嵌入式系统设计开发流程

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,,《,嵌入式系统设计,》,*,第二讲 嵌入式系统开发流程,,授课教师：谭毅,,电邮地址：,,课件密码：,12345,,2024/12/9,1,内容提纲,,项目开发生命周期,,,嵌入式系统的开发流程,,,2024/12/9,2,,项目开发生命周期,,概述,,识别需求,,提出方案,,执行项目,,结束项目,,2024/12/9,3,,概述,,可以把嵌入式系统的开发看作对一个项目的实施；,,项目的生命周期一般分为,识别需求,、,提出解决方案,、,执行项目,和,结束项目,4,个阶段；,,,结束,,项目

2、,,,,,,,,执行项目,提出,,解决,,方案,,,识别,,需求,,,,投入人力,时间,2024/12/9,4,,识别需求,是项目生命周期的最初阶段，主要任务是确认需求，分析投资收益比，研究项目的可行性，分析所需条件；,,风险分析,制定系统规范,需求风险,时间风险,资金风险,项目管理风险,系统功能,系统限制,系统开发资源,识别需求,2024/12/9,5,,提出方案,向客户提交标书、介绍解决方案，赢得项目合同，既要展示实力又要合理报价；,,如果竞标成功则签定合同，厂商开始承担项目成败的责任；,系统规划,系统设计,规划分析,预估项目进程,设计系统架构,寻找适当方案,提出方案,2024/12/9,

3、6,,执行项目,由项目经理负责，细化方案，制定计划，协调人力和其他资源，监控进展，分析项目偏差；,系统实现,系统测试,从硬件做起,从驱动程序移植开始做起,从现成平台做起,功能测试,集成测试,系统测试,执行项目,环境测试,出货测试,系统测试,系统测试,环境测试,系统调试,2024/12/9,7,,结束项目,主要包括移交工作成果，帮助客户实现商务目标；,,系统交接给维护人员；,,结清各种款项；,售后服务,项目讨论,结束项目,2024/12/9,8,,嵌入式系统的开发流程,,概述,,需求分析、,规格说明,,系统结构设计、硬件和软件的选择,,构件技术、构件设计与实现,,系统集成、测试与验收,,2024

4、/12/9,9,,概述,嵌入式系统是软硬件综合体：,,硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器、,I/O,设备、通信模块等必要的外设；,,软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用编程接口（,API,）；,,嵌入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能；,,2024/12/9,10,,问题,：,,功能、性能要求,,价格、开发周期等约束,设计：,,,选择,,折衷,,分析比较,,计算,,评价,嵌入式系统,方法,工具,嵌入式系统设计,2024/12/9,11,,（嵌入式系统工程）设计方法简介,,由上而下,是一个正统的设计方式，也就是说，所有的设计皆是遵循系统工程的流程来进行；

5、,,由下而上,表示一个系统是由已经有的基础（或组件）为起点，开始往上延伸，最后将系统完成；,2024/12/9,12,,,需求分析,规格说明书,系统结构设计,构件设计,测试,由,,上,,而,,下,由,,下,,而,,上,2024/12/9,13,,系统设计一般流程,,系统结构设计,系统需求分析,模具结构设计,硬件构件设计,软件构件设计,系统集成,系统测试,产品,规格说明书,2024/12/9,14,,需求分析,,需求分析的内容,,评价标准,,需求分析的描述,,例：,GPS,移动地图的需求,2024/12/9,15,,需求分析的内容,,作用,,使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标,,设计者

6、－ 设计什么？有哪些要求？,,用户 － 将得到的系统是什么样的？,,目标,,形成需求文档,,内容,,功能性需求,做什么,？,,输入,,,输出,,,功能，,……,,非功能性需求,其他属性,,可靠性，速度，功耗，成本,,,大小,,,重量,,,设计时间，,……,2024/12/9,16,,评价标准,正确性,,无二义性,,完整性,,可检验性,,一致性,,可追踪性,2024/12/9,17,,需求分析的描述,自然语言,,需求说明书,,需求分析表,,,形式化描述,,用例图等,,DOORS,2024/12/9,18,,例：GPS移动地图的需求,,名称,CPS,移动地图,目的,为驾驶者提供的用户级移动地图

7、,输入,一个电源按钮，两个控制按钮,输出,逆光,LCD,，显示,400×600,像素分辨率,功能,使用,5,种接收器的,GPS,系统；三种用户可选的分辨率总是显示当前的经纬度,性能,0.25s,内即可更新一次屏幕,生产成本,100,美元,功耗,100mW,物理尺寸和重量,不大于,2×16m2,12,盎司（约,340g,）,2024/12/9,19,,规格说明,规格说明的目标,,规格说明书的描述,,例：,GPS,系统规格说明书内容,2024/12/9,20,,规格说明的目标,规格说明与需求的比较,,需求的提炼,,是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、更精确、更一致的描述,,目标,,形成规格说明

8、书,,内容,,包含系统体系结构设计的足够信息,2024/12/9,21,,规格说明书的描述,自然语言,,形式化描述,,UML,,RSML,,SDL,2024/12/9,22,,例：GPS系统规格说明书内容,,从GPS卫星接收到的数据,,地图数据,,用户界面,,必须执行的满足客户需求的操作,,保持系统运行所需的后备动作，如操纵GPS接收机,2024/12/9,23,,系统结构设计,,系统结构设计的内容,,评价标准,,系统结构的描述,,系统结构设计的验证,,软硬件的划分,2024/12/9,24,,系统结构设计的内容,作用,,实现系统的蓝图，系统整体结构的一个计划,,目标,,形成,结构设计文档,,

9、内容,,系统分析,,系统软硬件整体结构的设计,,软硬件划分,,软硬件平台的确定,,标准构件和自行设计构件的确定,2024/12/9,25,,2024/12/9,26,,评价标准,,有弹性,,简单,,可实现,,层次清晰,,功能分布平衡,,平衡技术和经济约束,,满足功能需求和非功能需求,,可重用,2024/12/9,27,,系统结构的描述,,非形式化方式,,自然语言,,结构框图,,形式化方法,,UML,建模,2024/12/9,28,,系统结构设计的验证,,结构设计的正确性非常关键,,详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响,,验证所关心的问题,,结构设计是否满足功能、性能要求、能否实现,

10、,验证方法,,形式化方法,,仿真,,系统结构、软件结构、硬件结构,,其他方法,,如基于开发板的原型系统,,2024/12/9,29,,,引入错误数目,修改错误开销,开发周期,系统结构,,设计,软硬件,,详细设计,软硬件,,实现,系统引入错误和修改错误开销分布,2024/12/9,30,,软硬件的划分,设计中涉及硬件、软件部件，必须决定什么功能由硬件实现或软件实现,,硬件和软件具有双重性,,软硬件变动对系统的决策造成影响,,划分和选择需要考虑多种因素,,硬件和软件的双重性是划分决策的前提,2024/12/9,31,,通常由软件实现的部分,,操作系统功能,,任务调度,,资源管理,,设备驱动,,协议

11、栈,,TCP,／,IP,,应用软件框架,,除基本系统、物理接口、基本逻辑电路外，许多由硬件实现的功能都可以由软件实现,,2024/12/9,32,,双重性部分（既可软件又可硬件实现）,,算法,,加密／解密,,编码／解码,,压缩／解压,,……,,数学运算,,浮点运算，,FFT,，,……,,……,2024/12/9,33,,硬件和软件的选择,,概述,,处理器选择,,操作系统选择,,编程语言,选择,,硬件调试工具选择,,集成开发环境,IDE,选择,2024/12/9,34,,概述,,包括：处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等,,处理器是最重要的，同时操作系统和

12、编程语言也是非常关键的,,处理器的选择往往同时会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限制开发工具的选择,,2024/12/9,35,,处理器选择,,处理器选择要考虑的主要因素有：,,处理器的性能,,处理器的技术指标,,功耗,,软件支持工具,,处理器是否内置调试工具,,供应商是否提供评估板,,其它因素：生产规模、软件对硬件的依赖性,,2024/12/9,36,,操作系统选择,,操作系统本身所提供的开发工具,,操作系统向硬件接口移植的难度,,操作系统的内存要求,,开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的,API,,操作系统是否提供硬件的驱动程序,,操作系统的是否具有可剪裁性,,操作系统的实时性能,,

13、收费情况，技术支持情况,2024/12/9,37,,编程语言,选择,编程语言的选择主要考虑以下因素,,通用性,,可移植性程度,,执行效率,,可维护性,,2024/12/9,38,,硬件调试工具选择,常用的硬件调试工具有以下几种：,,实时在线仿真器,(ICE,，,In-Circuit Emulator),,驻留监控软件,,ROM,仿真器,,,JTAG,仿真器，是目前使用最广泛的调试手段,2024/12/9,39,,集成开发环境,IDE,选择,集成开发环境,IDE,考虑的因素,,系统调试器的功能,,支持库函数与选择硬件和操作系统的原则一样：除非必要，尽量采用标准的,glibc,,编译器开发商是否持

14、续升级编译器,,连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式,,2024/12/9,40,,构件技术,,标准构件和自行设计构件,,标准硬构件,,标准软构件,,自研硬构件,,自研软构件,,构件的选择,2024/12/9,41,,标准构件和自行设计构件,,构件的实现,,选择标准,,自行设计,,标准构件 ＝ ？现成构件,,已经产品化,,形成规模生产,,标准构件 ＋ 自行设计构件 ＝ 用户系统,,构件包括了硬件构件和软件构件,,构件本身可以是层次性的，可以由子构件组成,2024/12/9,42,,标准硬构件,,标准,IC,,RAM, ROM,,接口控制器，,ASIC,……,,标准,IP,,CPU,核，,…

15、…,,标准模块,,GPRS,模块,,GSM,模块,,,蓝牙模块,, ……,,标准计算平台,,基于,PC104,的嵌入式计算机,2024/12/9,43,,标准软构件,,OS / RTOS,,协议栈,,TCP/IP,,路由协议,,H.323,,……,,图形开发包,,VxWorks,的,ZINK,,……,,驱动程序,,2024/12/9,44,,自研硬构件,,内容,,逻辑电路，专用加速器，,……,,实现方式,,PCB,：,,IC,：,PLD FPGA ASIC,……,,EDA,设计工具,,板级：,,原理图设计工具,,PCB,设计工具,,IC,,硬件描述语言,: VHDL,Verilog,202

16、4/12/9,45,,自研软构件,,驱动程序,,应用程序,,……,2024/12/9,46,,构件的选择,,授权构件的费用一般都较高，但大都经过严格的测试，可靠性高，调试时间短，而免费构件相反；,,现在也有一些免费的自由（软件）构件，它们的性能、可靠性也很好；,,因此在构件选择的时候要加以权衡，确定哪种方案更好；,2024/12/9,47,,软硬件技术对系统结构的影响,,硬软件设计的趋势,——,融合、渗透,,硬件设计的软件化,,VHDL, Verilog,,HANDL-C,,软件实现的硬件化,,各种算法的,ASIC,,对系统设计的影响,——,协同设计,,增加灵活性,,增加了风险,,2024/1

17、2/9,48,,构件设计与实现,,硬件构件设计,,硬件构件设计流程,,软件构件设计,,软件构件设计流程,2024/12/9,49,,硬件构件设计,,设计硬件子系统功能,,电源子系统；,,最小系统；,,复位电路；,,……,,定义硬件子系统间接口,,确定硬件各子系统原理图,,硬件子系统布版,,硬件子系统测试,2024/12/9,50,,硬件构件设计流程,,2024/12/9,51,,例：嵌入式系统硬件系统构件,,,2024/12/9,52,,软件构件设计,,设计软件构件功能,,定义软件构件接口,,规定构件之间的调用关系,,规定软件构件出错处理方案,,……,,2024/12/9,53,,软件构件设计

18、流程,,2024/12/9,54,,系统集成、测试与验收,,系统集成,,系统测试,,系统验收,,2024/12/9,55,,系统集成,,系统集成：把系统的软件、硬件集成在一起，进行调试，发现并改进构件设计过程中的错误；,,集成可分两步：,,在宿主机上模拟集成（软集成）,,在目标机上集成,,各构件设计阶段尽可能地按阶段组装系统和相对独立地测试系统功能；,,如果每次只对一部分模块排错，很可能更容易发现和识别简单的错误；,2024/12/9,56,,系统测试,,系统测试：对系统进行测试，看是否满足规格说明书中给定的功能要求；,,选择测试实例：,,功能测试,,极限情况测试、边界测试、异常测试、错误测试

19、、随机测试、性能测试,,覆盖测试,,语句测试、判定或分支覆盖、条件覆盖,,灰盒测试,2024/12/9,57,,系统验收,,系统经过测试，确定实现规格说明书功能时停止测试；,,整理开发文档和资料，提交开发报告；,,组织系统验收，开发结束,,,2024/12/9,58,,例：验收阶段提交的文档样例,,技术文件目录,,技术任务书,,技术方案报告,,产品标准（草案）,,技术条件,,可靠性技术设计,,技术设计说明书,,试产总结,,测试报告,2024/12/9,59,,想一想,,如何选择嵌入式处理器和嵌入式操作系统,,简述嵌入式系统的设计过程,2024/12/9,60,,本章内容小结,,需求分析、,规格说明,,系统结构设计、硬件和软件的选择,,构件技术、构件设计与实现,,系统集成、测试与验收,,2024/12/9,61,,本章课后作业,,,2024/12/9,62,,