对嵌入式开发过程介绍详细

嵌入式原理与应用

金伟正

jwz@http://

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嵌入式系统开发过程

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3.1

需求分析和概要设计

3.1.1 嵌入式系统的概念和组成

嵌入式系统(Embedded System)(EmbeddedSystem)可以看作可以看作一种专用的计种专用的计算机。它与通用意义上的计算机存在着很大的差别：1人机交互界面1.

嵌入式系统和通用计算机之间的最大区别就在于用户交互界面。嵌入式系统可能根本就不存在键盘、显示器等设备，它嵌式系能根本就存在键示等设备

所完成的事情也可能只是监视网络情况或者传感器的变化情况，并按照事先规定好的过程及时完成相应的处理任务。

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2. 有限的功能

嵌入式系统的功能在设计时已经定制好，在开发完成

投入使用之后就不再变化系统将反复执行这些预定好的投入使用之后就不再变化。

任务，而不像通用计算机那样随时可以运行新任务。

当然，使用嵌入式操作系统的嵌入式系统可以添加新

的任务，删除旧的任务，但这样的变化对嵌入式系统而言是关键性变化，有可能会对整个系统行为产生影响。因而

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3.

时间关键性和稳定性

嵌入式系统可能要求实时响应，具有严格的时序性。这样的系统又被称为实时系统。大部分的实时系统都属于嵌入式系统。式系统

同时，嵌入式系统还要求有非常可靠的稳定性。其工作环境可能非常恶劣，如等。这就要求在设计时考虑目标系统的工作环境，合理选择硬件和保护措施。

软件稳定也是一个重要特征。软件系统需要经过无数次反复的测试，达到预先规定的要求才能真正投入使用。

从组成来看嵌入式系统包括两个部分，是从组成来看，嵌入式系统包括两个部分是两者的紧密结合。整个系统可以看成由

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2系统需求分析3.1.2

嵌入式系统的特点决定了系统在开发初期需求分析过程中需要完成的任务。就一般软件工程概念而言，在需求分析就般软件工程概念而言在需求分析阶段需要，——包括。嵌入式系统也嵌入式系统应用需求中最为突出的一个特点是注重应用的时效性——在竞争中，在竞争中Time-to-MarketTimetoMarket最短的企业最容易赢得市场。因此，在需求分析的过程中，采用成熟、易于二采用成熟、易于二次开发的系统有利于节省时间，从而以最短的时间面向用户。次开发的系统有利于节省时间，从而以最短的时间面向用户

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3系统结构模型建立方式3.1.3

需求分析建立之后，需要建立完整的有的系统结构库对。一般而言，在系统结构般而言在系统结构模型和系统功能模型之间可以通过建立一个映射层，来完成从功能需求到结构模型之间的转化。在映射层上完成的任务主要是选择映射的方式，考虑在性能和应用需求环境方面的因素。图3-1所示描述了在功能层、映射层和模型层之间的动作。

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图3.1

系统结构模型建立方式图

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需求分析的结果是建立一个

，将所有需求综合在起包括系统需要的在一起，包括系统需要的，。在系统结构库中存在着针对各种需求的各种结构方式和实现方法用于在设计中进行验证和选择构方式和实现方法，用于在设计中进行验证和选择。

从功能到结构的映射在映射层完成。整个映射过程主要完成转换到，验证分析实现是否验分析实现是。转换功能需求主要是寻求功能所对应的实现，即根据系统结构库寻找合适的实现手段，用硬件或是软件实现，以达到最合适的性能在性能分析方面，可以根据系统结构库以达到最合适的性能。在性能分析方面可以根据系统结构库中已经存在的性能数据做性能估计，或者建立原型系统做仿真分析在硬件软件系统方面都有做性能分析的方式一般都分析。在硬件、软件系统方面都有做性能分析的方式，般都是使用，在其上进行性能分析。映射过程结束之后，就建立了整个系统结构模型。

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3.1.4

系统结构模型实现流程

在映射层建立的系统结构模型，分成硬件和软件两个部分，在系统结构的实现中也分硬件和软件并行完成开发过程。这个过程被称为Hardware／Software Codesign。图图3.2所示是一所示是个典型的在硬件设计过程中首先根据模型确定硬件需要实现的功在硬件设计过程中，首先根据

能，接着确定硬件的构成，并确定数据的控制流程，完成结构化设计，然后是然后是硬件逻辑设计，最后是物理硬件实现，以开发板的形式出现。在软件设计过程中，首先分析系统需要实现的任务，根据任务划分使用的模块，再通过再通过高级语言实现各个高层模块高级言实各个高模块，并通过并通过交叉开发环交发境实现目标代码。在集成过程中，需要实现硬件底层代码，完成软硬件的集成任务成软硬件的集成任务。

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图3.2 HW/SW Codesign系统结构模型

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3.2 硬

件

3.2.1 嵌入式处理器

嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。随着芯片生产工艺的不断进步，嵌入式处理器的种类和性能已经得到了极大的提高。根据发展阶段和芯片复杂度的不同，嵌入式处理器可以分为如下四类：分为如下四类

1. 嵌入式微控制器(MCU)

早期比较流行的处理器是MCU (Micro-Controller UnitMCU(MiCtllUit，俗称单片机)。单片机将整个计算机系统集成到一块芯片中，内部以某种微处理器为核心并对ROM/EPROM/Flash/ROM、部以某种微处理器为核心，

RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、看门狗、I/O、串行口、((watchdog)g)、脉冲调制输出、A/D转换、D/A 转换等必要外设加以集成。根据不同的需求，同一种微处理核心的单片机

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配上不同的外设做封装，从而衍生出一系列的单片机，以适应应用需求

并达到节省成本减少功耗的目的采用这种控制应用需求，并达到节省成本，减少功耗的目的。采用这种控制器是工业系统的主流。

目前已有的嵌入式微控制器的种类繁多，其中比较流行的系列有8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。％的市场份额

2. 嵌入式微处理器(MPU)

随着通用微处理器的发展微处理器应用于嵌入式系统领随着通用微处理器的发展，微处理器应用于嵌入式系统领域中的趋势越来越明显。将微处理器装在专门设计的电路板上只保留和嵌入式需求有关的一些元器件只保留和嵌入式需求有关的些元器件，可以大幅度地减少系统体积和功耗。嵌入式微处理器与通用微处理器相比，在功能基本上相同，但是在功耗，工作温度范围，抗电磁干扰能力和

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可靠性等方面都做了很多增强。

嵌入式微处理器比单片机体积小，重量轻，成本低，可靠性高。但是它必须在电路板上完成嵌入式系统的功能。并且，在板上必须包括ROM、RAM、总线接口和其他各种外设，从而降低了系统的可靠性。目前主流的嵌入式微处理器也很多，ARM7、ARM9、ARM11、MIPS、M68000及X86等等。将嵌入式微处理器和其必要外设装配在一起的电路板称为单板计算起的电路板称为单板计算机。很多厂家已经在销售这样的开发板用于嵌入式系统的开发如PC104，uCSimm等。

3. 嵌入式DSP

针对专用计算的需要还出现了数字信号处理器(Digital 针对专用计算的需要，还出现了数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)。这种处理器对系统结构和指令进

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特殊设计，对其做DSP

算法优化，使得执行效率高，执行指令速度快过去的嵌入式系统中采用通用单片机以普通指令实现速度快。过去的嵌入式系统中采用通用单片机以普通指令实现DSP功能，后来开始直接采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两种类型一种是将通用的处理器有两种类型，种是将通用的DSP处理器经过单片化，EMC改造和增加片上外设等方法使之成为嵌入式DSP处理器，如TI的TMS320C200/C500等；另外一种是在通用单片机、微处理器或者SoC(System on Chip)中增加DSP协处理器，两者协同工作，如TI的OMAP微处理器，就是采用ARM925 CORE和TMS320C55X的DSP COREDSPCORE加上一个加上个DSP桥制成的。桥制成的

嵌入式DSP的应用场合主要是需要大量和快速计算，尤其是向量计算的嵌入式领域，如带生物信息识别的终端、如带生物信息识别的终端移动通信设备的实时声音处理、带智能逻辑的消费类产品等。

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4. SoC (System on Chip)(

yp)

现代的芯片生产工艺已经允许将重要处理器的内核和各种外围的芯片器件整合在一起，以进一步降低功耗，外围的芯片器件整合在起，以进步降低功耗，达到专用的需求。这时便出现了SoC。各种通用处理器的CORE作为SoC设计公司的“库”，以IP (Intellectual Property) 的方式开放芯片电路的产权。这样可以使得嵌入式系统的设计和开发厂商大大减少产品的开发周期，提高产品的竞争力。以IP形式开放的处理器CORE可以用标准的VHDL VHDL等语言描述，存储在器件等语言描述存储在器件库中。用户将处理器和其他外设定义在一起，在软件仿真通过之后就可以直接让工厂生产出样品。这样，几乎可以将整个嵌入式系统集成到一块或者几块芯片中去，使得系统电路板变得简洁，既有利于提高系统的效率和可靠性，又可以减少系统的