嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)介紹

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)．軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(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，在計算機、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)取得迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍也急劇擴大。數(shù)碼產(chǎn)品、智能手機及各種掌上型多媒體設(shè)備都是典型的嵌入式系統(tǒng)。除此之外，更多的嵌入式系統(tǒng)隱身在不為人知的角落，從小到電子手表、電子體溫計、翻譯機等，大到如冷氣機、電冰箱、電視機，甚至馬路上紅綠燈的控制器、戰(zhàn)斗機中的飛控系統(tǒng)、自動導(dǎo)航設(shè)備、汽車中燃油控制、汽車雷達、ABS等的微計算機系統(tǒng)、醫(yī)院中的醫(yī)療器材、工廠中的自動機械等，嵌入式系統(tǒng)幾乎無處不在。
　　
　　一、嵌入式系統(tǒng)的特點
　　
　　與通用計算機系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)有其自身的特點：
　　
　　(1)嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，這一點就決定r它必然是一個技術(shù)密集、資金密集，高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。
　　
　　(2)嵌入式系統(tǒng)通常是面向用戶、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，其升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行的。因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)晶一旦進入市場，就具有較長的生命周期。
　　
　　(4)為r提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機中，而不是存儲于磁盤等載體中。
　　
　　(5)嵌入式系統(tǒng)并不具備自身進一步開發(fā)的能力。在設(shè)計完成以后，用戶如果需要修改其中的程序功能，必須借助于一套開發(fā)工具和環(huán)境。
　　
　　二、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
　　
　　消費家電的智能化，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展展現(xiàn)出美好的市場前景，也對嵌入式系統(tǒng)提出新的發(fā)展要求；微電子技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計方法的進步，使得嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢：
　　
　　(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)量越來越大，系統(tǒng)對處理的響應(yīng)時間也要求更嚴格，嵌入式處理器的主頻會越來越高，甚至采用多核的方式來應(yīng)付H益增長的性能要求。
　　
　　(2)嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域和某些特殊場合的廣泛應(yīng)用，要求嵌入式系統(tǒng)具有遠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。
　　
　　三、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程
　　
　　
　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)分為軟件開發(fā)部分和硬件開發(fā)部分。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程一般都采用“宿主機／目標板”開發(fā)模式，即利用宿主機(PC機)上豐富的軟硬件資源及良好的開發(fā)環(huán)境和調(diào)試J：具來開發(fā)目標板上的軟件，然后通過交叉編譯環(huán)境生成E4標代碼和l啊『執(zhí)行文件，通過串口/USB/以太網(wǎng)等方式下載到目標板上，利用交叉淵試器在監(jiān)控程序運行，實時分析，最后，將程序下載固化到目標機上完成整個開發(fā)過程。
　　
　　當前，嵌入式開發(fā)已經(jīng)逐步規(guī)范化，在遵循一般工程開發(fā)流程的基礎(chǔ)上，嵌入式開發(fā)有其自身的一些特點，下圖所示為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般流程，流程主要包括系統(tǒng)需求分析（要求有嚴格規(guī)范的技術(shù)要求）、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟硬件及機械系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測試、最終產(chǎn)品。具體情況如下：
　　
　　(1)系統(tǒng)需求分析：確定設(shè)計任務(wù)和設(shè)計目標，并提煉出設(shè)計規(guī)格說明書，作為正式設(shè)汁指導(dǎo)和驗收的標準，系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非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、操作力式等；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)汁：描述系統(tǒng)如何實現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對硬件、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，一個好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。
　　
　　(3)硬件／軟件協(xié)同設(shè)計：基于體系結(jié)構(gòu)，劃系統(tǒng)的軟件、硬件進行詳細設(shè)計。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計往往足并行的。嵌入式系統(tǒng)設(shè)汁的工作大部分都集中在軟件設(shè)計上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)汁是現(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)行裝囂集成在一起，進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進單元設(shè)計過程中的錯誤。
　　
　　(5)系統(tǒng)測試：對設(shè)計好的系統(tǒng)進行測試，看其是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求。

　　四、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)
　　
　　要求更高的應(yīng)用需求推動嵌入式設(shè)計從8/16位轉(zhuǎn)向功能更強大的32位MCU。這種升級給工程師帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，提出了一系列前所未有的全新問題
　　
　　(l)轉(zhuǎn)變觀念，需要熟悉新的開發(fā)模式，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)JH不再是過去單一的單片機應(yīng)用模式，而是越來越多樣化，這可為用戶提供更多的不同層次的選擇方案。嵌入式系統(tǒng)實現(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lP核構(gòu)件。從單片機應(yīng)用設(shè)計到片上系統(tǒng)設(shè)計及其中間的一系列的變化，從底層大包大攬的設(shè)計到利用FPGA和IP模塊進行功能組合PSoC/SOPC設(shè)計，這是一個觀念的轉(zhuǎn)變。學(xué)習(xí)和熟悉新的開發(fā)模式將會事半功倍地構(gòu)建功能強大和性能卓越的嵌入式系統(tǒng)。
　　
　　(2)技術(shù)門檻提高，需要學(xué)習(xí)全新的PTOS技術(shù)。現(xiàn)代高端嵌入式系統(tǒng)都是建立在RTOS基礎(chǔ)上的。這對于未受過計算機專業(yè)訓(xùn)練的工程技術(shù)人員來說，需要學(xué)習(xí)全新的PTOS技術(shù)，深入了解PTOS的工作機制和系統(tǒng)的資源配置，掌握底層軟件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的設(shè)計和調(diào)試方法。
　　
　　(3)選擇合適的開發(fā)工具，熟悉新的開發(fā)。發(fā)環(huán)境從8位升級到32位的一個最大障礙就是開發(fā)工具的投入。32信開發(fā)工具要比8信開發(fā)工具復(fù)雜得多，使用的技術(shù)門檻要高得多，同時其投資也要高得多。進入32位系統(tǒng)開發(fā)的I程師不得不面對與8位系統(tǒng)很不相同的開發(fā)環(huán)境。如何正確選擇處理器架構(gòu)、評估嵌入式操作系統(tǒng)，以及使用陌生的開發(fā)工具，都是一個新的挑戰(zhàn)。
　　
　　(4)熟悉硬件／軟件協(xié)同設(shè)計和驗證技術(shù)、設(shè)計管理技術(shù)。軟／硬件許行設(shè)計是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一項關(guān)鍵任務(wù)。在設(shè)計過程中的主要問題，是軟硬件設(shè)汁的同步與集成。這要求控制一致性與正確件，但隨著技術(shù)細節(jié)不斷增加，需要消耗大最的時間。目前，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)Polis、CosYma及Chinook等多種方法和工具來支持集成式軟硬件的協(xié)同設(shè)計。目標是提供一種統(tǒng)一的軟硬件開發(fā)方法，它支持設(shè)計空問探索，并使系統(tǒng)功能可以跨越硬件和軟件平臺復(fù)用。
　　
　　團隊開發(fā)的最大問題就是設(shè)計管理問題。現(xiàn)在有越來越多的公司開始重視技術(shù)管理，利用各種技術(shù)管理軟件（例如軟件版本管理軟件）對全過程進行監(jiān)督管理。這對每一個參與開發(fā)的人來說，似乎增加了不少麻煩，但是對整個公司的產(chǎn)品上市、升級、維護以及戰(zhàn)略利益都具有長遠效益。
　　
　　(5)SoC設(shè)計所面臨的巨大的挑戰(zhàn)SoC已經(jīng)開始成為新一代應(yīng)用電子技術(shù)的核心，這已成為電子技術(shù)的革命標志，過去應(yīng)用工程師面對的是各種ASIC電路，而現(xiàn)在越來越多所面對的是巨大的IP模塊庫，所有設(shè)計工作都是以IP模塊為基礎(chǔ)。SoC設(shè)計技術(shù)使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師變成了一個面向應(yīng)用的電子器件設(shè)計工程師，隨著SoC應(yīng)用的H益普及。在測試程序生成、工程開發(fā)、硅片查錯、量產(chǎn)等領(lǐng)域塒SoC測試技術(shù)提出了越來越高的要求。