51单片机课件第11章.ppt

第11章 嵌入式系统,嵌入式系统（Embedded System）是嵌入到应用对象系统中的专用计算机系统，包括微控制器MCU(单片机)、微处理器MPU、数字信号处理器DSP和嵌入式片上系统SOC等。它们都得到迅速发展和广泛应用。,11.1 嵌入式系统概述,嵌入式系统(Embedded System)是当今最热门的 概念之一,单片机是嵌入式系统中重要组成部分。,嵌入式系统是随着计算机技术的发展应运而生的。电子计算机诞生于1946年,1971年Intel公司推出了世 界上第一块微处理器4004,进入微型机时代。从应用 角度,计算机形成两大分支:一类是通用计算机系统，如个人计算机、服务器、工作站等;一类是嵌入式计 算机系统,嵌入到应用对象中的专用的计算机系统。嵌入式系统将计算机硬件和软件结合起来,构成一个 专门的计算装置，作为一个应用系统或电子设备的 一部分，嵌入在其中，以完成特定的功能或任务。,11.1.1 嵌入式系统的定义,根据IEEE定义,嵌入式系统(Embedded System)是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行 的装置”(devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment.machinery or plants.）。,普遍认可的定义是：嵌入式系统是计算机系统软件和硬件的综合体,以应用为中心,以计算机技术为基础,软件、硬件可裁减,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。,嵌入式系统是面向应用的技术,具有很强的专用性，它和具体的应用密切相结合,而且大多数的最终结 果是面向用户的产品。嵌入式系统是基于计算机技术,将微电子、电子、自 动化、仪器仪表、多媒体技术等集成在一起的系统,将这些技术融于应用之中,不断创新、不断发展。嵌入式技术是将计算机的软件和硬件紧密结合的技 术。它根据具体的应用对象,根据对系统性能、可 靠性、成本、体积等要求,可以对软硬件配置进行 合理剪裁。由于嵌入式系统的迅速发展，涉及到越来越多的应 用领域，使它成为当代非常热门和发展很快的技术 之一。,11.1.2 嵌入式系统的特点,1.高度集成性 是多种技术和知识高度集成的系统，是硬件和软件 高度集成的系统,是将系统和应用高度集成的技术。2.应用专用性 它为特定的应用服务的,和具体应用有结合一起。使 得其应用广泛，种类繁多。3.软件固化性 软件作为固件,固化在ROM中，程序直接在ROM芯 片上运行。是软硬件一体化的系统，4.实时性 支持实时的控制任务。强大的中断处理机制,实时操 作系统RTOS，支持多任务实时操作。5.高可靠性。小型化和高可靠性。,11.1.3 嵌入式系统的应用,1.工业控制2.交通管理3.信息家电4.智能家居管理5.电子商务6.机器人7.智能仪器仪表8.航空航天和军事领域 从某种意义上看，嵌入式系统已经是无处不在、无时不有的设备了。,11.2 嵌入式系统的硬件,11.2.1 嵌入式系统的构成,11.2.2 嵌入式系统的硬件,嵌入式系统的硬件包括所有能实现嵌入式应用的计算机系统,形式上可分为系统级、板级和器件级产品。系统级产品包括各种总线方式的工控机、嵌入式工 控PC机、PC-104标准嵌入式PC机及用作无盘工作 站的瘦客户机等及工业上可编程逻辑控制器PLC。板级系统典型产品是单板机,包括各种带CPU和程序 存储器的主板及配套OEM产品。板级产品采用小板 结构,部件间用接插件连接,利用半导体存储器,构成 体积小、可靠性高的一个嵌入式的计算机系统。嵌入式系统发展最快的是器件级的产品，它包括微 控制器MCU（单片机）、微处理器MPU、数字信号 处理器DSP和嵌入式片上系统SOC。,11.2.3 微控制器 MCU,微控制器(MCU)技术,即单片机(Single Chip Microcomputer)技术。嵌入式应用是从单片机开始。随着VLSI技术发展,将CPU、一定容量存储器和定时器、接口等集成在一个芯片中,就形成了单片机。只用单片机和少量外围电路就构成实用的嵌入式机系统。1974年美国仙童(Fairchild)公司首先推出8位单片机F8,1976年开始,Intel公司MCS-51为代表,相继诞生了Intel公司8051系列、Motorola公司MC6801、MC6805系列、Zilog公司Z8系列等8位单片机。1982年以后,推出了16位单片机。90年代以来,各大公司相继发展成系列单片机产品,单片机的应用越来越广泛。,11.2.4 嵌入式微处理器 EMPU,嵌入式微处理器EMPU(Embedded MicroProcess Unit)是由通用计算机中的CPU演变而来形成。它能处理32位以上的数据,但只保留了与嵌入式应 用密切相关的功能硬件,以最低的功耗和资源实现了 嵌入式应用的特殊要求。具有体积小、重量轻、成 本低、可靠性高的优点。这类嵌入式系统一般都有 良好的开发环境和操作系统支持。目前主要的32位、64位的嵌入式微处理器包括有：ARM技术、MIPS技术、Power PC技术、X86技术 和MC68K/Coldfire技术等微处理器产品。,1.ARM处理器技术,ARM的16位/32位嵌入式处理器技术是世界上应用最为普遍的嵌入式微处理器结构。ARM公司(Advanced RISC Machines,Ltd.)是世界上最大的一家知识产权公司,1990年11月在英国剑桥成立。它通过出售芯片技术的授权,建立一种新型的微处理器设计、生产和销售的商业模式,取得极大的成功。采用ARM技术IP核的微处理器遍及各类电子产品。ARM知识产权授权的用户众多,包括Intel,IBM,LG半导体,NEC,SONY,PHILIPS和NS等大半导体公司，微软等知名的软件公司和实时操作系统(RTOS)开发商。也包括电子设计自动化和工具供应商、应用软件公司、晶片制造商和设计中心等。,ARM微处理器的特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持16位Thumb和32位ARM双指令集,兼容8/16位 大量使用寄存器，指令执行速度更快；指令长度固定，寻址方式简单灵活，执行效率高；全球有众多的合作伙伴。基于ARM处理器核的典型产品如下：Intel公司的StrongARM的系列：SA-110等；Philips公司的ARM产品：LPC2106/2105/2104等；Samsung公司的ARM系列：S3C2400、S3C3410等 Atmel公司的AT91系列：AT91RM9200等；Cirrus Logic公司的ARM系列：EP7209、7211等；Aplio公司的ARM系列：Aplio/TRIO；等等。,ARM处理器目前有5个系列产品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11和Coretex系列。其中。ARM7为低功耗的32位核,最适于要求低成本低功耗的产品,又分为适用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S,适用于开放平台的ARM720T,以及适用于DSP运算和支持Java的ARM7EJ等。采用ARM技术的IP核在很多应用领域已经取得或正 在取得很大的成功。它们包括：无线通信/PDA（掌上电脑）、蓝牙技术、宽带联网 技术、消费电子（音频播放器、数字机顶盒等）、汽车电子、影像设备、安全产品、智能卡技术等。,2.MIPS 处理器技术,MIPS(Microprocessor Without Interlocked Pipeline Stages)是MIPS公司开发的嵌入式32位和64位处理器 内核标准。MIPS公司是一家设计制造高性能32位/64 位嵌入式微处理器的厂商。先后发布了MIPS32和 MIPS64架构标准,陆续开发出高性能、低功耗的32位 处理器内核MIPS32 4Kc与高性能64位处理器内核 MIPS 64 5Kc,MIPS 64 20Kc系列和低端SmartMIPS.MIPS芯片广泛应用于高性能低功耗片上系统等,如:掌上电脑、信息家电、数字信息管理等；智能电话、可视电话、手机、3G手机等；数码相机、数码摄象 机、机顶盒、DVD播放器等；打印机、复印机、传 真机、扫描仪等；自动化系统、仓储系统、导航系 统(GPS)、图形系统、ATM终端等。,MIPS公司32位嵌入式微处理器MIPS32的特性:与ISA的MIPSI、N和MIPSYM指令体系兼容 增强的状态传送和数据预取指令；标准的DSP操作：乘(MUL)、乘加(MADD)及 Count leading I/O(CLI/O)；优先的CacheLoad/Control操作；稳定的3操作数Load/Store RISC指令体系；可选的浮点数支持，可选的存储器管理单元，可选的Cache；向上与MIPS64N体系兼容；增强的JTAG(EJTAG)提供不受干扰的调试支持,3.Power PC处理器技术,Power PC架构特点是可伸缩性好,应用灵活方便.Power PC处理器的品种很多，既有通用的微处理 器，又有嵌入式控制器和内核。Power PC微处理器的应用范围非常广泛，从高端 的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类 电子产品到大型通信设备等各个方面。基于Power PC嵌入式处理器有：IBM公司的Power PC405和Power PC440。Motorola公司的MPC823e等。,IBM公司Power PC405是集成了10M/100 M 以太 网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它 外设接口的高性能嵌入式处理器。它是专门用于网 络设备的高性能嵌入式处理器；应用程序源代码兼 容其它Power PC处理器；最高可达133MHz外频的 64位CoreConnect体系结构；提供具有创新意义的 CodePack代码压缩技术；可定制SoC设计等特性缩 短设计时间。Motorola公司MPC823e 是一个高度综合的片上系 统,它结合了Power PC核心、通信处理器、显示控 制器等功能。使用带有大量数据和指令高速缓存的 双处理器结构,使用RISC整数处理器和特殊的32位 标量RISC通信处理器来提供高性能。,4.X86系列处理器技术,X86系列处理器起源于Intel公司8080架构,基于X86 处理器核的嵌入式微处理器是以嵌入式应用为目 标，形成了嵌入式微处理器EMPU。包括有：Geode SP1SC10 它具有非妥协网络访问、硬件 MPEG-2音频和视频解码器,TV解码器,Modem,10M/100 Mbps以太网、各种固化的通信和外设接口。高度集成的X86 SOC系列。ST微电子公司的ST PC系列,最新的3个产品为：STPC Elite:应用网络设备的“服务器产品引擎”;STPC Constumer-：“TV产品引擎”;STPC Arias：“网络产品/终端引擎”。,5.MC68K/Coldfire 处理器技术,Motorola公司的MC68K/Coldfire技术也是应用很多的产品。其中,Motorola公司的68000是出现比较早的一款嵌入式处理器,最初曾用于Apple公司的Machitosh计算机上,SUN公司也把它用在其早期的工作站上。现在,该款芯片已完全用于嵌入式系统了。1994年Motorola公司推出了基于RISC结构的68K/ColdFire系统微处理器。目前,基于该架构的嵌入式微处理器主要有MCF5272，它基于第2代的Coldfire V2核心，是迄今速度最高的V2性能芯片。MCF5272共用68K的编程模式，并为通信外围设备组的需要提供了更高性能的选择。,11.2.5 嵌入式数字信号处理器 DSP,DSP处理器(Digital Signal Prosessor)是专门用于数 字信号处理运算的处理器。在系统结构和指令算法 方面进行特殊设计，采用哈佛结构和专用的硬件乘 法器；提供快速的离散时间的信号处理指令，使得 具有很高的编译效率和非常快的指令执行速度。嵌入式DSP 数据处理速度快、良好的实时特性、方 便的硬件软件接口。在通信,声音,图像处理方面,在 数字滤波,频谱分析等仪器上，得到广泛应用。广泛应用的有德州仪器公司TI的TMS320系列和 Motorola公司的DSP56000系列等产品。Intel公司的MCS-296和Siemens的TriCore等。,6.嵌入式片上系统 SOC,嵌入式片上系统SOC(System On Chip),是在单一 硅芯片内实现一个复杂的计算机系统。有时也特指 一些具有专门功能、实现复杂功能的VLSI芯片。SOC系统设计时,可大量使用已有的IP核,大大缩短 开发周期。由于IC工艺发展,使得芯片体积缩小,功 耗、可靠性也得到提高。SOC技术实现软件、硬件无缝连接。它不仅将绝 大部分系统在芯片内构成。而且芯片内直接嵌入 操作系统代码模块，软硬件密切配合，SOC产品是专用的,有少量的通用系列产品。Altera、Xilinx等公司提出了基于PLD、FPGA的 SoPC(System on Programmable Chip)。,11.3 嵌入式系统的软件,嵌入式系统的软件包括有嵌入式操作系统、一系列的支撑软件等系统软件，和在此基础上开发出的各种应用软件。从其功能上划分，嵌入式系统的软件可分为:处于软件和硬件之间的中间 层(硬件抽象层)、嵌入式操作系统及应用平台 最外层的应用程序。,11.3.1 硬件抽象层,又称板级支持包BSP(Board Support Package),是操 作系统与目标硬件环境的中间接口,实现对操作系 统的支持，它具有很强的对硬件的相关性，包含大 量的与处理器和设备驱动相关的代码和数据结构。,开发一个性能稳定可靠、可移植性强、可配置性 好、规范化的板级支持程序包将大大提高嵌入式操 作系统的功能，并将极大地缩短开发周期、减少开 发成本。,BSP的功能包括有：.在系统启动之初，完成系统加电复位、初始化各 种设备、对设备的中断、CPU的寄存器和内存区 的分配、装入操作系统等。对硬件系统初始化时,应完成如下的工作：把系统程序代码定位到CPU跳转执行的内存入口处.根据启动时硬件要求，将CPU设定为特定状态。内存初始化,分别安排代码、数据、堆栈等不同区域.如果有嵌入式操作系统，需要将操作系统的代码或 有关数据加载到RAM中。在操作系统初始化前，将硬件置为原始静止状态。,.为上层软件访问硬件提供驱动程序的函数包，使其 能与硬件更好地配合运行。驱动程序经常要访问 设备的寄存器，并对其进行操作。为驱动程序提供访问硬件手段,要完成以下工作：将中断服务程序和向量表挂载,以正确完成中断响应.创建设备对象，将硬件设备描述为包含硬件主要参 数的数据结构，使得上层软件可以直接访问它。为驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数和可重 用性措施。,11.3.2 嵌入式操作系统,嵌入式操作系统EOS(Embedded Operating System)是支持嵌入式系统应用的操作系统软件。包括有与硬件有关的底层驱动程序、操作系统的内 核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等。作用是负责嵌入式系统全部软件、硬件资源的分 配、进程的调度、控制和协调并发的活动。具有通用操作系统基本特点,能有效地管理系统资 源,提供库函数、驱动程序、工具集及应用程序等。能够通过剪裁和装卸某些模块达到应用系统要求的 功能。在实时性、和硬件的密切相关性、软件的固 化以及应用的专用性等方面具有突出的特点。,嵌入式操作系统的特点：小巧：软件固化在ROM中,小巧以满足硬件限制。实时性：系统工作要求实时性很强，大部分是使用 嵌入式实时操作系统RTOS。可装卸：能够根据不同应用进行装配装卸和剪裁，提供一个开放性、可伸缩性的体系结构。代码固化：系统和应用软件都被固化于ROM中。交互性弱：人机交互功能比较弱,不提供操作命令.稳定性强：连续运行，有较高的稳定性。接口统一：接口有统一标准，为嵌入式应用软件的 运行提供和操作系统平台无关的环境。,实时嵌入式操作系统RTOS和非实时嵌入式操作系统 实时操作系统RTOS面向工业控制、通信等应用。这类实时嵌入式操作系统有：美国风河公司(WindRiver)设计开发的VxWorks，ISI公司pSOS，QNX系统软件公司的QNX，ATI公司的Nucleus等。非实时嵌入式操作系统应用消费电子产品中,有个人 数字助理PDA,移动通信(手机),机顶盒,电子图书等.这类非实时嵌入式操作系统有:微软公司的Windows Embedded 产品家族，嵌入式操作系统cLinux等。,实时系统 RTOS 两个重要特性：实时性和可靠性。实时性标准常用“系统响应时间”来衡量。可靠性标准常用平均无故障运行时间MTBF衡量。主要功能是任务(进程)管理,任务间同步和通信,存储 器管理,实时时钟服务,中断管理和外设的管理。RTOS多任务.任务可并发执行。常用的任务调度算法为:优先级加轮询,非抢占式优 先级调度,按优先级抢占的调度算法。任务间通信与同步机制为:邮箱,队列,信号量,事件标 志.基于任务的设计可扩展,可管理,提高可性.RTOS一般可裁减、移植，适用于多种硬件环境，可以和应用程序一起固化到应用程序中。,1.Windows CE,Windows CE是微软公司开发的开放,可升级的32位嵌入式操作系统。先后推出了 CE 1.0、CE 3.0、Windows NT Embedded 4.0、带有Server Appliance Kit 的Windows 2000、Windows CE.NET等。,Windows CE的优势,因为人们对Windows的熟悉。Windows CE建立在流行的X86结构，可以很灵活地 设计硬件，可供选择的外设驱动程序相当多。微软公司提供了有Windows Enbedded Studio开发 工具。许多软件开发商可以提供现成的应用程序。Windows CE系统代码量大,价格高,实时响应差等缺 点。需要购买开发软件,产品还要交纳专利使用费。,2.VxWorks,VxWorks是美国风河公司(Wind River System公司)开发的高性能、可裁减的实时嵌入式操作系统.它以高性能的内核、良好的可靠性和卓越的实时性 被广泛应用于通信、军事、航空、航天等高精尖技 术中。美国的F-16、F-18战斗机、B-2轰炸机和爱国 者导弹,以及美国JPL实验室研制的两次在火星表面 登陆的著名“索杰纳”火星车都采用了该操作系统。,基本组成包括Wind内核、I/O系统、文件系统、板 级支持包BSP、高级网络支持及系统应用等部分。它占用很小的存储空间,支持高度裁减,保证系统的 高效率运行。,VxWorks主要特点表现在以下几方面：支持的CPU：PowerPC、68K、CPU32、Space、i960、X86、MIPS等，也支持RISC、DSP技术。它的微内核Wind支持快速多任务切换、抢占式任务 调度、多样化的任务间通信等。较好的可剪裁能力,可剪裁的组件超过80个。用户可 根据目标功能要求,通过交叉开发环境进行配置。支持应用程序动态连接和动态下载,缩短调试周期。较好的兼容性。和POSIX标准兼容,提供1003.1b标 准接口。POSIX是ISO/IEEE 标准的有关操作系统 的软件标准。高可靠性、高可用性和高安全性。,3.其它商用嵌入式操作系统,QNX是加拿大QNX软件系统公司的一个实时,微核,基于优先级,消息传递,抢占式多任务,多用户,具有容 错能力的、可扩充的实时嵌入式操作系统。,pSOS是Intergrated System公司提供的模块化,高性 能的RTOS.提供基于开放系统的标准多任务环境。,Palm OS是著名网络设备制造商3COM下的Palm 掌 上电脑公司产品Palm使用的一个嵌入式操作系统.,Nucleus PLUS是美国最大源代码操作系统商ATI公 司(现为Mentor Graphics ESD)推出的新一代RTOS.实时响应,抢先,多任务,源代码开放特性,广泛应用。,我国“女娲”计划推出自主版权的Hopen实时多任务 操作系统等。,源代码开放（C代码）的嵌入式操作系统:,4.嵌入式操作系统cos/,嵌入式操作系统cos/全文为“micro COS 2”，即 微控制器操作系统版本2。它是由JLabrosse先生编 写的一个免费的源代码公开的实时嵌入式内核，它 提供了实时系统所需要的基本功能，是一个完整 的、可移植的、可固化的、可剪裁的占先式实时多 任务的内核。其核心代码短小精悍，如果针对硬件 进行优化，还可以获得更高的执行效率。cos/内核主要功能是解决任务调度、任务管理,时间管理、任务间的通信与同步、内存管理等。,C/OS主要特点是：源代码公开.很容易应用于不同的硬件平台上。可移植性.大部分代码用ANSI C写成,可移植性强,可在大多数处理器、数字信号处理器上运行。可自 己编写移植代码,网站可下载处理器的移植代码。可裁剪性.可针对自己的硬件优化代码,实际代码最 少2.7KB.用户可以自己添加所需要的各种服务。支持抢占式多任务,最多管理优先级不同的64个任务.按抢占式多任务系统设计。提供时间管理服务,提供 四种同步对象：信号量、邮箱、消息队列和事件。可固化.把连续的大块内存按分区管理。其包含全 部功能的核心部分代码只占用8.3KB。实用和可靠性。,C/OS是一个实时操作系统的内核，只提供了 基本功能。没有提供API函数接口，需要用户自 己添加所需要的各种工作。目前已有第三方为C/OS-开发的文件系统、TCP/IP协议栈、用户显示接口等。目前移植实例包括：Intel公司的80 x86、8051、80196等，Motorola公司的PowerPC、68K、CPU32等，TI公司的TMS320系列，Zilog公司的Z-80、Z-180，及Analog Device公司,ARM公司,日立公司,三菱公司,飞立浦公司和西门子公司的各种微处理器。,5.嵌入式操作系统c Linux,c Linux(Micro-Control-Linux)是对微控制领域 设计的Linux系统,源代码开放并且遵循GPL协议。它从Linux移植过来,现在广泛应用于嵌入式设备。cLinux是专门面向MCU的,高度优化、代码紧凑 的嵌入式Linux.体积小,保持了Linux的多数优点：稳定,良好的移植性,优秀的网络功能,完备的对各种 文件系统的支持,以及标准丰富的API。包含丰富的 功能,包括文件系统、各种外设驱动程序、通信模 块、TCP/IP、PPP、HTTP，甚至WEB服务器的代 码。已经移植在几乎所有的硬件平台上。cLinux的代码可以从网上获得，进行模块移植。,cLinux的主要特点有：源代码开放,遵循GPL协议,众多开发人员和爱好者.内核精小,是高度优化的,代码紧凑的嵌入式操作系 统.内核小于512KB,内核加文件系统小于900KB。丰富的软件支持,保持了Linux标准丰富的API函数，功能包括文件系统,各种外设驱动程序,通信模块、TCP/IP、PPP、HTTP，甚至WEB服务器的代码。优秀的网络功能.支持TCP/IP和其它的网络协议。稳定可靠而且高效。应用领域很广，主要用于信息家电、PDA、机顶盒、数据网络、远程通信、医疗电子、交通运输、各种计算机外设、工业控制、航空/航天领域等。,11.3.3 应用程序,位于嵌入式系统层次结构的最顶层。由基于嵌入式操作系统之上开发的应用程序组成,完 成对被控对象控制功能。直接与最终用户交互,需要一个友好的人机交互界面.开发过程:首先在通用计算机(PC机)集成开发环境 中编程,通过交叉编译和链接,转换成可运行的二进 制目标代码。通过调试系统验证和调试无误后，将 程序下载固化到目标平台上运行，完成程序设计。在设计过程中，合理地安排各个层次之间的功能。对实时性要求的系统,要严格控制各层间响应时间。要优化使用硬件资源,按照软件工程的规律,遵循并 各种标准和规范，满足系统的要求。,11.4 嵌入式系统的设计过程,两种方法：自顶向下和自底向上的设计方法。自顶向下的设计方法是从系统的需求开始,提出规格 要求,进而对系统的体系结构进行设计,在此基础上 构造硬件和软件模块,完成所需要的完整的系统。它 可以观察系统的全貌,符合软件工程的设计方法。自底向上的设计方法从构成系统的各个构件开始入 手,在设计的每个阶段是根据对后面要发生的情况进 行估计来确定设计。如果分析的不够充分,那么还会 需要回头来修改原先的设计,把新的内容考虑进去。以下，介绍自顶向下的设计过程,嵌入式系统设计中除了功能实现外,还要解决以的问题：硬件的开销,关乎系统成本。系统总体的速度和时限，它 是整个系统的重要指标。系统的功耗,对便携式设备 尤为重要,也和可靠性有关。友好界面，友好的用户交互 界面、可视性、可控性是嵌 入式系统的重要特点。系统的可靠性和升级能力等,嵌入式系统设计过程,1.需求分析 在设计一个系统之前,必须搞清楚是要设计什么。设计的最初阶段,首先要从用户那里收集系统的非形 式描述，即用户的需求信息。然后，根据这些进行 提炼、截取,以此来设计系统的结构和各部分构件。由于用户通常不是嵌入式系统专业人士,他们对系统 需求的描述和设计人员所需信息之间会有较大的距 离,这就需要设计人员做工作。要将用户的需求描述 中获取一组一致性的需求，以结构化的方法，从中 整理出设计人员所需要的描述信息。,2.规格说明 根据用户提供的需求信息,整理出正式的规格说明。规格说明书起到技术合同的作用,要力求准确地反映出用户的需求,并作为设计时必须遵循的要求。用户需求包括功能和非功能部分,在规格说明中，要包括系统的基本功能,还要有非功能的需求,包括有：性能。系统的处理速度必须加以考虑。价格。销售价格或产品最终成本也是主要因素。系统的尺寸和重量。特别是手持设备有严格限制。功耗。对于电池供电的设备，电源、电池寿命是十 分重要的，必须加以规定。规格说明必须明晰,不能有歧义,以便其他人员也可以来验证是否符合系统需求。,3.体系结构设计 体系结构设计是在规格说明基础上完成,是设计的第一阶段。作用是描述系统怎样去实现那些功能，作为系统整体的结构的一个计划。用于设计和搭建整个体系结构的各个构件。在设计体系结构的时候,可以采取框图方式,在框图中展示它的主要操作和其中的数据流。一般,首先设计一个初始体系结构，分离出各个功能及其实现的要求。在此基础上，进一步把系统框图细分成两部分框图：一部分针对硬件，另一部分针对软件。为了得到一个真正完整的体系结构的描述，还需要增加一些细节的描写。,4.设计硬件和软件构件 在体系结构设计后，就要进行构件的设计。构件包括硬件构件和软件构件。有现成的构件,可以直接选择使用,提高开发的效率。硬件中如CPU、存储器、I/O接口电路、通用外 设、定制电源、标准的机箱等可以直接采用。软件有标准的软件模块，如GPS应用中的地形数据 库，显示系统中汉字的点阵库、压缩和解压缩的算 法工具、标准的函数库等。设计中,要设计针对专门应用的硬件和软件构件。硬件设计，印制电路板、现场可编程门阵列FPGA 等器件，必须进行定制编程工作。建立软件构件，设计整个应用系统的软件程序。,5.系统集成 系统集成是把构件合并一起,得到一个能很好地运转 的系统。这个阶段是一个再次进行开发的过程。在集成过程中，首先进行的是对各个模块进行调试 排错,相对独立地测试系统的各部分功能。在此基础 上进行整个系统的调试,使系统高负荷运行,发现并 解决比较复杂的错误，保证整个系统结构的正确。系统集成的调试过程中,通常要借助调试工具完成。嵌入式系统调试工具包括有各种仿真器、开发系 统、集成软件开发环境软件IDE等。系统实际应用中,需要经受考验。产品会有一个试用 或检验的过程，以便进行改进或完善。,嵌入式系统开发过程,有两种开发设计的方法：一种是传统方法,经过需求分析和总体设计后,将系统 分为硬件和软件两个子系统,分别进行设计、调试,最 后再进行系统的集成。这种方法简单,传统的单片机 都按这种方式进行设计。这种方法也有缺陷,如:软件 硬件划分是否合理、接口问题、沟通和协调问题,开 发周期长,不能很好实现软硬件的优化和平衡等。目前,流行软硬件协同设计的方法。设计从给定的任 务描述开始,通过有效地分析系统任务和所需资源，采用一系列变换的方法,并遵循特定的准则自动生成 满足系统功能需求的、符合实现成本约束的硬件和 软件架构。在这种始终将系统的硬件和软件同时考 虑和平衡，使整个系统的性能优化。,软硬件协同设计的方法的特点：采用并行设计和协同设计的思想，提高设计效率，缩短设计周期。采用统一的工具描述,可合理地划分系统的软硬件，分配系统的功能，在性能、成本、功耗等方面进行 综合平衡，达到更优化的设计。支持多领域的设计人员协同开发,发挥整体的优势。目前嵌入式系统设计中,统一建模语言UML(Unified Modeling Language)是一种系统设计优化的形式化方法。UML是可视化系统建模语言,它用统一的形式来表现软件和硬件,支持循环迭代并可多次修改软硬件方案直至满足要求,实现软硬件协同设计。面向对象的设计方法在嵌入式系统设计中得到广泛应用，UML成为主要建模语言之一。,