嵌入式系统的设计方法(具体设计)综述

第2章 嵌入式系统的设计方法,讲授： 韩洁琼 Joan.hjq,第2章 嵌入式系统的设计方法,1 设计准则 2 设计步骤 3 开发平台 4 测试技术 5 主要性能 6 设计素材,设计准则（1）,1.1 工程意识 嵌入式系统设计是一个实际的工程问题，它需要以简洁、可靠和低成本的方式实现指定的目标，即完成预先确定的性能指标。 工程项目则必须在指定的时间内取得成功，不允许失败，因此在实施过程中应尽可能地采用成熟的技术(技术可行性）。 科学研究以发现事物内在规律为主要任务，是一种探索过程，它允许有失败、也允许有较长的研究时间。,设计准则（2）,1.2 目标意识 嵌入式系统通常是面向特定应用的，只要完成指定的任务即可。在完成任务的前提下，多余的硬件、软件应该删除。,设计准则（3）,1.3 成本意识 设计者需要考虑产品的开发、生产和使用等环节中的综合成本； 在开发阶段，需要考虑开发成本，如人力、时间、工具投入等费用； 作为产品，它的生产成本应该控制在应用场合所允许的范围之内，否则即使完成了指定功能，也难以实际推广应用（性价比）； 在使用过程中，维护、使用年限等潜在的成本应该在设计和开发阶段进行考虑。,设计准则（4）,1.4 方案的合理性 嵌入式系统的设计可以看作工程问题的解决方案，通常不可能达到最优的方案，但可以使解决方案是合理的、趋于最优的。 方案的合理性可以从所设计的系统是否能以简洁、可靠而较少的代价来完成指定功能的角度来衡量。,设计准则（5）,1.5 平台意识 嵌入式系统开发的平台资源包括各种开发工具（如仿真器、半成品用户板等） 、已被验证的设计方案、功能模块和子程序等。 平台意识是指技术人员在嵌入式系统设计和开发的过程中，尽可能地使用平台资源，以提高工作效率和所开发的嵌入式系统的质量；同时不断积累和发展平台资源。,设计准则（6）,1.6 单片意识 能用一个芯片完成的事，最好不要用多个芯片去做。 如在设计系统时，有效地选择高集成度的微处理器等。,第二讲 嵌入式系统的设计方法,1 设计准则 2 设计步骤 3 开发平台 4 测试技术 5 主要性能 6 设计素材,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（1）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.1 需求分析 1） 主要了解用户对嵌入式系统功能的要求、使用场合，最好让用户能够提供详细的文档； 2） 同时需要了解用户对成本、所允许的开发时间，能提供的费用及相关开发条件（资料、人力、设备、场所）等相关信息。,设计步骤（1）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（2）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.2 编写设计任务书 1）如果用户已提供详细的任务说明书，这一步可 以省略。 2）通常需要设计人员与用户协商，重新编写。要明确所需达到的功能、相应的指标以及测试、 验收方法等。,设计步骤（2）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（3）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.3 方案设计 1）根据任务书的要求，考虑限制条件，初步提出 几种可行的方案； 2）对方案进行初步论证，如理论分析、计算，或 部分电路的模拟实验；选择一种进行实施； 3）微处理器的选择是最关键的一步，需要考虑的 方面：处理能力、开发环境、芯片的价格和货 源、设计者的熟悉程度等；,设计步骤（3）,2.3 方案设计 4）功能分配 把目标功能进行划分，部分让硬件完成，其余 部分用软件来完成，并尽可能用软件代替硬件。 5）设计方案的表达 可用文字、结构示意图、数据表格等形式来描 述硬件和软件两个方面的内容，按功能分层、 逐步细化的方式进行表达，力求系统而详尽。 （ 方案设计是知识含量最高的环节。依赖于 设计者的知识积累程度和技术水平的高低）,设计步骤（3）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（4）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.4 硬件电路制作 1）绘制原理图：Protel99（）,Orcard, Pads2000 2）绘制制版图：要已知元件的封装 3）线路板加工：目前外加工一般710天 4）元器件采购：本地电子市场、外地邮购 5）线路板焊接：需要掌握多种焊接方式 6）初步测试： 如电源电路、独立的模拟 电路等 （硬件制作与软件编程可同时进行),设计步骤（4）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（5）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.5 软件编程 1）选择编程语言：如汇编或C语言等，根据实际情 况进行； 2）选择操作系统：根据所设计的嵌入式系统的复杂 的程度来确定； 3）按层次分解任务（软件系统分析）：通常用框图 把任务逐层分解成模块、子程序，先文字或C语 言或其它辅助工具进行初步描述； 4）按框图编程：这是一个翻译过程； 5）尽可能采用已被验证的软件模块（平台资源）； 6）软件模块最好一边写一边调，及时纠正错误，提 高效率。,设计步骤（5）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（6）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.6 软硬件调试 1）需要采用仿真器(开发平台)，通常对子程序、 模块逐个调试，调试好的程序块可加入调试程 序中运行； 2）合理的调试顺序为：显示驱动程序、按键响应 程序、参数设置程序、其它功能程序(如计算 程序、输出控制、通信程序等)； 3）联调的实质就是纠正设计者在软硬件开发过程 中产生的各种错误(语法、逻辑错误)。,设计步骤（6）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（7）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.7 性能测试 1）性能测试是一个重要环节，开发是否成功由这 环节来验证。如果未达到预定的性能指标，就 要不同程度的修改或返工； 2）测试人员需要根据设计任务书，先确定测试的 具体内容、方法、步骤及工具等，编写项目的测 试任务书； 3）通常开发和测试的人数比为 1：1.52,设计步骤（7）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（8）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.8 资料总结 1）技术文档包括用于描述原理样机的结构、 功能、操作等信息； 2）总结开发过程中的经验和教训，积累自己 的平台资源，包括被验证的硬件模块和软 件模块，以及在软硬件联调时，出现的故 障现象、故障原因及解决办法等经验； 3）这是设计者总结开发过程，提高技术水准 的有效环节，应加以重视。,设计步骤（8）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（9）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.9 现场试运行 1）原理样机在实验室或生产厂家完成开发测试后，还需要进行现场测试。有些设计缺陷、样机的环境适用性等必须在现场运行后才能发现； 2）发现问题后还需要不同程度的改进或返工； 3）样机只有通过实际应用场合的长时间考验，才算真正的开发成功，才能称为产品。,设计步骤（9）,用户需求分析,编写任务说明书,方案设计,硬件电路制作,软件程序编制,资料总结,软硬件联调,性能测试合格？,维护和改进,现场试运行正常？,设计步骤（10）,嵌入式系统开发的流程图,No,No,2.10 维护和改进 1）产品维护通常由生产厂家来完成，但有时 较为深入的技术问题需要产品的开发者协 助解决； 2）产品有一个生命周期，当他的功能不能满 足使用者的需要时，就需要改进或研制同 类新产品； 3）研发人员对产品的维护和改进责任通常在 开发合同中约定。,设计步骤（10）,第二讲 嵌入式系统的设计方法,1 设计准则 2 设计步骤 3 开发平台 4 测试技术 5 主要性能 6 设计素材,3.1开发平台的组成 1）开发平台：由开发工具和应用资源组成； 2）开发工具：包括仿真环境（仿真器、计算机、开发软件）、烧写器以及其它辅助调试的工具等，其中最重的是仿真器和软件开发环境IDE； 3）应用资源：包括单片机厂家提供的子程序库、部件的应用实例等资料，以及设计者在开发过程中不断积累的软件模块、硬件方案（被实践验证是正确的资料）。,开发平台（1）,3.3 仿真工具 1）功能：仿真器与计算机、配套的软件集成开发环境(IDE)一起协调工作，相当于一个运行状态可以人为控制的单片机，实现断点设置、变量观察修改；应用程序的编辑、编译、连接、下载等功能 2）仿真器技术： Bondout 、HOOKS 、JTAG技术 3）JTAG的优点：结构简单、成本低、通用性好； 4）JTAG的实现：芯片中嵌入JTAG调试模块，配合 JTAG仿真器和IDE来实现仿真调试； 5）JTAG仿真器种类：并口下载头、并口仿真器、 USB 接口的仿真器等。,开发平台（2）,3.3 开发平台组建 1） 在计算机上安装ADS1.2：在计算机上安装ARM公司开发的集成调试环境ADS1.2； 2）设置相应的工程模板：启动ADS1.2，参照ARM嵌入式系统实验教程一 3）安装EasyJTAG-H仿真器的驱动程序：具体安装步骤参见光盘中文件“EasyJTAG-H仿真器的安装与应用.pdf”的提示，驱动程序在光盘“ARM嵌入式系统实验教程（一）第2章H-JTAG”。,开发平台（3）,3.3 开发平台组建 4）EasyJTAG-H一端接计算机并口，另一端接嵌入式开发实验箱，给发评估板加上稳压电源； 5）启动ADS1.2，调入光盘上“ARM嵌入式系统实验教程一”目录下的某个实验代码的工程文件，进行调试； 6）提示：由于H-JTAG驱动程序的缺陷，目录名称用全英文，目录级数不要太长。,开发平台（3）,集成开发平台 ADS1.2,集成开发平台 ADS1.2,ARM汇编编译器选项：CPU-ARM920T，小端对齐，ARM指令格式，无浮点运算,第二讲 嵌入式系统的设计方法,1 设计准则 2 设计步骤 3 开发平台 4 测试技术 5 主要性能 6 设计素材,4.1 测试原因 1）纠正软件错误 寻找软件中的错误，实现预定的功能； 2）减少风险 有缺陷的产品流入市场，当缺陷暴露的时候， 修复的代价会非常高； 3）提高性能 找到并清除无效代码，帮助确认软件是否已经 完全挖掘出硬件潜力，从而优化应用软件。,测试技术（1）,4.2 测试内容