嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)過程

嵌入式系統(tǒng)原理與設計

嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)過程嵌入式系統(tǒng)設計具有其自身的特點：面向特定應用硬件和軟件必須高效設計，保持競爭力需要交叉開發(fā)環(huán)境嵌入式系統(tǒng)程序需要固化嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)難度較大需要強大的硬件開發(fā)工具和軟件包的支持，需要設計者從速度、功能和本錢綜合考慮下一頁“宿主機/目標機〞方式嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)通常采用“宿主機/目標機〞方式。宿主機〔Host〕是一臺通用的計算機，一般是PC機。它通過串口或網絡連接與目標機進行通信。目標機〔Target〕常用在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程期間。目標機可以是嵌入式系統(tǒng)的實際運行環(huán)境，也可以是能替代實際環(huán)境的仿真系統(tǒng)?！八拗鳈C/目標機〞方式首先，利用宿主機上豐富的設備資源以及良好的開發(fā)環(huán)境來開發(fā)和仿真調試目標機上的軟件。然后，通過UART接口或Ethernet接口將交叉編譯生成的目標代碼傳輸并下載到目標機上，并用交叉調試器在實時內核/操作系統(tǒng)或監(jiān)控程序的支持下進行實時分析和調試。最后，目標機在特定的環(huán)境下運行。返回嵌入式系統(tǒng)的設計流程需求分析階段

嵌入式系統(tǒng)的特點決定了系統(tǒng)在開發(fā)設計初期的需求分析過程中就要搞清需要完成的任務，確定設計任務和設計目標。功能性需求：是系統(tǒng)的根本功能，如輸入輸出信號、操作方式等；非功能性需求：包括系統(tǒng)性能、本錢、功耗、體積、重量等因素。使用需求表格將系統(tǒng)的功能性需求和非功能性需求綜合起來。需求分析階段名稱目的輸入輸出功能性能生產成本功耗物理尺寸和重量需求分析表格規(guī)格說明階段對需求進行提煉，得到系統(tǒng)的規(guī)格說明，這些規(guī)格說明里包含了進行系統(tǒng)體系結構設計所需要的足夠信息。規(guī)格說明作為分析結果，它是系統(tǒng)開發(fā)、驗收和管理的依據。規(guī)格說明不能有任何歧義，應該讓系統(tǒng)的設計者明確地知道他們需要構造的是怎樣的一個系統(tǒng)。規(guī)格說明必須認真仔細地編寫，以便能夠精確詳盡地反映客戶對系統(tǒng)各方面的需求，并且作為設計時必須明確遵循的要求和準那么。體系結構設計體系結構是系統(tǒng)整體結構的一個規(guī)劃和描述，設計完成之后用于構建整個體系結構的構件。體系結構描述了系統(tǒng)如何實現(xiàn)所述的功能和非功能的需求，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。一個好的體系結構是設計成功與否的關鍵。體系結構設計硬件平臺的選擇處理器的選擇軟件平臺的選擇操作系統(tǒng)的選擇編程語言的選擇集成開發(fā)環(huán)境考慮的因素硬件調試工具的選擇軟件組件的選擇處理器的選擇IntelXscale，ARM指令集IntelAtom，X86指令集龍芯，MIPS指令集處理器選擇考慮因素處理器性能處理器技術指標功耗軟件支持工具處理器是否內置調試工具供給商是否提供評估板操作系統(tǒng)的選擇考慮以下幾個方面：操作系統(tǒng)本身所提供的開發(fā)工具操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度操作系統(tǒng)的內存要求開發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的系統(tǒng)API是否提供硬件的驅動程序是否具有可裁剪性操作系統(tǒng)的實時功能編程語言的選擇考慮因素：通用性可移植性程度執(zhí)行效率可維護性匯編語言C/C++JavaME選哪個好呢？集成開發(fā)環(huán)境考慮的因素系統(tǒng)調試器的功能支持庫函數(shù)編譯器開發(fā)商是否持續(xù)升級編譯器連接程序是否支持所有的文件格式和符號格式硬件調試工具的選擇常用的硬件調試工具實時在線仿真器(ICE，In-CircuitEmulator)駐留監(jiān)控軟件ROM仿真器JTAG仿真器設計硬件構件和軟件構件構件通常包括硬件〔電路板，現(xiàn)場可編程門陣列等等〕和軟件模塊構件的設計應與體系結構和規(guī)格說明保持一致為了縮短產品的開發(fā)周期，往往硬件和軟件的設計是并行的軟件設計上，采用面向對象的技術、軟件組件技術、模塊化設計是現(xiàn)代軟件工程當中經常采用的方法硬件設計制作硬件概要設計硬件詳細設計硬件制作硬件測試功能模塊圖設計邏輯電路圖設計PCB設計與制作PCB測試硬件開發(fā)過程電路設計：設計各模塊〔詳細設計時有定義〕的電路圖PCB設計：PCB〔PrintCircuitBoard)布線，需要CAD軟件PCB生產器件焊接調試調試時就需要軟件人員的參與，往往在電路板沒做好之前就需要考慮測試的問題，并編寫相關測試程序硬件設計工具〔EDA工具〕系統(tǒng)級設計工具Cadence的SPWSystemView模擬電路系統(tǒng)仿真工具PspiceEWBPCB設計工具ProtelPADs的PowerPCB&ToolKitMentor的Expedition&ToolKit可編程邏輯器件設計工具MentorFPGAAdvantage&ModelSimXilinxFoundationISE&ToolKit各種綜合和仿真第三方工具軟件設計實現(xiàn)軟件概要設計軟件詳細設計軟件實現(xiàn)軟件測試軟件開發(fā)過程建立開發(fā)環(huán)境編寫程序代碼交叉編譯和連接，生成可執(zhí)行目標代碼下載測試，編譯連接后產生目標板的image文件，可以下載到目標上運行連機調試〔聯(lián)調〕系統(tǒng)集成和測試在系統(tǒng)的硬件構件和軟件構件建立起來后，將硬件構件、軟件構件和執(zhí)行裝置集成在一起才能得到一個可以運行的系統(tǒng)。分階段架構整個系統(tǒng)并且正確運行事先選擇好的測試程序。嵌入式系統(tǒng)集成過程中使用的調試工具很有限，常用的調試工具在前面已經介紹過。系統(tǒng)集成和測試硬件測試：包括功能測試、性能測試、可靠性/穩(wěn)定性測試、環(huán)境適應性測試、電磁兼容性測試等。硬件測試有一些相關標準，如商用設備有3C認證，工業(yè)設備有工業(yè)標準，軍用設備也有相關軍標要求。嵌入式系統(tǒng)的軟件測試與通用軟件的測試相似，分為單元測試和系統(tǒng)的集成測試。常用有黑盒測試和白盒測試兩種測試方法。黑盒測試—功能測試白盒測試—結構測試嵌入式軟件測試方法嵌入式軟件測試也可叫做交叉測試，具體的軟件測試過程如圖實例分析—多路語音記錄器工程需求分析獨立的嵌入式設備，上電后自行工作支持多路語音同時采集、編碼、存儲、傳輸語音通道數(shù)量在4、8、12、16、20、24、28、32路可配置支持一路語音回放語音編碼支持G.711〔64kbps〕、G.726(16/40kbps)、〔6.3/5.3kbps〕支持以太網接口，支持TCP/IP協(xié)議支持USB接口支持2個RS-232串口每個通道可識別DTMF信號支持本地參數(shù)的配置概要設計〔原理、可行性〕根據需求制定系統(tǒng)功能框圖系統(tǒng)可分為兩局部：嵌入式計算機小系統(tǒng)局部和語音處理局部語音編、解碼由硬件〔DSP〕完成嵌入式計算機局部有多種選擇語音編碼/解碼及語音A/D、D/A有多種成熟的方案技術可行需要嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)實時性要求CPURAMFLASH硬盤網絡A/DA/DA/DA/D編碼編碼編碼編碼RS232USBLCDD/A解碼概要設計〔硬/軟件選型〕處理器選擇——ARM，在多個ARM處理器中選擇Samsung的S3C2410選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)，免費、開源、支持豐富選擇對應開發(fā)板，考慮硬件接口、操作系統(tǒng)支持、板級支持包〔BSP〕、后續(xù)技術支持等因素選擇AC48304實現(xiàn)數(shù)字語音的編碼〔壓縮〕和解碼〔解壓縮〕，AC48304有配套的語音A/D、D/A，即LE58QL021其它電路局部〔網絡、IDE接口等〕采用開發(fā)板的設計概要設計〔開發(fā)板〕概要設計〔語音編/解碼DSP〕概要設計〔操作系統(tǒng)選擇〕

嵌入式Linux操作系統(tǒng)以免費、功能強大而又易于移植而正在被廣泛采用，采用Linux詳細設計〔硬件〕為了便于開發(fā)、控制本錢、便于擴展，硬件上做模塊化設計。分為CPU核心板、主板、語音擴展板三個局部因為采用廠家標準的總線，核心板可以作為標準件到相應廠家采購，所以在研發(fā)和小批量生產時完全可以購置核心板使用，有一定批量時再自己生產這一局部，這給工程工作帶來一些便利為了適應不同用戶的需求，使語音通道數(shù)量可靈活配置，設計語音擴展板，在需要更多語音通道時，增加一塊擴展板即可詳細設計〔CPU核心板〕ARM處理器SDRAMFLASH接口總線〔插頭〕CPU核心板詳細設計〔主控板〕PCMHIGHWAYCPU核心板〔插座〕網絡控制器隔離變壓器RJ-45USB從口CODECCODECCODECCODECDSP1DSP2DSP3DSP4語音輸入〔1~16〕及通用I/O揚聲器RS232RS232語音擴展板插座收發(fā)器收發(fā)器電源5V-3.3VIDELCD詳細設計〔擴展板〕CODECCODECCODECCODECDSP1DSP2DSP3DSP4語音輸入〔1~16〕及通用I/O擴展插頭概要設計〔系統(tǒng)啟動流程〕ppcboot上電Kernel、filesystem解壓驅動模塊加載主程序概要設計〔主程序功能〕系統(tǒng)配置通過串口終端對系統(tǒng)進行配置，配置表存儲在EEPROM中語音編碼數(shù)據讀取通過hpi總線讀取編碼語音數(shù)據，如果需要回放的話，也要通過hpi總線實現(xiàn)語音數(shù)據的回放編碼數(shù)據打包上傳有兩種方式：USB和NET，USB采用USB1.1接口，NET采用UDP協(xié)議傳遞語音和命令數(shù)據命令處理包括選路命令、回放命令、校時命令〔雙向校時〕、數(shù)字增益調節(jié)命令、模擬增益調節(jié)命令、配置表傳輸命令〔上傳和下載配置表兩種〕概要設計〔主程序流程〕開始讀取配置表配置表存在？等待3秒檢測到’Y’鍵？根據