嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程

嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有其自身的特點(diǎn)：面向特定應(yīng)用硬件和軟件必須高效設(shè)計(jì)，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(qiáng)大的硬件開發(fā)工具和軟件包的支持，需要設(shè)計(jì)者從速度、功能和本錢綜合考慮下一頁“宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)〞方式嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)通常采用“宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)〞方式。宿主機(jī)〔Host〕是一臺通用的計(jì)算機(jī)，一般是PC機(jī)。它通過串口或網(wǎng)絡(luò)連接與目標(biāo)機(jī)進(jìn)行通信。目標(biāo)機(jī)〔Target〕常用在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程期間。目標(biāo)機(jī)可以是嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，也可以是能替代實(shí)際環(huán)境的仿真系統(tǒng)?！八拗鳈C(jī)/目標(biāo)機(jī)〞方式首先，利用宿主機(jī)上豐富的設(shè)備資源以及良好的開發(fā)環(huán)境來開發(fā)和仿真調(diào)試目標(biāo)機(jī)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(biāo)代碼傳輸并下載到目標(biāo)機(jī)上，并用交叉調(diào)試器在實(shí)時(shí)內(nèi)核/操作系統(tǒng)或監(jiān)控程序的支持下進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和調(diào)試。最后，目標(biāo)機(jī)在特定的環(huán)境下運(yùn)行。返回嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程需求分析階段

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)初期的需求分析過程中就要搞清需要完成的任務(wù)，確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)。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(chǎn)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(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的足夠信息。規(guī)格說明作為分析結(jié)果，它是系統(tǒng)開發(fā)、驗(yàn)收和管理的依據(jù)。規(guī)格說明不能有任何歧義，應(yīng)該讓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者明確地知道他們需要構(gòu)造的是怎樣的一個(gè)系統(tǒng)。規(guī)格說明必須認(rèn)真仔細(xì)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(shè)計(jì)時(shí)必須明確遵循的要求和準(zhǔn)那么。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的一個(gè)規(guī)劃和描述，設(shè)計(jì)完成之后用于構(gòu)建整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。體系結(jié)構(gòu)描述了系統(tǒng)如何實(shí)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(gè)好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diào)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(shù)指標(biāo)功耗軟件支持工具處理器是否內(nèi)置調(diào)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(gè)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(nèi)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(qū)動程序是否具有可裁剪性操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(hù)性匯編語言C/C++JavaME選哪個(gè)好呢？集成開發(fā)環(huán)境考慮的因素系統(tǒng)調(diào)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(diào)試工具的選擇常用的硬件調(diào)試工具實(shí)時(shí)在線仿真器(ICE，In-CircuitEmulator)駐留監(jiān)控軟件ROM仿真器JTAG仿真器設(shè)計(jì)硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件構(gòu)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(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)與體系結(jié)構(gòu)和規(guī)格說明保持一致為了縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，往往硬件和軟件的設(shè)計(jì)是并行的軟件設(shè)計(jì)上，采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程當(dāng)中經(jīng)常采用的方法硬件設(shè)計(jì)制作硬件概要設(shè)計(jì)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)硬件制作硬件測試功能模塊圖設(shè)計(jì)邏輯電路圖設(shè)計(jì)PCB設(shè)計(jì)與制作PCB測試硬件開發(fā)過程電路設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)各模塊〔詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)有定義〕的電路圖PCB設(shè)計(jì)：PCB〔PrintCircuitBoard)布線，需要CAD軟件PCB生產(chǎn)器件焊接調(diào)試調(diào)試時(shí)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(guān)測試程序硬件設(shè)計(jì)工具〔EDA工具〕系統(tǒng)級設(shè)計(jì)工具Cadence的SPWSystemView模擬電路系統(tǒng)仿真工具PspiceEWBPCB設(shè)計(jì)工具ProtelPADs的PowerPCB&ToolKitMentor的Expedition&ToolKit可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具M(jìn)entorFPGAAdvantage&ModelSimXilinxFoundationISE&ToolKit各種綜合和仿真第三方工具軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軟件概要設(shè)計(jì)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件實(shí)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(biāo)代碼下載測試，編譯連接后產(chǎn)生目標(biāo)板的image文件，可以下載到目標(biāo)上運(yùn)行連機(jī)調(diào)試〔聯(lián)調(diào)〕系統(tǒng)集成和測試在系統(tǒng)的硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件建立起來后，將硬件構(gòu)件、軟件構(gòu)件和執(zhí)行裝置集成在一起才能得到一個(gè)可以運(yùn)行的系統(tǒng)。分階段架構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)并且正確運(yùn)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(diào)試工具很有限，常用的調(diào)試工具在前面已經(jīng)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(yīng)性測試、電磁兼容性測試等。硬件測試有一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如商用設(shè)備有3C認(rèn)證，工業(yè)設(shè)備有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，軍用設(shè)備也有相關(guān)軍標(biāo)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(jié)構(gòu)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(shí)例分析—多路語音記錄器工程需求分析獨(dú)立的嵌入式設(shè)備，上電后自行工作支持多路語音同時(shí)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(wǎng)接口，支持TCP/IP協(xié)議支持USB接口支持2個(gè)RS-232串口每個(gè)通道可識別DTMF信號支持本地參數(shù)的配置概要設(shè)計(jì)〔原理、可行性〕根據(jù)需求制定系統(tǒng)功能框圖系統(tǒng)可分為兩局部：嵌入式計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shù)可行需要嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求CPURAMFLASH硬盤網(wǎng)絡(luò)A/DA/DA/DA/D編碼編碼編碼編碼RS232USBLCDD/A解碼概要設(shè)計(jì)〔硬/軟件選型〕處理器選擇——ARM，在多個(gè)ARM處理器中選擇Samsung的S3C2410選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)，免費(fèi)、開源、支持豐富選擇對應(yīng)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(shù)支持等因素選擇AC48304實(shí)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(wǎng)絡(luò)、IDE接口等〕采用開發(fā)板的設(shè)計(jì)概要設(shè)計(jì)〔開發(fā)板〕概要設(shè)計(jì)〔語音編/解碼DSP〕概要設(shè)計(jì)〔操作系統(tǒng)選擇〕

嵌入式Linux操作系統(tǒng)以免費(fèi)、功能強(qiáng)大而又易于移植而正在被廣泛采用，采用Linux詳細(xì)設(shè)計(jì)〔硬件〕為了便于開發(fā)、控制本錢、便于擴(kuò)展，硬件上做模塊化設(shè)計(jì)。分為CPU核心板、主板、語音擴(kuò)展板三個(gè)局部因?yàn)椴捎脧S家標(biāo)準(zhǔn)的總線，核心板可以作為標(biāo)準(zhǔn)件到相應(yīng)廠家采購，所以在研發(fā)和小批量生產(chǎn)時(shí)完全可以購置核心板使用，有一定批量時(shí)再自己生產(chǎn)這一局部，這給工程工作帶來一些便利為了適應(yīng)不同用戶的需求，使語音通道數(shù)量可靈活配置，設(shè)計(jì)語音擴(kuò)展板，在需要更多語音通道時(shí)，增加一塊擴(kuò)展板即可詳細(xì)設(shè)計(jì)〔CPU核心板〕ARM處理器SDRAMFLASH接口總線〔插頭〕CPU核心板詳細(xì)設(shè)計(jì)〔主控板〕PCMHIGHWAYCPU核心板〔插座〕網(wǎng)絡(luò)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(yáng)聲器RS232RS232語音擴(kuò)展板插座收發(fā)器收發(fā)器電源5V-3.3VIDELCD詳細(xì)設(shè)計(jì)〔擴(kuò)展板〕CODECCODECCODECCODECDSP1DSP2DSP3DSP4語音輸入〔1~16〕及通用I/O擴(kuò)展插頭概要設(shè)計(jì)〔系統(tǒng)啟動流程〕ppcboot上電Kernel、filesystem解壓驅(qū)動模塊加載主程序概要設(shè)計(jì)〔主程序功能〕系統(tǒng)配置通過串口終端對系統(tǒng)進(jìn)行配置，配置表存儲在EEPROM中語音編碼數(shù)據(jù)讀取通過hpi總線讀取編碼語音數(shù)據(jù)，如果需要回放的話，也要通過hpi總線實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的回放編碼數(shù)據(jù)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(jù)命令處理包括選路命令、回放命令、校時(shí)命令〔雙向校時(shí)〕、數(shù)字增益調(diào)節(jié)命令、模擬增益調(diào)節(jié)命令、配置表傳輸命令〔上傳和下載配置表兩種〕概要設(shè)計(jì)〔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(jù)