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第二讲嵌入式系统技术概述嵌入式系统理论及应用电院三系网络工程教研室夏靖波2020/5/22第2页三系网络工程教研室第一讲嵌入式系统技术概述1324嵌入式系统的概念嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的开发方法嵌入式系统的发展趋势第3页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法设计要求开发模式硬件开发技术软件开发方法软硬件协同开发第4页网络工程教研室满足应用的功能需求，在此基础上要便于扩展和升级支持外部事件的并发处理满足实时性要求强调系统的可靠性和安全性适应环境要求便于操作和维护系统开发周期要短系统成本尽量降低需要考虑产品的体积、重量和安装方式等需要对系统进行功耗管理嵌入式系统的开发方法设计要求第5页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法设计要求开发模式硬件开发技术软件开发方法软硬件协同开发第6页网络工程教研室普通应用系统的开发，只需考虑软件系统设计，硬件部分直接根据软件需求购买即可，如数据库管理系统、办公自动化系统。嵌入式系统的开发需要软硬件综合开发嵌入式产品是软硬件的结合体嵌入式软件固化在硬件环境中，是专用的嵌入式系统的开发方法开发模式第7页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法开发模式——开发流程系统生存周期中最简短的阶段，所提供的报告通常比较模糊确定是否存在行之有效的方法来解决上一阶段定义的关键问题确定功能需求、性能需求、环境需求，提交需求分析报告，包括系统功能模块图第8页网络工程教研室开发模式——开发流程嵌入式系统的开发方法系统概要设计：整个嵌入式系统的总体设计，最基本、最重要的阶段，决定此后软硬件设计的走向以及系统测试的方式（开发环境）。提供系统总体设计报告，推荐一个基本的软硬件配置方案（包括系统中各模块之间的接口关系）。此后，系统设计将分为软件和硬件两种分别进行，只有最新的软硬件协同设计除外。软硬件划分需要精心设计、反复比较、权衡利弊。第9页网络工程教研室开发模式——开发流程嵌入式系统的开发方法硬件概要设计：针对系统总体设计对硬件部分的描述，进一步确定各功能模块的详细特性（如存储器大小、LCD分辨率等），模块间关联的详细定义以及所选择的总线电路等。提交详细的硬件功能框图，包括模块及每个模块的输入输出。第10页网络工程教研室开发模式——开发流程嵌入式系统的开发方法硬件详细设计：选定实现硬件功能框图内的各个具体器件（包括型号、规格、封装等），设计相应的周边电路，得到符合系统需求和硬件概要设计的电路原理图，进一步生成实际的PCB图。硬件制作：根据PCB图加工PCB，再焊接/装配必要的芯片（如CPU、LCD等），形成目标硬件；然后调试修改，直到基本无错误。第11页网络工程教研室开发模式——开发流程嵌入式系统的开发方法硬件测试：进行功能、性能等方面的测试和修改，使其达到硬件设计目标。软件设计实现：与硬件设计制作并行、交互进行。第12页网络工程教研室开发模式——开发流程嵌入式系统的开发方法软硬件集成：将测试完成的软件系统装入制作好的硬件系统中，进行系统综合测试，验证系统功能是否准确无误地实现；最后将软件固化到目标硬件中。此阶段工作复杂、费时，需要相应的辅助工具支持。性能测试：测试最终完成的系统性能是否满足设计任务书的要求。若不能，则需要回到设计初始阶段（系统概要设计）重新进行。第13页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法开发模式——交叉开发环境第14页网络工程教研室嵌入式系统硬件平台第15页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法设计要求开发模式硬件开发技术软件开发方法软硬件协同开发第16页网络工程教研室硬件开发技术嵌入式系统的开发方法采用现代电子产品设计方法进行开发。一方面大量使用大规模可编程逻辑器件（PLD）来提高产品性能、降低消耗；另一方面不断提高自动化设计水平，缩短开发周期，从而导致电子设计自动化（EDA）技术的不断发展。第17页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法电子设计自动化EDA：EDA以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言（HDL）为主要表达方式，以相应的开发软件为工具，用软件方式自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线、仿真以及对特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作，最终形成专用的集成芯片。EDA设计＝系统级设计＋电子系统设计＋PCB设计硬件开发技术第18页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法硬件描述语言HDL：HDL能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者利用HDL程序描述目标电路系统，规定器件结构特征和电路的行为方式，然后利用EDA的综合模块和适配模块将此程序编成能控制FPGA和CPLD内部结构，并实现相应逻辑功能的门级或更底层的结构网表文件或下载文件。HDL的可移植性好，使用方便，但效率不如原理图，因此一般采用原理图与HDL相结合的方法。目前最主要的HDL是VHDL和VerilogHDL。硬件开发技术第19页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法知识产权核IPCore（IntellectualPropertyCore）：设计者按照常用或专用功能，用HDL描述集成电路的功能和结构，并经过不同级别的验证形成不同级别的知识产权核模块，提供给设计人员装配或集成选用。IPCore有行为、结构、物理三种不同程度的设计，对应有主要描述功能行为的“SoftIPCore”、完成结构描述的“FirmIPCore”和基于物理描述并经过工艺验证的“HardIPCore”三个层次。硬件开发技术第20页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法设计要求开发模式硬件开发技术软件开发方法软硬件协同开发第21页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法目前嵌入式软件的设计方法，主要是在传统的软件工程方法基础上，增加实时、并发等设计技术而形成的。面向对象（OO）开发方法是一种自底向上和自顶向下相结合的方法。OO以对象建模为基础，不仅考虑了输入输出数据结构，而且还包含了所有对象的数据结构。可用于开发系统软件和软件开发环境。软件开发方法第22页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法可视化开发方法在可视化开发工具提供的图形用户界面上，通过操作界面元素（如菜单、按钮、对话框、编辑框、单选框、复选框、列表框、滚动条等），由可视化开发工具自动生成应用软件。主要用于开发与图形有关的应用系统。软件开发方法第23页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法软件重用和组件连接（构件式）软件重用是利用已有的软件成分来构造新软件。组件可以是源代码片断、子系统的设计结构、模块的详细设计、文档和某一方面的规格说明等。大大减少软件开发的费用和时间，有利于提高软件的可维护性和可靠性。软件开发方法第24页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法集成化计算机辅助软件工程ICASE第三代计算机辅助软件工程方法——信息中心库方式不仅提供数据集成和控制集成，还提供一组用户界面管理设施和一大批工具（如垂直工具集、水平工具集、开放工具槽）。最终目标是实现应用软件的全自动开发。开发人员只要写好软件的需求规格说明书，软件开发环境就自动完成从需求分析开始的所有软件开发工作，自动生成供用户直接使用的软件和相关文档。软件开发方法第25页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法设计要求开发模式硬件开发技术软件开发方法软硬件协同开发第26页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法协同开发的过程分为：需求分析软硬件协同设计（Co-design）软硬件实现软硬件协同测试和验证（Co-test&Co-verification）软硬件协同开发嵌入式软件开发嵌入式系统协同设计、测试、验证嵌入式硬件开发第27页网络工程教研室嵌入式系统的开发方法优点：充分考虑软硬件之间的关系，并在每个层次上给以测试验证，使尽早发现和解决问题，避免灾难性错误的出现。由于减少了协同集成这一环节，可导致整个系统的开发效率大大提高，更好地适应嵌入式应用系统开发的需求。软硬件协同开发第28页三系网络工程教研室第一讲嵌入式系统技术概述1324嵌入式系统的概念嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的开发方法嵌入式系统的发展趋势第29页网络工程教研室嵌入式系统的发展趋势软件设计比重日益突出组件设计技术SOC硬件软件化第30页网络工程教研室嵌入式系统的发展趋势宏观方面的发展趋势—经济性（POS开发失败，几十万、几万、5千、5百）计算机要很便宜，让更多的人能买得起；—小型化（笔记本、PDA）人们携带方便；—可靠性（汽车VCD，挑动问题）能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行—高速度（飞机刹车系统）能够迅速地完成数据计算或数据传输；—智能性（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。第31页网络工程教研室嵌入式系统开发的工作重点正在向软件转移。以机械控制系统为例，10年前机械、硬件和软件在机电系统中所占的比重分别是65%、20%和15%，而在EMS中则是30%、15%和55%。嵌入式系统软件开发的特点：实时性模块化组件化可重用软件工程方法在嵌入式系统中的应用嵌入式系统的发展趋势第32页网络工程教研室可编程芯片在嵌入式系统设计中的应用促进了硬件设计向软件设计发展：对象：FPGA，CPLD，ASIC工具：VHDL编程：硬件工程师硬件设计软件化嵌入式系统的发展趋势第33页网络工程教研室谢谢各位