嵌入式系统3-嵌入式系统设计-系统级设计

嵌入式系统设计章节内容z z z z z z z z z z软件工程方法 嵌入式系统常用硬件 嵌入式系统系统级设计方法 嵌入式系统软硬件协同设计方法 嵌入式系统需求分析 嵌入式系统概要设计 嵌入式系统详细设计 嵌入式系统编码 嵌入式系统测试 嵌入式系统实例系统级设计方法OSI 7层嵌入式模式Application Application Presentation Presentation Session Session Transport Transport Network Network Data DataLink Link Physical PhysicalSoftwareHardware Abstraction Layer Hardware嵌入式系统硬件流程Assumption: Designing Hardware From ScratchFeasibility Feasibility Research Research Specifications Specifications (Functional, (Functional,Block, Block,Test) Test)PCB PCBDesign Design(DFT (DFT& &DFM) DFM) & &Fabrication Fabrication PCB PCBTesting TestingASIC ASIC//FPGA FPGA Design Design(DFT) (DFT) ASIC ASIC//FPGA FPGATesting Testing System SystemTesting TestingSoftware Software Design Design(DFT) (DFT) Software SoftwareTesting TestingPCB设计流程Specifications Specifications(Functional, (Functional,Block, Block,Test) Test) Schematic Schematic Feasibility Feasibility Board BoardOutline OutlineDwg Dwg Elec ElecDefs Defs Mech MechDefs Defs Critical CriticalRouting Routing Routing RoutingReview Review Complete CompleteRouting Routing Routing RoutingReview Review Board BoardMarkings Markings Design DesignVerification Verification Final FinalApproval Approval Design DesignDelivery DeliveryBill Billof ofMaterials Materials Netlist NetlistCreate CreateOutline Outline Import ImportComponents Components Import ImportNets Nets Define DefineRouting RoutingRules Rules Place PlaceComponents ComponentsNote: DFT & DFM To Be IncludedPlace PlaceReview ReviewASIC / FPGA设计流程Specifications Specifications(Functional, (Functional,Block, Block,Test) Test) HDL HDLRTL RTLCode Code Feasibility Feasibility HDL HDLRTL RTLTest Testbench benchSimulation Simulation Synthesis Synthesis Clock ClockTree TreeInsertion Insertion Place Placeand andRoute Route Layout Layout ‘Tape-Out’ ‘Tape-Out’to toFab Fab Si SiSample SampleTesting Testing Full FullProduction ProductionNote: DFT & DFM To Be IncludedPost PostLayout LayoutSimulation Simulation嵌入式系统设计过程Hardware Components HardwareConceptSpecificationHW/SW Partitioning…) , t u yo a s, L i s e nth y (Sgn i s DeEstimation Exploration Software Components(C om pil ati on ,De s ig n…)SoftwareValidation and Evaluation (area, power, performance, …)以前的设计方法（框图）说明z 需求分析，看看用户需要解决哪些问题 z 选择处理器和相应的硬件 z 硬件的设计（包括，原理图和PCB） z 系统调试 z 系统的硬件是不是没有问题 z 调试软件，处理器的初始化，中断，外设等都需要 z 自己编程序控制。

基于嵌入式平台的开发方法设计过程中发生修改的代价嵌入式系统设计内容z计算机设计Computer designz系统级设计System-level designz生命周期Life-cyclez商业模型Business modelz设计原则Design culture生命周期z部件成本可以在优化系统生命周期费用时确定下来z采用通用零部件可以降低系统成本z系统验证–对于安全性要求高的系统，如果嵌入式系统中发生任何变化，都需要重新验证–通过提高设计水平避免重复验证的成本计算机设计z实时性，反应性z小尺寸，轻重量z安全性和可靠性z苛刻环境适应性z低成本计算机设计z实时性:–硬实时–软实时–固定实时z响应性:–任务的并发–任务调度–分解: 将系统分解为多个小部分，这些子系统通过某些机制相互通信计算机设计z安全性和可靠性–嵌入式系统的错误可能带来严重的人员受伤或财产损失–解决方法：硬件冗余以及分布式冗余算法–缺点: 由于冗余带来的成本未必能够被市场接受计算机设计z苛刻环境的适应性–某些环境无法预测或控制：温度，湿度，光线，电力供应，水，火，重力等等z低价格–价格是嵌入式系统中非常重要的一个考虑因素–价格因系统的规模而定系统级设计z产品功能–嵌入式系统的成功建立在功能之上而不是采用何种CPU或某种硬件–通过不同的软件提供不同的功能z系统安全性和可靠性–任何嵌入式系统都必须考虑安全性和可靠性–硬件级别：通过硬件冗余来保护系统–软件级别：软件试图或者纠正某个软件错误或者最小化软件错误带来的影响，同时继续运行。

系统级设计z物理系统的控制–嵌入式系统之间通常支持内部互联或外部控制–机械特性–A/D 转换–信号流–电源管理生命周期嵌入式系统生命周期软件生命周期Requirements Architecture High Level Design Low Level Design Code Unit TestWhere the Performance Problems Become Visible Where the Performance Problems OriginateSystem Test Final Test DeploymentA Requirements na Architecture l ys High i Level Design s & Design Low Level SCode imEnsure Correct Synchronization Check Locks Named & Coded Correctly Watch for Anomalies Under Load软件生命周期的实时性Identify Performance Requirements Select Architecture Known to Support Real-Time Separate Performance Requirements Among Elements Identify Synchronization MechanismsUnit Testula Systemt Test i o Final Test nDeployment嵌入式系统生命周期z 售后支持和维修– 任何的修改都将影响到以后的维护 – 嵌入式系统都必须能够在很短时间（某些情况下，至多几个小时）内维修完毕 – 对系统的生命周期考虑对设计造成影响: – 必须维护大量的产品服务记录，以便改进以及 避免某类错误嵌入式系统生命周期z 需求分析 z 概要设计 z 详细设计 z 开发与测试 z 生产系统设计评估z 系统工程过程被当做开发低成本的、有竞争力的产品，系统最好的途径。

z 在系统工程过程中一个必须的技术处理步 骤就是系统设计评估。

z 系统设计评估应当位于系统工程过程中，而不是孤立存在的；系统设计评估当系统 设计发生变化时启动，用来实现持续的设 计改进。

系统设计评估z 设计就是合成的过程（合成，将现有的部件组合成一个新的合并体）。

z 设计的改变是一个项目，评估是预期设计 的修改如果被采用后所带来的优缺点。

嵌入式系统生命周期z 升级– 延长产品生命周期: 通过升级软件以及更换硬件来实现功能的升级. – 通过更换更高级更快速的处理器提高系统的速 度 – 在更换更高级更快速的处理器时可能需要删除 不合适的软件z 零部件可持续供应– 如果系统部件无法从市场上采购到，则系统需要重新设计商业模型z设计和生产费用– 当系统规模很小的情况下，设计费用必须详细考虑 – 当系统规模很大的情况下，生产费用必须详细考虑 – 当系统规模很小的情况下，CAD工具可以帮助降低系统的费用 – 当系统规模很大的情况下， 人工优化更加高效z循环周期– 设计循环在很多情况下，决定因素并不是电子技术的发展z产品系列– 嵌入式产品通常不是单一产品，而是由多种价格和多种功能构成一个产品系列另一视角软件系统结构分析z程序模块的自主性–主程序和若干中断子程序是可以自主运行的程序模块而普通子程序是不能自主运行的可以将普通子程序看作主调程序模块的一部分因此整个系统程序设计就是完成主程序设计和若干个中断子程序设计的过程z程序模块的功能性–系统软件通常包含以下模块自检模块初始化模块监控模块显示输出模块信息采集模块数据处理模块控制决策模块信号输出模块通讯模块时钟模块等系统资源的安排z芯片硬件资源的安排–端口引足、中断资源、定时器/计数器、其它功能部件（如串行口、A/D、PWM、比较器、看门狗等）z RAM资源的分配–片内RAM用来存放各种变量、标志、堆栈、数据、处理中的临时结果等等片外RAM主要用来存放数据块程序模块的组织安排z自检和初始化模块–安排在主程序中系统上电后执行z时钟模块–固定安排在定时中断子程序中z通讯模块–通常安排在通讯中断子程序中z监控、显示、信息采集、数据处理、控制、决策、输出等模块–可安排在主程序中，也可以安排在各种中断子程序中。