嵌入式系统降低功耗设计

嵌入式系统降低功耗设计

对于嵌入式系统来说，低功耗设计包括硬件低功耗设计与软件低功耗设计两个方面。硬件是系统运行的物质平台，包括处理器和外围设备。硬件低功耗设计有两个层次：器件级的低层次设计主要关注减少负载电容和漏电流；系统级的高层次设计主要关注减少无用的逻辑和无用的电路活动。在上面两个层次中，后者是更为有效的方法。处理器的低功耗设计大都采用系统级，其技术主要包括：门控时钟技术，cache部分关闭技术，动态电压缩放DVS（dynamic voltage scaling）技术；外围设备低功耗设计包括：关闭设备空闲部件；在满足基本性能要求前提下，降低外围设备的服务质量。

软件的低功耗设计涉及嵌入式操作系统、编译程序和应用软件等各个层次。操作系统是软件的核心，处理器调度算法、外围设备管理和功耗管理策略等部分和功耗关系密切：调度算法可实现可变电压技术，改变处理器的工作频率和电压，降低功耗；驱动程序直接控制硬件，通过增加驱动程序功能，抽象出设备的低功耗特性，供上层软件使用；操作系统中增加的功耗策略模块，提供多种功耗管理策略，应用软件根据具体的应用需求，选择最适合的管理策略。编译程序可以通过合理优化、减少冗余代码和不必要操作等方法降低功耗；同时在执行结果相同条件下，可以采用操作替换方式。低功耗应用程序能够利用与电源管理机制相关的API，建立的约束条件，并强迫电源管理机制执行相匹配的变化。

一、电路级的低功耗设计：

一、硬件低功耗设计

1、尽量采用低功耗的器件，几乎所有的TTL工艺的器件都有对应的

CMOS工艺的器件，选用CMOS工艺的器件是降低电路的直接方法。一般情况下CMOS工艺的功耗为TTL工艺的千分之几，在使用CMOS电路时也应该尽量降低时钟频率和工作电压。尽量使电路处于静态工作状态。设计系统时，尽量使电路处于确定的工作状态，避免没有必要的循环、跳变。对未用的管脚不要浮空，要接到VCC或地上，否则输入引脚上积累的电荷很容易使引脚位

于0、1间的过渡区域，大大浪费了功耗。

2、尽量采用高度集成的专用器件，专用器件在功耗、体积和可靠性上都要优于分离器件。

3、有些器件有一定的电压工作范围，采用单电源、低压供电可以降低功耗。

4、尽量降低系统的时钟频率。在各种控制器内，特别是处理器，时钟是跳变次数最多的信号，也是分布最广泛的信号，因此时钟跳变所导致的功耗占了整个系统大量功耗。通过简单的降低时钟工作频率方法来降低时钟功耗不可行，因为降低时钟频率会降低系统的性能，而且处理器完成工作任务的总功耗还是不变的。但是根据系统实时运行的情况，总是存在处于空闲状态的单元模块和冗余信号，它们在某一特定时段的内部操作和输出对系统的状态不会造成影响，可以利用门控时钟来切断这一部分时钟网络，从而达到节省功耗的目的。

5、充分利用节电工作方式：

现在厂家生产的许多器件都有低功耗的节电方式，如单片机闲置、掉电工作方式，存储器的维持共作方式，ADC、DAC的节能工作方式，DC/DC器件的停机工作方式等。这些器件具有节电工作方式本身就说明他们在正常工作方式时需要消耗较大的电能，因此设计是充分利用其节电方式往往能达到显著的节电效果。

另外，合理处理器件的空余引脚也是非常重要的。大多数数字电路输出端在输出低电平的时候功耗远大于输出高电平的时候的功耗，设计是应该注意控制低电平的输出时间，闲置时使其处于高电平的输出状态。

6、实行电源管理

目前大部分的传感器本身还没有低功耗模式，而这些器件往往是用电大户。这种情况下，可以对电路进行模块设计，工作时对大功耗器件实施间断供电，即设置电源开关电路，并通过软件或定时电路控制开关，是大功耗模块电路在需要工作的时候加电，其余时间则处于断电状态。这是最有效的节电方式。

二、集成电路的功耗分析

CMOS逻辑电路有许多优点，成为了现在最通用的大规模集成电路技术。

CMOS

电路具有以下优点：集成度高，功耗低，输入电流小，连接方便和具有比例性。目前，在嵌入式硬件设计中，无论是微处理器，还是外围电路中，都在使用CMOS逻辑电路。COMS的电路可以分为确定性功耗与非确定性功耗。

确定性功耗包括以下内容：静态漏电功耗，内部短路功耗和动态功耗。非确定性功耗主要是由于环境引起的。

1.静态漏电功耗

静态漏电是在二极管在反向加电时，晶体管内出现的漏电现象。在MOS 管中，主要指的是从衬底的注入效应和亚门限效应。这些与工艺有关，而且漏电所造成的功耗很小。但是随着芯片面积的缩小，静态功耗所占的比重也在扩大，所以它也是设计必须考虑的一个重要因素之一。一种比较好的方法是采用自适应衬底偏置电压的DVS方法。

2.内部短路功耗

CMOS电路中，如果条件Vtn

3.动态功耗

动态功耗是由电路中的电容引起的。设CL为CMOS电路的电容，电容值

为PMOS管从0状态到H状态所需的电压与电量的比值。以一个反相器为例，当该电压为Vdd时，从0到H状态变化（输入端）所需要的能量是CLVdd2。

其中一半的能量存储在电容之中，另一半的能量扩展在PMOS之中。对于输出端来说，它从H到0过程中，不需要Vdd的充电，但是在NMOS下拉的过程中，会把电容存储的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次时钟变化时都变化一次，则所耗的功率就是CVdd2f，但并不是在每个时钟跳变过程之中，所有的CMOS电容都会进行一次转换（除了时钟缓冲器），所以最后要再加上一个概率因子a。电路活动因子a代表的是，在平均时间内，一个节点之中，每个时钟周期之内，这个节点所变化的几率。最终得到的功耗表达式为：

三、嵌入式处理器的低功耗设计

处理器的低功耗设计包括器件级的低层次和系统级的高层次设计。对于较低的设计层次，低功耗设计主要关注减少负载电容和漏电流；而对于较高的设计层次，低功耗设计主要减少无用的逻辑和无用的电路活动。因此高层次低功耗设计效果更好，成为设计的主要方法。高层次的低功耗设计主要有以下方法：

1.超标量RISC处理器；

2.门控时钟；

3.组关联cache；

4.动态电压缩放技术；

二、软件层面的低功耗设计：

有了硬件基础的支持，就需要低功耗软件来实现对部件的低功耗控制。

低功耗软件既需要低功耗操作系统，又需要低功耗的应用编程。在操作系统中，需要有低功耗的调度器，低功耗的设备驱动，低功耗管理策略来做支撑，最后还必须把这些功能通过系统接口给应用程序使用。在应用层，则需要充分利用系统的接口，编写具有良好低功耗性能的应用程序。

一、低功耗调度器

在系统中，处理器是最重要的系统资源，在功耗上，也是占了很大的比例。所以在整个操作系统中，处理器的管理占有重要的地位，这集中表现在处理器的调度算法上。如何设计一个调度算法，既能够使处理器在规定时间内完成系统任务，又能够使得其功耗最低，就成为了低功耗处理器调度算法的核心任务之一。

在处理器的调度算法设计上，需要充分利用处理器本身的特性。对于目前的嵌入式处理器，在功耗管理上，大多提供不同的工作模式，这些模式有不同的时钟频率。频率越低，处理器的功耗越小，同时处理器的处理能力也越弱。所以在ACPI电源管理标准中，如果处理器空闲，让处理器处于低功耗模式；如果系统长时间不工作，则让处理器进入休眠模式，这种调度方法能够降低功耗。但是，如果应用DVS方法，可以达到更好的节能效果。根据大量的试验研究，处理器的功耗与处理器的电压成二次曲线关系，处理器的电压和处理器的速度成线性关系。也有的报道说处理器的功耗与处理器的电压是三次曲线关系，但是在调度算法论文的计算中，大多假设是二次曲线关系。

所以如果处理器以某一个恒定不变的速度去完成任务集，将比处理器以一个高速度完成任务集，然后再空闲的方法更节约能源。

如果可以预测未来处理器的任务负荷情况，在任务集开始执行前，可以计算出处理器在规定时间内完成任务的最小恒定速度，如果按照此速度来执行任务集，则处理器的功耗最低。但是在很多情况下，系统不能预知未来系统的任务负荷，这时这种方法不能够再采用。一般说来，处理器在某一段时

间内的负荷是相对稳定的，可以统计前一段时间内系统的负荷，用它来作为未来一段时间处理器荷载的预测，这不会和实际情况完全相符，但是也可以达到很好的效果，在算法研究和实际中，也被大量采用。

处理器一般通过进入不同的功耗模式来降低嵌入式系统的功耗。处理器的功耗模式分为工作模式，空闲模式和休眠模式。上电后，系统工作在工作模式下。如果有任务处于活动状态或是有外部事件发生时，系统将保持该模式；否则，把系统切换到空闲模式。空闲模式一个主要特点是其进入退出基本上不需要额外开销，通常一毫秒就可以反复很多次。任何时候只要操作系统检查到所有线程都处于阻塞状态如等待中断、事件或定时时间，它都可以把系统置于空闲模式以省电。由于任何中断都能把系统从空闲模式中唤醒，所以采用这种模式可使软件智能等待系统事件。

在通常情况下，空闲进程本身不做什么具体的处理工作，它只有在其它应用任务都被阻塞的情况下才会执行。系统进入空闲模式后，启动idle定时器。当该定时器计时满后，系统将进行超时处理，系统保存系统最底层寄存器内容。操作系统实际上没有关闭程序，只是把其内容(代码、栈、堆、静态数据)留在存储器里，然后把处理器置于休眠模式。如果在超时处理时有事件到来，就进入休眠模式。

在休眠模式下，如果是对系统无效的外部事件，系统将回到休眠状态。

如果有外部事件发生，系统将回到工作模式。在休眠模式下，系统依靠中断来唤醒自己。从空闲状态退出到工作状态是实时的，但是从休眠状态退出的延迟就大得多。

二、低功耗设备驱动

设备驱动程序在处理器和外设之间进行通信，直接对硬件进行操作，可以充分利用硬件的特性。在功耗管理的软件系统中，它也是软件的底层，是以上各层软件的基础。驱动层向上面各层提供函数调用接口，这些函数充分利用外设的功耗模式来降低外设的功耗。

在驱动层，只是提供可以利用低功耗硬件特性的函数接口；在策略层，提供不同的低功耗策略让应用层选用。因为系统采用低功耗工作方式，可能

会对系统性能构成一定程度的影响，影响的程度要看具体的硬件和使用的策略。所以是否使用低功耗方式，使用什么样的低功耗策略留给应用层来决定。

策略层应该包括这些内容：比如，对于处理器，在什么条件下进入低速模式运行，什么条件下进入休眠模式等。对于外围设备，在某些功能不用时是立即关闭，还是延时或者需要等待其它条件发生才关闭。

三、系统功耗策略

操作系统的驱动，决定了是否可以使用硬件的低功耗特性，但是可以采用的

低功耗模式却是由系统功耗策略模块来提供。为了使得系统灵活，在低功耗和性能上有很好的平衡，把是否使用低功耗方式和使用什么样的低功耗策略留给应用层来决定。因为系统采用低功耗工作方式，可能会对系统性能构成一定程度的影响，影响的程度要看具体的硬件和使用的策略。在驱动层，只是提供可以利用低功耗硬件特性的函数接口；在策略层，提供不同的可以使用的低功耗策略供用户层选用，同时，在系统接口层也提供可以直接控制硬件低功耗特性的函数，使得应用层除了可以选择现有策略来控制设备低功耗方式外，也可以自己制定节能方式。

四、编译技术

高级语言编写的软件，如C语言程序，要通过编译程序才能最终生成机器码。通过对程序行为的研究可以发现，实现同一逻辑功能，不同指令的组合，乃至不同指令的排列顺序造成的系统功耗是不一样的。编译程序的低功耗设计就是在输入输出的行为保持不变的前提下，对软件的运算结构进行改变，也就是改变指令的排列组合顺序，并从中选择最低功耗的结构。编译器对代码的优化原来主要用于体积和性能的优化，这里主要用于在保持性能的前提下，对功耗进行优化。编译器主要通过两种办法实现优化，一种是减少程序的执行时间，一种是减少电路活动性。第一种方法与优化代码性能的目标是一致的，在编译器对性能的优化过程中就已经实现了。比如可以通过减少冗余代码，减少流水线停顿，代码变换以提高cache的命中率等方法。而

第二种方法在有的时候可能会和性能相冲突。

1.减少操作

最直接的减少电路活动性的办法是减少控制通路上操作的数量，减少操作数量一般有减少电容的作用，对关键路径的影响是与特定设计相关的。以数字信号处理中很常见的二次多项式。分析二次多项式，图3.2中左边图显示了直接运算需要两次乘法和两次加法，因此关键路径上是3(假设每个操作只需要一个控制周期就能完成)。图3.2的右边图是变换后的结构，虽然关键路径还是一样，但是只需要一次乘法和两次加法，因此节省了功耗。

2.操作替换

在处理器工作电路中，某些操作需要比另一些操作花费更多的功耗。比如乘法操作比加法和移位操作更耗电。所以在进行和固定系数的乘法操作时，乘法操作常常被加法或移位操作所代替。再比如对内存操作的功耗是非常大的。用寄存器操作来代替内存访问，可以节省25%的功耗。在转化后，每次进行加法运算之前，就不需要读取内存，而是直接从寄存器取数。

嵌入式系统的低功耗设计

第27卷第6期增刊　2006年6月 仪　器　仪　表　学　报 Chinese Journal of Scientific Instrument Vol.27No.6 J une.2006　 嵌入式系统的低功耗设计 3 杨天池　金　梁　王天鹏 (解放军信息工程大学　郑州　450002) 摘　要　嵌入式系统的电源管理是系统设计中关键部分,合理的电源管理方案可以减少系统的功耗并提高整体性能。本文提出了一种层次化的电源管理结构,分别为硬件层、驱动层、操作系统层、电源管理层和应用层。本文同时引入了动态的电源管理方法来解决电源功耗的动态管理问题。通过在实际的系统中的测试表明,该电源管理机制的有效性。关键词　嵌入式系统　低功耗设计　动态电源管理　PXA255 Low pow er design in embedded system Yang Tianchi Jin Liang Wang Tianpeng (Universit y of I nf ormation Engineering ,Zhengz hou 450002,China ) Abstract Proper power management mechanism is important when designing embedded system.It is helpful to reduce power consumption and improve performance.This low power model adopt s five 2layer architecture ,which are hardware platform ,driver layer ,operating system ,power manage mechanism and application program.Dynamic power management (DPM )technology is also introduced to solve the problem of power consumption.The experiment on embedded system demonstrates t hat this power management mechanism is feasible.K ey w ords embedded system low power design dynamic power management PXA255 　3基金项目:河南人才创新基金(0421000100) 1　引 言 随着嵌入式系统的发展以及应用面的不断扩展,功耗控制是系统设计中必不可少的组成部分。如何最大限度的降低系统功耗、减少不必要的能源损失、延长电池使用时间已经成为嵌入式系统特别是便携式系统设计中研究的热点问题。系统的低功耗设计,并非是某一方面、某一角度的解决方案,而应当从系统级的设计考虑功耗的节省,是一个硬件设计与软件控制相互结合的协调过程。 2　低功耗电路模型 低功耗设计对于无线设备、PDA 等便携式设备的实际应用具有重要的意义。低功耗元件的发展和系统设计的进步使得通用计算技术可以用到表、无线电话、 PDA 和桌面计算机中。在这些系统中的电源管理技 术传统上集中在休眠模式和设备能源管理这2个方面上[1]。但是,这样的电源管理缺乏直观性和灵活性,而且功耗的降低,并非单独软件、硬件单方面可以解决的[2],因此设计并建立如图1所示的系统低功耗设计模型。整个模型由硬件平台,驱动层,操作系统层,电源管理机制层和应用程序五个部分组成。 2.1　硬件平台 几乎所有系统功耗都集中于硬件平台,因此降低硬件平台的功耗是实现低功耗的基本所在。公式(1)为系统功耗的表达式: P ∞CV 2 f (1) 式中:C 是负载电容,V 是器件电压,f 是工作频率[3]。系统功耗同负载电容、器件电压平方以及工作频率成正比。因此,硬件平台设计多选用低电压,电压、频率可调器件,以及采用SOC 设计来进一步降低功耗[4,5]。另外,模式可控器件在空闲状态消耗的能量为运行状

嵌入式软件开发流程图

嵌入式软件开发流程 一、嵌入式软件开发流程 1.1 嵌入式系统开发概述 由嵌入式系统本身的特性所影响，嵌入式系统开发与通用系统的开发有很大的区别。嵌入式系统的开发主要分为系统总体开发、嵌入式硬件开发和嵌入式软件开发3大部分，其总体流程图如图1.1所示。 图1.1 嵌入式系统开发流程图 在系统总体开发中，由于嵌入式系统与硬件依赖非常紧密，往往某些需求只能通过特定的硬件才能实现，因此需要进行处理器选型，以更好地满足产品的需求。另外，对于有些硬件和软件都可以实现的功能，就需要在成本和性能上做出抉择。往往通过硬件实现会增加产品的成本，但能大大提高产品的性能和可靠性。 再次，开发环境的选择对于嵌入式系统的开发也有很大的影响。这里的开发环境包括嵌入式操作系统的选择以及开发工具的选择等。比如，对开发成本和进度限制较大的产品可以选择嵌入式Linux，对实时性要求非常高的产品可以选择Vxworks等。

1.2 嵌入式软件开发概述 嵌入式软件开发总体流程为图4.15中“软件设计实现”部分所示，它同通用计算机软件开发一样，分为需求分析、软件概要设计、软件详细设计、软件实现和软件测试。其中嵌入式软件需求分析与硬件的需求分析合二为一，故没有分开画出。 由于在嵌入式软件开发的工具非常多，为了更好地帮助读者选择开发工具，下面首先对嵌入式软件开发过程中所使用的工具做一简单归纳。 嵌入式软件的开发工具根据不同的开发过程而划分，比如在需求分析阶段，可以选择IBM的Rational Rose等软件，而在程序开发阶段可以采用CodeWarrior（下面要介绍的ADS 的一个工具）等，在调试阶段所用的Multi-ICE等。同时，不同的嵌入式操作系统往往会有配套的开发工具，比如Vxworks有集成开发环境Tornado，WindowsCE的集成开发环境WindowsCE Platform等。此外，不同的处理器可能还有对应的开发工具，比如ARM的常用集成开发工具ADS、IAR和RealView等。在这里，大多数软件都有比较高的使用费用，但也可以大大加快产品的开发进度，用户可以根据需求自行选择。图4.16是嵌入式开发的不同阶段的常用软件。 图1.2 嵌入式开发不同阶段的常用软件 嵌入式系统的软件开发与通常软件开发的区别主要在于软件实现部分，其中又可以分为编译和调试两部分，下面分别对这两部分进行讲解。 1．交叉编译 嵌入式软件开发所采用的编译为交叉编译。所谓交叉编译就是在一个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。在第3章中已经提到，编译的最主要的工作就在将程序转化成运行该程序的CPU所能识别的机器代码，由于不同的体系结构有不同的指令系统。因此，不同的CPU需要有相应的编译器，而交叉编译就如同翻译一样，把相同的程序代码翻译成不同CPU的对应可执行二进制文件。要注意的是，编译器本身也是程序，也要在与之对应的某一个CPU平台上运行。嵌入式系统交叉编译环境如图4.17所示。

嵌入式Linux应用软件开发流程

从软件工程的角度来说，嵌入式应用软件也有一定的生命周期，如要进行需求分析、系统设计、代码编写、调试和维护等工作，软件工程的许多理论对它也是适用的。 但和其他通用软件相比，它的开发有许多独特之处： ·在需求分析时，必须考虑硬件性能的影响，具体功能必须考虑由何种硬件实现。 ·在系统设计阶段，重点考虑的是任务的划分及其接口，而不是模块的划分。模块划分则放在了任务的设计阶段。 ·在调试时采用交叉调试方式。 ·软件调试完毕固化到嵌入式系统中后，它的后期维护工作较少。 下面主要介绍分析和设计阶段的步骤与原则： 1、需求分析 对需求加以分析产生需求说明，需求说明过程给出系统功能需求，它包括：·系统所有实现的功能 ·系统的输入、输出 ·系统的外部接口需求（如用户界面） ·它的性能以及诸如文件/数据库安全等其他要求 在实时系统中，常用状态变迁图来描述系统。在设计状态图时，应对系统运行过程进行详细考虑，尽量在状态图中列出所有系统状态，包括许多用户无需知道的内部状态，对许多异常也应有相应处理。 此外，应清楚地说明人机接口，即操作员与系统间地相互作用。对于比较复杂地系统，形成一本操作手册是必要的，为用户提供使用该系统的操作步骤。为使系统说明更清楚，可以将状态变迁图与操作手册脚本结合起来。

在对需求进行分析，了解系统所要实现的功能的基础上，系统开发选用何种硬件、软件平台就可以确定了。 对于硬件平台，要考虑的是微处理器的处理速度、内存空间的大小、外部扩展设备是否满足功能要求等。如微处理器对外部事件的响应速度是否满足系统的实时性要求，它的稳定性如何，内存空间是否满足操作系统及应用软件的运行要求，对于要求网络功能的系统，是否扩展有以太网接口等。 对于软件平台而言，操作系统是否支持实时性及支持的程度、对多任务的管理能力是否支持前面选中的微处理器、网络功能是否满足系统要求以及开发环境是否完善等都是必须考虑的。 当然，不管选用何种软硬件平台，成本因素都是要考虑的，嵌入式Linux 正是在这方面具有突出的优势。 2、任务和模块划分 在进行需求分析和明确系统功能后，就可以对系统进行任务划分。任务是代码运行的一个映象，是无限循环的一段代码。从系统的角度来看，任务是嵌入式系统中竞争系统资源的最小运行单元，任务可以使用或等待CPU、I/O设备和内存空间等系统资源。 在设计一个较为复杂的多任务应用系统时，进行合理的任务划分对系统的运行效率、实时性和吞吐量影响都极大。任务分解过细会不断地在各任务之间切换，而任务之间的通信量也会很大，这样将会大大地增加系统的开销，影响系统的效率。而任务分解过粗、不够彻底又会造成原本可以并行的操作只能按顺序串行执行，从而影响系统的吞吐量。为了达到系统效率和吞吐量之间的平衡折中，在划分任务时应在数据流图的基础上，遵循下列步骤和原则：

嵌入式系统的低功耗问题分析研究

嵌入式系统的低功耗问题分析研究 【摘要】本文介绍了新低功耗技术在当代微控制器中的应用，特别是深度睡眠模式操作技术的应用。通过分析减少功耗的因素，讨论如何配置微控制器来实现极低功耗的嵌入式设计。 【关键词】低功耗；省电模式；睡眠模式；深度睡眠模式 1.引言 随着越来越多的电子设备由电池供电，低功耗问题已越来越受到关注。近年来，微控制器制造商也不断在使用新的方式来控制功耗，比如说设计各种各样的电子开关。通过从电子开关芯片的部件上减小功率，可以极大减少能耗的输出。另外在电压监控电路方面也有一些研究，持续使用也可以有效的减少能耗。因此， 对于任何电气系统的设计，功耗都是其重要的考虑因素。尤其是对于位于无数现代设备核心的嵌入式系统和能使这些大部分系统工作的微控制器。嵌入式系统在市场中的拓展应用，应用的领域如便携式电子产品，计量应用和医疗设备，使得功耗成为嵌入式系统设计的最重要的考虑之一。重要的是，一个微控制器不仅消耗尽可能少的功率，并且还有允许最小功耗设计的功能。为了设计出最好的系统，工程师必须了解一个微控制器可能提供的所有的节电功能，功能包括选择最好的设备，以及如何利用利用这些特性来达到最经济的能源利用。 2.影响微处理器的能耗因素 影响微处理器的能耗因素主要有两个：动态功率和静态功率。 动态功率的消耗目前是由数字逻辑开关引起的，这时微控制器处于主动模式。动态功率主要受到时钟速度的影响，另外是受到电压和温度的影响。因此，动态功率的控制在很大程度上是时钟速度的控制。 静态功率的消耗是当主时钟被禁用时，微控制器处于断电模式引起的。静态功率主要是由晶体管漏和电压控制器所使用的电流产生的。对于许多的微控制器来说，还需要必要的逻辑时钟来从静态功耗模式中恢复操作（比如看门狗定时器）。静态功率主要受到电压高低和温度的影响，这两者也是对晶体管漏电流产生的重要因素。因此，尽管大部分的静态功耗取决于设备的设计和制造过程。 通过以上分析电压对动态功率和静态功率都有影响，最低供电电压对微控制器的低功耗来说是非常关键的。可以通过公式1得到平均电流。平均电流可以用来评估低功率性能。平均电流越小，低功率性能越好。 平均电流

嵌入式系统软硬件可靠性设计

嵌入式系统软硬件可靠性设计 主讲：Kenny（电子工程硕士，研究领域：电子产品系统可靠性设计与测试技术）课程对象：嵌入式系统软、硬件开发工程师。 【课程背景】 嵌入式系统可靠性设计，比拼的不是谁的设计更高明，而是谁的设计更少犯错误，而且因为软、硬件的专业背景差异，两个专业设计师之间的不了解，也会导致接口部分容易出现一些可靠性问题。 本课程采用逆向思维方式，从嵌入式系统设计的负面问题角度入手，总结剖析了嵌入式设计师易犯的错误点和接口部分的问题点，以期在设计中能提前加以预防。漏洞堵住了，跑冒滴漏自然不再发生。 【培训内容】 第一部分：嵌入式系统及硬件可靠性设计 第一章：可靠性设计基础 1.1、可靠性定义 1.2、环境应力分析 1.3、人机交互分析 1.4、关联设备互动分析 1.5、过渡过程应力 1.6、负载波动分析 1.7、单一故障分析 1.8、可靠性预计分析 1.9、判据标准 1.10电子、机电一体化设备的可靠性模型； 1.11系统失效率的影响要素； 第二章：可靠性设计规范 2.1降额设计规范 降额等级、降额注意事项、降额因子降额参数的确定方法 2.2电路热设计规范

强制风冷、传导散热的热设计计算及热设计工艺规范 2.3电路安全性设计规范； 电路安全容错性机制、SFC分析、SFC下输出保证可靠的判据和解决方法… 2.4EMC设计规范 电压容限控制、常用器件的高频等效特性、信号分析、布线、阻抗匹配、屏蔽、滤波、接地… 2.5PCB设计规范 板卡级的布线、布局工艺 第三章：器件失效规律与分析方法 3.1持续性应力与浪涌应力的区别 3.2电压应力与电流应力的故障现象区别 3.3MSD与机械应力损伤的特征、成因、解决措施 3.4基于端口特性阻抗曲线的失效测试分析方法 3.5常用器件失效机理、失效特征、应对措施 第二部分：嵌入式系统器件选型与工程计算 第一章：工程计算基础 1.1容差分析方法 1.2拉氏变换的物理含义与电路设计应用 1.3微积分与电路设计的应用 1.4概率论数理统计提升电子产品质量的应用方法 1.5基础代数的电路设计工程计算应用（代数、三角函数、解析几何） 1.6datasheet参数解读及对电路性能的影响 第二章：工程计算与器件选型 2.1电源模块设计与选型计算 电感电容选型计算 2.2电源输入端口器件选型计算 保险丝、NTC电阻、TVS/压敏电阻、储能电容、接插件、二极管的选型计算 2.3信号输入/输出端口的匹配器件计算选型 上拉/下拉电阻、限流/分压电阻、阻抗匹配电阻、磁珠、退耦电容的选型计算

(完整word版)嵌入式系统设计与应用

嵌入式系统设计与应用 本文由kenneth67贡献 ppt文档可能在W AP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 课程名称：课程名称：嵌入式系统设计与应用 总学时：其中讲课36学时，上机实践环节12 36学时12学时总学时：其中讲课36学时，上机实践环节12学时教材：嵌入式系统设计教程》教材：《嵌入式系统设计教程》电子工业出版社马洪连参考书：参考书：1、《嵌入式系统开发与应用》北航出版社、田泽编著. 嵌入式系统开发与应用》北航出版社、田泽编著. 2、《ARM体系结构与编程》清华大学出版社杜春雷编著ARM体系结构与编程体系结构与编程》嵌入式系统设计与实例开发—ARM ARM与C/OS3、《嵌入式系统设计与实例开发ARM与μC/OS-Ⅱ》清华大学出版社王田苗、魏洪兴编著清华大学出版社王田苗、ARM嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构》4、《ARM嵌入式微处理器体系结构》北航出版社、马忠梅等著. 北航出版社、马忠梅等著. 张石．ARM嵌入式系统教程嵌入式系统教程》5、张石．《ARM嵌入式系统教程》．机械工业出版2008年社．2008年9月 1 课程内容 绪论：绪论： 1）学习嵌入式系统的意义2）高校人才嵌入式培养情况嵌入式系统设计（实验课）3）嵌入式系统设计（实验课）内容安排 第1章嵌入式系统概况 1.1 嵌入式系统的定义1.2 嵌入式系统的应用领域及发展趋势1.3 嵌入式系统组成简介 第2章嵌入式系统的基本知识 2.1 2.2 2.3 嵌入式系统的硬件基础嵌入式系统的软件基础ARM微处理器的指令系统和程序设计ARM微处理器的指令系统和程序设计 2 第3章 3.1 3.2 3.3 基于ARM架构的嵌入式微处理器基于ARM架构的嵌入式微处理器ARM 概述嵌入式微处理器的组成常用的三种ARM ARM微处理器介绍常用的三种ARM 微处理器介绍 第4章 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 嵌入式系统设计 概述嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统接口设计嵌入式系统人机交互设备接口嵌入式系统的总线接口和网络接口设计嵌入式系统中常用的无线通信技术 3 第5章嵌入式系统开发环境与相关开发技术 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 6.1 6.2 6.3 6.4 概述嵌入式系统的开发工具嵌入式系统调试技术嵌入式系统开发经验嵌入式系统的Bootloader Bootloader技术嵌入式系统的Bootloader技术μC/OS-II操作系统概述C/OS-II操作系统概述ADS开发环境ARM ADS开发环境C/OS-II操作系统在ARM系统中的移植操作系统在ARM μC/OS-II操作系统在ARM系统

产品低功耗设计

通过对几个方面的分析较为全面地介绍了嵌入式系统的低功耗设计方法。其中涉及到了CMOS 器件功耗的理论分析，线性稳压和DC to DC的电路介绍, 并以实际的芯片和电路比较进行了功耗分析，较为综合地总结了低功耗设计的若干方法和技巧。 关键词：低功耗设计（Low-Power Design）、动态电源管理（DPM）、线性稳压（Linear Regulator）、DC to DC、LDO（Low Drop-Out） 经过近几年的快速发展，嵌入式系统（Embedded system）已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分???。随着手机、PDA、GPS、机顶盒等新兴产品的大量应用，嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增（IDC预测），嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。 在嵌入式系统的设计中，低功耗设计（Low-Power Design）是许多设计人员必须面对的问题，其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。 那么,我们应该从哪些方面来考虑低功耗设计呢？笔者认为应从以下几方面综合考虑： 1处理器的选择 2接口驱动电路设计 3动态电源管理 4电源供给电路的选择 下面我们分别进行讨论： 一、处理器的选择 我们对一个嵌入式系统的选型往往是从其CPU和操作系统（OS）开始的，一旦这两者选定，整个大的系统框架便选定了。我们在选择一个CPU的时候，一般更注意其性能的优劣（比如时钟频率等）及所提供的接口和功能的多少，往往忽视其功耗特性。但是因为CPU是嵌入式系统功率消耗的主要来源---对于手持设备来讲，它几乎占据了除显示屏以外的整个系统功 耗的一半以上（视系统具体情况而定），所以选择合适的CPU对于最后的系统功耗大小有举足轻重的影响。 一般的情况下，我们是在CPU的性能（Performance）和功耗（Power Consumption）方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量，即Watt/MIPS。但是，这仅仅是一个参考指标，实际上各个CPU的体系结构相差很大，衡量性能的方式也不尽相同，所以，我们还应该进一步分析一些细节。

嵌入式系统低功耗设计研究与实现

华中科技大学 硕士学位论文 嵌入式系统低功耗设计研究与实现 姓名：梁晶 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：阳富民 20040429

摘要 嵌入式系统低功耗设计的目标是在满足用户对性能需求的前提下，尽可能降低系统的能耗，延长设备的待机时间。随着市场对可移动式嵌入式设备在体积和性能方面要求的不断提升，嵌入式设备小体积、高性能与有限的电池能量之间的矛盾嗣益突出，嵌入式系统低功耗设计是解决这一矛盾的有效手段。它包括硬件低功耗设计和软件低功耗设计两个方砸。 硬件低功耗设计为整个系统的低功耗运行提供硬件支持。电路级的硬件低功耗设计主要围绕处理器的低功耗特性和外围芯片的特点，设计处理器的供电电路和外围芯片的电源控制电路：处理器供电电路允许改变处理器内核的输入电压，使处理器内核的工作电压随着不同的处理器时钟频率而改变，以减小处理器的功耗；外围芯片的电源控制电路使处理器能够控制外围芯片电源的开启和关闭，从而能够减小外围芯片的功耗。 软件低功耗设计的主要目标是在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现一套可行的低功耗管理策略，并且采用的技术和算法并不改变Ｌｉｎｕｘ现有的调度机制。主要工作包括：围绕处理器内核可动态改变时钟频率和工作电压的特点，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现可变电压技术；针对处理器提供的多种工作模式，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现动态功耗管理，控制处理器在适当的时候睡眠或唤醒：针对外部设备的特点，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ中实现外部设备的电源管理机制，包括外部设备的状态监控、睡眠和唤醒操作以及相应的管理策略。 关键字：嵌入式系统，低功耗设计，电源管理，可变电压技术，动态功耗管理 ｌ

嵌入式软件可靠性设计

嵌入式软件可靠性设计培训 嵌入式软件既是电子系统的核心，也是硬件系统的有效补充，需要具备防错、判错、纠错、容错的功能，具备了这些功能，就能保证系统可靠性要求在软件分系统设计中的实现。但是软件可靠性又不同于硬件电路，它不会随时间的推移而降低，并且其可靠性保障全部在设计过程中实现。因此软件工程的工作也是软件可靠性所要关注的内容。 为此，我协会决定组织召开《嵌入式软件可靠性设计》讲座，本讲座主要从嵌入式软件的系统设计、需求分析、接口、模块、变量控制、软件测试、安全性分析、硬件匹配设计等设计规范进行总结和分析，深层次探讨嵌入式软件的可靠性设计技巧。现具体事宜通知如下： 【主办单位】中国电子标准协会培训中心 【协办单位】深圳市威硕企业管理咨询有限公司 课程提纲：课程大纲以根据学员要求，上课时会有所调整，具体以报到时的讲义为准。 1.概述和定义 2.计算机系统设计准则：2.1、一般要求；2.2、硬件与软件功能的分配原则；2.3、硬件与软件可靠性指标的分配原则；2.4、安全关键功能的人工确认；2.5、安全性内核；2.6、自动记录系统故障；2.7、禁止回避检测出的不安全状态；2.8、保密性设计；2.9、容错设计

3.硬件设计：3.1、硬件选用；3.2、总线检测；3.3、加电检测；3.4、电源失效的安全措施；3.5、主控计算机失效的安全措施；3.6、反馈回路传感器失效的防护措施3.7、电磁干扰的防护措施；3.8、维修互锁措施 4.软件需求分析 5.软件危险分析 6.安全关键功能设计 7.冗余设计准则：7.1、指令冗余设计；7.2、软件陷阱与软件拦截技术；7.3、软件冗余 8.接口设计准则：8.1、硬件接口要求；8.2、硬件接口的软件设计；8.3、人机界面设计；8.4、报警设计；8.5、软件接口设计 9.软件健壮性设计准则：9.1、电源失效防护；9.2、加电检测；9.3、电磁干扰； 9.4、系统不稳定；9.5、接口故障9.6、干扰信号9.7、错误操作；9.8、监控定时器的设计9.9、异常保护设计 10. 简化设计准则：10.1、单入和单出；10.2、模块的独立性；10.3、模块的扇入扇出；10.4、模块耦合方式；10.5、模块内聚顺方式；10.6、其他特殊考虑 11.余量设计：11.1、资源分配及余量要求11.2、时序安排的余量要求 12. 数据要求:12.1、数据需求;12.2、属性控制;12.3、数值运算范围控制;12.4、合理性检查 13. 防错程序设计准则:13.1、参数化;13.2、公用数据和公共变量;13.3、标志;13.4、文件;13.5、非授权存取的限制13.6、无意指令跳转的处理;13.7、程序检测点的设置13.8、寻址模式的选用;13.9、数据区隔离;13.10、安全关键信息的要求;13.11、信息存储要求;13.12、算法选择要求 14. 编程要求:14.1、语言要求;14.2、汇编语言编程限制14.3、高级语言的编程限制;14.4、圈复杂度指数（McCabe）14.5、软件单元的规模;14.6、命名要

90192-嵌入式-“嵌入式系统”之设计方法

目前，嵌入式实时系统已经渗透到社会的每个角落，不管在军事还是民用领域。由此，学者对嵌入式实时系统的研究也如火如荼，当然对其的设计方法也应密切关注。嵌入式设计阶段的主要任务是如何在给定的约束条件下完成系统的目标。当下，嵌入式实时系统的设计方法主要分为结构化设计方法、面向对象的设计方法和基于组件的设计方法。 结构化设计方法是嵌入式软件最成熟、使用最广泛的设计方法。由于应用系统可抽象成一个不断处理外部事件的过程，结构化设计方法就是按照结构化的设计原则分别设计好各个事件处理模块。其中，CODARTS（concurrent design approach for real-time systems,并发性实时系统结构设计方法）是最好的，它使用了信息隐藏技术，并适用于处理任务结构。 结构化设计方法的主要步骤为（1）开发系统的环境模型和行为模型，将大型系统分解成若干个子系统，并且确定子系统中对象和功能以及它们在外部事件序列场景下进行交互的方式；（2）应用任务结构化标准确定系统中的并发任务，主要内容包括并发任务的确定、任务间通信以及同步接口的确定；（3）应用模块结构化标准确定系统中信息隐藏模块；（4）根据任务划分和信息隐藏模块划分构造软件架构；（5）定义组件接口规范，以增量方式开发软件。 嵌入式实时系统的开发是面向对象技术的主要应用领域之一，采用面向对象的分析与设计方法，便于大型复杂的嵌入式系统的分解和设计。面向对象的设计方法将系统划分为对象，处理各对象之间的交互，完成系统的功能实现，同时实现信息隐藏。其中，ObjectGeode是目前嵌入式系统开发中较为流行的一套面向对象方法学，它既是方法学，又是CASE工具软件。 面向对象的设计方法主要步骤为（1）对象建模实现系统的静态模型，描述系统的静态关系，从而确定出与系统有关的实体，然后，动态建模通过用户实例建模来进行，以描述系统的动态行为和确定出系统与环境、系统内部各组成部分之间的交互关系；（2）定义应用的体系结构，使用自顶向下的分析方法将一个问题划分为比较容易解决的子问题，使用自底向上的分析方法来复用已存在的组件，同时确定并行对象之间的通信关系；（3）详细设计对系统行为进行全面描述，对并行对象和被动对象做进一步详细描述；（4）测试实例设计对并行对象的内部结

嵌入式系统设计教程(第2版)简答题答案.pdf

第一章嵌入式系统概论 1.嵌入式系统的定义是什么？ 答：以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件、软件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 2.简述嵌入式系统的主要特点。 答：（1）功耗低、体积小、具有专用性 （2）实时性强、系统内核小 （3）创新性和高可靠性 （4）高效率的设计 （5）需要开发环境和调试工具 3. 嵌入式系统一般可以应用到那些领域？ 答：嵌入式系统可以应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人等方面。 4. 简述嵌入式系统的发展趋势 答：（1）嵌入式应用的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 （2）连网成为必然趋势 （3）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本 （4）提供精巧的多媒体人机界面 （5）嵌入式软件开发走向标准化 5.嵌入式系统基本架构主要包括那几部分？ 答：嵌入式系统的组织架构是由嵌入式处理器、存储器等硬件、嵌入式系统软件和嵌入式应用软件组成。嵌入式系统一般由硬件系统和软件系统两大部分组成，其中，硬件系统包括嵌入式处理器、存储器、I/O系统和配置必要的外围接口部件；软件系统包括操作系统和应用软件。 6.嵌入式操作系统按实时性分为几种类型，各自特点是什么？ 答：（1）具有强实时特点的嵌入式操作系统。 （2）具有弱实时特点的嵌入式操作系统。 （3）没有实时特点的嵌入式操作系统。 第二章嵌入式系统的基础知识 1.嵌入式系统体系结构有哪两种基本形式？各自特点是什么？ 答：冯诺依曼体系和哈佛体系。冯诺依曼体系结构的特点之一是系统内部的数据与指令都存储在同一存储器中，其二是典型指令的执行周期包含取指令TF，指令译码TD，执行指令TE，存储TS四部分，目前应用的低端嵌入式处理器。 哈佛体系结构的特点是程序存储器与数据存储器分开，提供了较大的数据存储器带宽，适用于数据信号处理及高速数据处理的计算机。

单片机低功耗设计

单片机系统的低功耗设计策略 摘要：嵌入式系统的低功耗设计需要全面分析各方面因素，统筹规划。在设计之初，各个因素往往是相互制约、相互影响的，一个降低系统功耗的措施有时会带来其他方面的“负效应”。因此，降低系统整体功耗，需要仔细分析和计算。本文从硬件和应用软件设计两个方面，阐述一个以单片机为核心的嵌入式系统低功耗设计时所需考虑的一些问题。 关键词：低功耗设计硬件设计应用软件设计低功耗模式 在嵌入式应用中，系统的功耗越来越受到人们的重视，这一点对于需要电池供电的便携式系统尤其明显。降低系统功耗，延长电池的寿命，就是降低系统的运行成本。对于以单片机为核心的嵌入式应用，系统功耗的最小化需要从软、硬件设计两方面入手。 随着越来越多的嵌入式应用使用了实时操作系统，如何在操作系统层面上降低系统功耗也成为一个值得关注的问题。限于篇幅，本文仅从硬件设计和应用软件设计两个方面讨论。 1 硬件设计 选用具有低功耗特性的单片机可以大大降低系统功耗。可以从供电电压、单片机内部结构设计、系统时钟设计和低功耗模式等几方面考察一款单片机的低功耗特性。 1.1 选用尽量简单的CPU内核 在选择CPU内核时切忌一味追求性能。8位机够用，就没有必要选用16位机，选择的原则应该是“够用就好”。现在单片机的运行速度越来越快，但性能的提升往往带来功耗的增加。一个复杂的CPU集成度高、功能强，但片内晶体管多，总漏电流大，即使进入STOP 状态，漏电流也变得不可忽视；而简单的CPU内核不仅功耗低，成本也低。 1.2 选择低电压供电的系统 降低单片机的供电电压可以有效地降低其功耗。当前，单片机从与TTL兼容的5 V供电降低到3.3 V、3 V、2 V乃至1.8 V供电。供电电压降下来，要归功于半导体工艺的发展。从原来的3 μm工艺到现在的0.25、0.18、0.13 μm工艺，CMOS电路的门限电平阈值不断降低。低电压供电可以大大降低系统的工作电流，但是由于晶体管的尺寸不断减小，管子的漏电流有增大的趋势，这也是对降低功耗不利的一个方面。 目前，单片机系统的电源电压仍以5 V为主，而过去5年中，3 V供电的单片机系统数量增加了1倍，2 V供电的系统也在不断增加。再过五年，低电压供电的单片机数量可能会超过5 V电压供电的单片机。如此看来，供电电压降低将是未来单片机发展的一个重要趋势。 1.3 选择带有低功耗模式的系统 低功耗模式指的是系统的等待和停止模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗。过去传统的单片机，在运行模式下有wait和stop两条指令，可以使单片机进入等待或停止状态，以达到省电的目的。 等待模式下，CPU停止工作，但系统时钟并不停止，单片机的外围I/O模块也不停止工作；系统功耗一般降低有限，相当于工作模式的50%～70%。 停止模式下，系统时钟也将停止，由外部事件中断重新启动时钟系统时钟，进而唤醒CPU继续工作，CPU消耗电流可降到μA级。在停止模式下，CPU本身实际上已经不消耗什么电流，要想进一步减小系统功耗，就要尽量将单片机的各个I/O模块关掉。随着I/O模块的逐个关闭，系统的功耗越来越小，进入停止模式的深度也越来越深。进入深度停止模式无异于关机，这时的单片机耗电可以小于20 nA。其中特别要提示的是，片内RAM停止供电后，RAM中存储的数据会丢失，也就是说，唤醒CPU后要重新对系统作初始化。因此在让系统进入深度停止状态前，要将重要系统参数保存在非易失性存储器中，如EEPROM中。深度停止模式关掉了所有的I/O，可能的唤醒方式也很有限，一般只能是复位或IRQ中断等。 保留的I/O模块越多，系统允许的唤醒中断源也就越多。单片机的功耗将根据保留唤醒方式的不同，降至1μA至几十μA之间。例如，用户可以保留外部键盘中断，保留异步串行

嵌入式系统软硬件可靠性设计(Kenny武)

嵌入式系统软硬件可靠性设计 【2017年时间安排】 5月22-23日北京 5月25-26日上海 5月18-19日深圳 9月25-26日北京 9月21-22日上海 9月18-19日深圳 12月28-29日北京 12月25-26日上海 12月21-22日深圳 【参加对象】嵌入式系统软、硬件开发工程师。 【培训课时】12小时 【学习费用】4980元/两天 *买一赠一,单独一人收费3200元（含指定教材、证书、茶点）不含午餐 嵌入式系统可靠性设计，比拼的不是谁的设计更高明，而是谁的设计更少犯错误，而且因为软、硬件的专业背景差异，两个专业设计师之间的不了解，也会导致接口部分容易出现一些可靠性问题。 本课程采用逆向思维方式，从嵌入式系统设计的负面问题角度入手，总结剖析了嵌入式设计师易犯的错误点和接口部分的问题点，以期在设计中能提前加以预防。漏洞堵住了，跑冒滴漏自然不再发生。 Kenny 电子工程硕士，研究领域：电子产品系统可靠性设计与测试技术。 曾任航天二院总体设计所主任设计师、高级项目经理，机电制造企业研发总监、事业部总监，北京市级优秀青年工程师，科协委员。 有电子产品、军工、通信等专业方向的设计、测评和技术管理经历，对产品系统设计、可靠性设计、技术管理有较深入研究，曾在学术会议及多家技术刊物发表专业文章。 曾为比亚迪、中电30所、29所、北京华峰测控、北京航天长峰、普析通用仪器、航天二院23所、航天五院、株洲车辆研究所、北大青鸟环宇、惠州德赛、陕西华经微电子、西安工业集团公司、松下电工、航盛电子等企业提供专业技术和技术管理辅导、培训和咨询。 较擅长于将高深的理论知识转化为符合企业技术和经营特性的可操作实践方法

嵌入式软件开发流程

嵌入式软件的开发流程 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以此满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，比如说单片机的应用，在唯一的ROM 中仅有实现单一功能控制程序，无微型操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数字助理（PDA）、手持电脑（HPC）等，具有与PC几乎一样的功能。实质上与PC的区别仅仅是将微型操作系统与应用软件嵌入在ROM、RAM 和/或FLASH存储器中，而不是存贮于磁盘等载体中。很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的。 近些年来，随着以计算机技术，通讯技术为主的信息技术的快速发展和Internet 的广泛应用，传统的控制学科正在发生变革，出现了许多新的生长点。伴随而来的一个现象是控制专业的相当多的学生在毕业后进入了计算机，通讯行业，以致有人说学控制没有用，自动化专业可以取消了。这些情况的出现使我们控制教育工作者反复思考，传统的控制应如何拓宽它的领域？控制专业应该教什么才使学生感到有用？流行的嵌入式操作系统可以分为两类：一类是从运行在个人电脑上的操作系统向下移植到嵌入式系统中，形成的嵌入式操作系统，如微软公司的Windows CE及其新版本，SUN公司的Java操作系统，朗讯科技公司的Inferno，嵌入式Linux等。这类系统经过个人电脑或高性能计算机等产品的长期运行考验，技术日趋成熟，其相关的标准和软件开发方式已被用户普遍接受，同时积累了丰富的开发工具和应用软件资源。 另一类是实时操作系统，如WindRiver 公司的VxWorks，ISI 的pSOS，QNX系统软件公司的QNX，ATI 的Nucleus，中国科学院凯思集团的Hopen嵌入式操作系统等，这类产品在操作系统的结构和实现上都针对所面向的应用领域，对实时性高可靠性等进行了精巧的设计，而且提供了独立而完备的系统开发和测试工具，较多地应用在军用产品和工业控制等领域中。Linux 是90年代以来逐渐成熟的一个开放源代码的操作系统。PC机上的Linux 版本在全球数以百万计爱好者的合力开发下，得到了非常迅速的发展。90 年代末uClinux，RTLinux 等相继推出，在嵌入式领域得到了广泛的关注，它拥有大批的程序员和现成的应用程序，是研究开发工作的宝贵资源。 一、嵌入式软件开发流程 1.1 嵌入式系统开发概述 由嵌入式系统本身的特性所影响，嵌入式系统开发与通用系统的开发有很大的区别。嵌入式系统的开发主要分为系统总体开发、嵌入式硬件开发和嵌入式软件开发3大部分，其总体流程图如图1.1所示。

嵌入式系统降低功耗设计

嵌入式系统降低功耗设计 对于嵌入式系统来说，低功耗设计包括硬件低功耗设计与软件低功耗设计两个方面。硬件是系统运行的物质平台，包括处理器和外围设备。硬件低功耗设计有两个层次：器件级的低层次设计主要关注减少负载电容和漏电流；系统级的高层次设计主要关注减少无用的逻辑和无用的电路活动。在上面两个层次中，后者是更为有效的方法。处理器的低功耗设计大都采用系统级，其技术主要包括：门控时钟技术，cache部分关闭技术，动态电压缩放DVS（dynamic voltage scaling）技术；外围设备低功耗设计包括：关闭设备空闲部件；在满足基本性能要求前提下，降低外围设备的服务质量。 软件的低功耗设计涉及嵌入式操作系统、编译程序和应用软件等各个层次。操作系统是软件的核心，处理器调度算法、外围设备管理和功耗管理策略等部分和功耗关系密切：调度算法可实现可变电压技术，改变处理器的工作频率和电压，降低功耗；驱动程序直接控制硬件，通过增加驱动程序功能，抽象出设备的低功耗特性，供上层软件使用；操作系统中增加的功耗策略模块，提供多种功耗管理策略，应用软件根据具体的应用需求，选择最适合的管理策略。编译程序可以通过合理优化、减少冗余代码和不必要操作等方法降低功耗；同时在执行结果相同条件下，可以采用操作替换方式。低功耗应用程序能够利用与电源管理机制相关的API，建立的约束条件，并强迫电源管理机制执行相匹配的变化。 一、电路级的低功耗设计： 一、硬件低功耗设计 1、尽量采用低功耗的器件，几乎所有的TTL工艺的器件都有对应的 CMOS工艺的器件，选用CMOS工艺的器件是降低电路的直接方法。一般情况下CMOS工艺的功耗为TTL工艺的千分之几，在使用CMOS电路时也应该尽量降低时钟频率和工作电压。尽量使电路处于静态工作状态。设计系统时，尽量使电路处于确定的工作状态，避免没有必要的循环、跳变。对未用的管脚不要浮空，要接到VCC或地上，否则输入引脚上积累的电荷很容易使引脚位

嵌入式软件可靠性设计规范checklist

嵌入式软件可靠性设计规范汇总

43.高级报警显示：红色，1.4Hz～ 2.8Hz，信占比率20%～60%开 44.中级报警显示：黄色，0.4Hz～0.8Hz，信占比率20%～60%开 45.低级报警显示：蓝绿色或者黄色，常开，信占比率100% 46. 高优先级和中优先级的报警上、下限设置值，一旦超出可能引起较严重后果的非合理报警数值区域时，均需加单独的对话弹出框予以提醒操作者 47. 默认的报警预置不允许修改，并提供让用户能恢复到出厂默认报警设置的操作途径 48.做报警日志记录，为以后的故障分析、维修检查或商业纠纷提供依据 与硬件接口的软件49. 数据传输接口的硬件性能限制了数据传输速率的提高，在确定波特率前，要确认硬件所能承受的最高传输率，光耦、485、232、CAN、传输线上有防护 器件（TVS或压敏电阻）的端口 50.硬件端口读进来的数据必须加值域范围的判断 51.硬件端口读取数据，必须加可控时间或次数的有限次限制 52.A/D的位数比前端放大电路的精度要求略高即可，并通过数学计算验证 53. 对运动部件的控制，正向运动突然转向反向运动时，必须控制先正向减速到0，然后再反向加速的控制方式 54. 运动部件停机后、再快速启动的工作控制方式是不允许的。须停机、开机、delay延时、再启动执行机构，以确保执行机构先释放原来运动状态的惯性，然后再从静态下启动 55. 运动部件都有过渡过程特性，软件驱动时的上升沿和下降沿的过渡特性会 直接影响到硬件的安全和执行效果 56. 板卡启动时，先initMCU、然后Delay、然后initIO，以确保各芯片的上电 电源都已经稳定下来再启动工作 57. 对采集自有可能受到干扰的模拟端口输入的数字量数据，一定要加上、下 限、Δ/Δt、规律性干扰的滤波措施三个方面的容错性机制 58. 对数字端口传输数据可以连续传输两遍，以防范随机性偶发干扰，实时性要求较高的，可以连续传三遍，2：1判定 59. 模块之间的数据通信联络，用周期性读取的方式、或请求-应答的方式传送 数据，一旦超出周期性时间要求，或未应答，则判定硬件失效，需有软件的

一个典型的嵌入式系统设计和实现

关键字：嵌入式系统设计 ARM FPGA多功能车辆总线Multifunction Vehicle Bus 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也取得迅速发展，嵌入式技术应用范围的急剧扩大。本文介绍了一种基于ARM和FPGA，从软件到硬件完全自主开发多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus)MVB??B嵌入式系统的设计和实现。 系统设计和实现 通常来说，一个嵌入式系统的开发过程如下： 1.确定嵌入式系统的需求； 2.设计系统的体系结构：选择处理器和相关外部设备，操作系统，开发平 台以及软硬件的分割和总体系统集成； 3.详细的软硬件设计和RTL代码、软件代码开发； 4.软硬件的联调和集成； 5.系统的测试。 一、步骤1：确定系统的需求： 嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的，市场应用是嵌入 式系统开发的导向和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需求。 1、MVB总线简介 列车通信网（Train Communication Network,简称TCN）是一个集整列列车内 部测控任务和信息处理任务于一体的列车数据通讯的IEC国际标准 （IEC－61375-1）, 它包括两种总线类型绞线式列车总线(WTB)和多功能车厢总线(MVB)。 TCN在列车控制系统中的地位相当与CAN总线在汽车电子中的地位。多功能车辆总线MVB是用于在列车上设备之间传送和交换数据的标准通信介质。附加在总线上的设备可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它们都和 MVB总线相连，通过MVB总线来交换信息，形成一个完整的通信网络。在MVB系统中，根据IEC－61375－1列车通信网标准， MVB总线有如下的一些特点： 拓扑结构：MVB总线的结构遵循OSI模式，吸取了ISO的标准。支持最多4095个设备，由一个中心总线管理器控制。简单的传感器和智能站共存于同一总线上。 数据类型：MVB总线支持三种数据类型：