對(duì)硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分,以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。
一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。
(3)硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì):基于體系結(jié)構(gòu),對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
為了縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,設(shè)計(jì)往往是并行的。
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作大部分都集中在軟件設(shè)計(jì)上,采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。
(4)系統(tǒng)集成:
把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起,進(jìn)行調(diào)試,發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤。
(5)系統(tǒng)測(cè)試:對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,看其是否滿(mǎn)足規(guī)格說(shuō)明書(shū)中給定的功能要求。
4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
要求更高的應(yīng)用需求推動(dòng)嵌入式設(shè)計(jì)從8/16位轉(zhuǎn)向功能更強(qiáng)大的32位MCU。
這種升級(jí)給工程師帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),提出了一系列前所未有的全新問(wèn)題。
(1)轉(zhuǎn)變觀念,需要熟悉新的開(kāi)發(fā)模式。
嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不再是過(guò)去單一的單片機(jī)應(yīng)用模式,而是越來(lái)越多樣化,嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最高形式是片上系統(tǒng)SoC,而SoC的核心技術(shù)是重用和組合IP核構(gòu)件。
從單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)到片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其中間的一系列的變化,從底層大包大攬的設(shè)計(jì)到利用FPGA和IP模塊進(jìn)行功能組合PSoC/SOPC設(shè)計(jì)。
(2)技術(shù)門(mén)檻提高,需要學(xué)習(xí)全新的RTOS技術(shù)。
(3)選擇合適的開(kāi)發(fā)工具,熟悉新的開(kāi)發(fā)環(huán)境。
目前從8位升級(jí)到32位的一個(gè)最大障礙就是開(kāi)發(fā)工具的投入。
32位開(kāi)發(fā)工具要比8位開(kāi)發(fā)工具復(fù)雜得多,使用的技術(shù)門(mén)檻要高得多,同時(shí)其投資也要高得多。
(4)熟悉硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證技術(shù)、設(shè)計(jì)管理技術(shù)。
軟/硬件并行設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要問(wèn)題,是軟硬件設(shè)計(jì)的同步與集成。
這要求控制一致性與正確性,但隨著技術(shù)細(xì)節(jié)不斷增加,需要消耗大量的時(shí)間。
目前,業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)Polis、Cosyma及Chinook等多種方法和工具來(lái)支持集成式軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)。
目標(biāo)是提供一種統(tǒng)一的軟硬件開(kāi)發(fā)方法。
它支持設(shè)計(jì)空間探索,并使系統(tǒng)功能可以跨越硬件和軟件平臺(tái)復(fù)用。
團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的最大問(wèn)題就是設(shè)計(jì)管理問(wèn)題。
(5)SoC設(shè)計(jì)所面臨的巨大的挑戰(zhàn)。
SoC已經(jīng)開(kāi)始成為新一代應(yīng)用電子技術(shù)的核心,這已成為電子技術(shù)的革命標(biāo)志。
過(guò)去應(yīng)用工程師面對(duì)的是各種ASIC電路,而現(xiàn)在越來(lái)越多所面對(duì)的是巨大的IP模塊庫(kù),所有設(shè)計(jì)工作都是以IP模塊為基礎(chǔ)。
SoC設(shè)計(jì)技術(shù)使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師變成了一個(gè)面向應(yīng)用的電子器件設(shè)計(jì)工程師。
隨著SoC應(yīng)用的日益普及,在測(cè)試程序生成、工程開(kāi)發(fā)、硅片查錯(cuò)、量產(chǎn)等領(lǐng)域?qū)oC測(cè)試技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。
[參考文獻(xiàn)]
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[4] 電子技術(shù)基礎(chǔ).韋鴻.2008年出版.
嵌入式系統(tǒng)【2】
人類(lèi)在經(jīng)歷了桌面系統(tǒng)的空前繁榮之后,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展正風(fēng)起云涌,廣泛進(jìn)入到工業(yè),軍事,通信,運(yùn)輸,金融,醫(yī)療,氣象,農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域。
通常情況下,人們往往會(huì)忽視自己身邊的嵌入式系統(tǒng)。
比如手機(jī),取款機(jī)或者電梯等等,在這些隨處可見(jiàn)的設(shè)備中就存在嵌入式系統(tǒng);此外,嵌入式系統(tǒng)還經(jīng)常在工業(yè)機(jī)器人,醫(yī)療設(shè)備,衛(wèi)星,飛行系統(tǒng)等領(lǐng)域扮演著更為重要的角色。
正是“看不見(jiàn)”和“無(wú)所不在”這樣的特性使得嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
它與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn):軟硬件一體化,集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和行業(yè)技術(shù)為一體;需要操作系統(tǒng)支持,代碼小,執(zhí)行速度快;專(zhuān)用緊湊,用途固定,成本敏感;可靠性要求高;多樣性,應(yīng)用廣泛,種類(lèi)繁多。
一、嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介
所謂嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)是“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱(chēng),是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的。
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶(hù)的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng),它包括硬件和軟件兩部分。
嵌入式微處理器和外圍設(shè)備共同組成了一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的硬件部分。
嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。
嵌入式系統(tǒng)的軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)用程序編程。
有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。
應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。
二、嵌入式系統(tǒng)的分類(lèi)
嵌入式系統(tǒng)涵蓋的面非常之廣泛,除PC系統(tǒng)以外的所有用到CPU的系統(tǒng)都為嵌入式系統(tǒng),而且嵌入式系統(tǒng)有大有小,大到類(lèi)似于PC的系統(tǒng),小到類(lèi)似于電飯爐這樣的微控制系統(tǒng)。
具體分類(lèi):(1)信息家電,如機(jī)頂盒、DVD等;(2)信息終端,如手機(jī)、PDA等;(3)工業(yè)控制,如機(jī)器人,智能儀表等;(4)交通管理,如GPS,GSM模塊;(5)電子商務(wù),如公共電話(huà)卡發(fā)行系統(tǒng),自動(dòng)售貨機(jī)等;(6)環(huán)境檢測(cè),等等。
三、嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)
1、嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)需要強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持。
隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高,ICP和ASP在網(wǎng)上提供的信息內(nèi)容日趨豐富、應(yīng)用項(xiàng)目多種多樣,嵌入式電子設(shè)備的功能不再單一,電氣結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。
為了滿(mǎn)足應(yīng)用功能的升級(jí),設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力;同時(shí)還采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復(fù)雜性,簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。
2、互聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢(shì)。
為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求,面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。
針對(duì)外部聯(lián)網(wǎng)要求,嵌入設(shè)備必需配有通信接口,相應(yīng)需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持;由于家用電器相互關(guān)聯(lián)(如防盜報(bào)警、燈光能源控制、影視設(shè)備和信息終端交換信息)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器的協(xié)調(diào)工作等要求,新一代嵌入式設(shè)備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口,同時(shí)也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。
為了支持應(yīng)用軟件的特定編程模式,如Web或無(wú)線Web編程模式,還需要相應(yīng)的瀏覽器,如HTML、WML等。
3、支持小型電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小尺寸、微功耗和低成本。
為滿(mǎn)足這種特性,要求嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)者相應(yīng)降低處理器的性能,限制內(nèi)存容量和復(fù)用接口芯片。
這就相應(yīng)提高了對(duì)嵌入式軟件設(shè)計(jì)技術(shù)要求。
如,選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法,采用Java編程模式,優(yōu)化編譯器性能。
因此,既要軟件人員有豐富經(jīng)驗(yàn),更需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù),如Java、Web和WAP等。
4、提供精巧的多媒體人機(jī)界面。
嵌入式設(shè)備之所以為億萬(wàn)用戶(hù)樂(lè)于接受,重要因素之一是它們與使用者之間的親和力,自然的人機(jī)交互界面,如司機(jī)操縱高度自動(dòng)化的汽車(chē)主要還是通過(guò)習(xí)慣的方向盤(pán)、腳踏板和操縱桿。
人們與信息終端交互要求以GUI屏幕為中心的多媒體界面。
手寫(xiě)文字輸入、語(yǔ)音撥號(hào)上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。
目前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫(xiě)入、短消息語(yǔ)音發(fā)布,但離掌式語(yǔ)言同聲翻譯還有很大距離。
總之,中國(guó)的單片機(jī)應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)走過(guò)了15年的歷程,但大多仍處于是以3-5個(gè)人為小組的封閉方式開(kāi)發(fā)為主。
今天面對(duì)的嵌入式系統(tǒng)工業(yè)化的潮流,如果我們不能認(rèn)識(shí)到嵌入式軟件必須以工業(yè)化的方式生產(chǎn)開(kāi)發(fā),不理解在短時(shí)間內(nèi)裝配集成“數(shù)百人年”嵌入式產(chǎn)品軟件庫(kù)固化于芯片之中的方法,那么我們將失去更多“上游”產(chǎn)品的市場(chǎng)機(jī)遇;反之在我國(guó)大力推動(dòng)和建設(shè)“嵌入式軟件工廠”,使我國(guó)的嵌入式軟件庫(kù)(零件)產(chǎn)品化并溶入國(guó)際市場(chǎng),對(duì)加速知識(shí)創(chuàng)新和建立面向21世紀(jì)的知識(shí)經(jīng)濟(jì)具有戰(zhàn)略意義。
參考文獻(xiàn):
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