嵌入式系統(tǒng)與技術(shù)

1、嵌入式系統(tǒng)(xtng)與技術(shù)竺紅衛(wèi)ftp:14共一百四十八頁內(nèi)容(nirng)安排緒論指令系統(tǒng)：ARM，SHARCCPU：IO機制，Cache，MMU嵌入式平臺：IO硬/軟件，總線，開發(fā)平臺程序設(shè)計：優(yōu)化設(shè)計，編譯原理，性能分析操作系統(tǒng)：進程，RTOS，進程通信/調(diào)度(diod)硬件加速器網(wǎng)絡共一百四十八頁教學(jio xu)安排課堂講解演示：Ck*Core開發(fā)環(huán)境與工具鏈實驗(shyn)演示：基于FPGA嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建與編程考試：本科生文獻閱讀，讀書報告：研究生共一百四十八頁參考文獻(1)嵌入式計算機系統(tǒng)設(shè)計原理，computers as components, principles of

2、embedded computing system design, wayne wolf, 機械工業(yè)出版社，2002ARM SoC體系結(jié)構(gòu)，Steve Furber著,田澤等譯，北航出版社，2002嵌入式系統(tǒng)(xtng)開發(fā)圣經(jīng)，探矽工作室，中國青年出版社，2002共一百四十八頁參考文獻(2)嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計與應用.王學龍. 清華大學出版社，2001年UC/OS-II源代碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng).邵貝貝. 中國電力出版社，2001FPGA系統(tǒng)設(shè)計與實踐，黃智偉主編(zhbin)，電子工業(yè)出版社，2005年共一百四十八頁第一章 嵌入式計算(j sun)緒論共一百四十八頁提綱(tgng)

3、嵌入式系統(tǒng)定義歷史與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的組成(z chn)CPU,外圍設(shè)備，操作系統(tǒng)，應用軟件嵌入式CPUMCU, MPU,DSP,SoC嵌入式軟件實時系統(tǒng)共一百四十八頁1.1 嵌入式系統(tǒng)(xtng)定義嵌入式系統(tǒng)是包含可編程計算機、軟硬件協(xié)同工作的、執(zhí)行特定任務的計算機系統(tǒng)應用(yngyng)的角度；軟硬件協(xié)同，含可編程器件(CPU)；面向特定功能，預先定制好的；共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的定義以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)(jch)、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng) 共一百四十八頁計算機工業(yè)(gngy)的分類以往計算機分類：大型計

4、算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：超級計算機，大型計算機、工作站、微計算機亞微計算機(嵌入式計算機) 是以嵌入式系統(tǒng)(xtng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)(xtng)中共一百四十八頁商業(yè)(shngy)計算機系統(tǒng)桌面(zhumin)計算機PCsPCsLaptopsMainframes（主機系統(tǒng)）Servers（服務器）嵌入式計算系統(tǒng)共一百四十八頁1.1.1 嵌入式系統(tǒng)(xtng)的歷史(1)Whirlwind(MIT)共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的歷史(2)Apollo Guidance Computer (AGC)共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的歷史(3)Int

5、el4004微處理器共一百四十八頁今天(jntin)的嵌入式系統(tǒng)共一百四十八頁后PC技術(shù)(jsh)的時代小到mp3，PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品(chnpn)，大到網(wǎng)絡家電，智能家電，車載電子設(shè)備嵌入式系統(tǒng)是這個后PC時代的擎天之柱1999年世界電子產(chǎn)品產(chǎn)值已超過12000億美元，2000年達到13000億美元。共一百四十八頁德州儀器OMAP處理器共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的演變8031/8051單片機系統(tǒng)，自行編寫程序；68360/386EX控制系統(tǒng)，自己編寫簡單的操作系統(tǒng)；32位嵌入式處理器pSoS嵌入式操作系統(tǒng)tcp/ip協(xié)議棧；各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式W

6、eb 設(shè)備server以及各種復雜網(wǎng)絡協(xié)議棧GUI圖形界面無線模塊(m kui)現(xiàn)代可移動的網(wǎng)絡智能設(shè)備共一百四十八頁未來(wili)的發(fā)展趨勢SOC(片上系統(tǒng)(xtng)32-bit RISC CPUBuilt-in DSP coreBuilt-in interfaces to RAM and ROMBuilt-in DMA, interrupt and timing controllersBuilt-in interfaces to disk or flash memoryBuilt-in Ethernet/802.11 interfacesBuilt-in LCD/CRT interfa

7、cesBuilt-in A/D D/ABuilt-in Audio CodecBuilt-in Keyboard interface共一百四十八頁SOC(片上系統(tǒng)(xtng)ExamplesIntel StrongARM SA-1110Motorola PowerPC MPC823eNEC VR4181Many, many more共一百四十八頁Small (and cool) SOCsCamera-on-chip (Bell Labs) CMOS-based100,000 optical sensors in a 2D grid (active pixels)Very low powerCh

8、eap ($50)/news/1998/july/15/1.html共一百四十八頁高集成度共一百四十八頁信號處理系統(tǒng)Real-time video, set-top boxes, DVD players, medical equipment, residential gateways分布控制系統(tǒng)(kn zh x tn)Network routers, switches, firewalls, elevators綜合“小”系統(tǒng)Mobile phones, home appliances, toys, smartcards, MP3 players, PDAs, digital cameras,

9、sensors1.1.2 嵌入式系統(tǒng)(xtng)的分類與特征共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)應用(yngyng)特征大系統(tǒng)的一部分計算機外圍設(shè)備特殊應用功能的H/W經(jīng)過剪裁以適應具體特殊的應用可重復編程、升級始終工作與物理(wl)世界交互作用共一百四十八頁無所不在(w su b zi)的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的應用遠遠超過了各種通用計算機一臺通用計算機的外部設(shè)備中就包含了5-10個嵌入式微處理器：鍵盤、鼠標、軟驅(qū)(run q)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機、掃描儀、數(shù)字相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍

10、事裝備、消費類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機的應用領(lǐng)域。 共一百四十八頁經(jīng)典(jngdin)應用CISCO的路由器以太網(wǎng)交換機商務通PDA手機(shu j)美國宇航局的火星探測器Sony的機器狗AIBO共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領(lǐng)域（一） 家用市場 機頂盒、掌上電腦、DVD、MP3、數(shù)碼相機、數(shù)字電視、WebTV、網(wǎng)絡冰箱、網(wǎng)絡空調(diào)、家庭網(wǎng)關(guān)、智能家用電器、車載導航器系統(tǒng)等通信市場 電話交換系統(tǒng)，電纜系統(tǒng)，衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（L3D），數(shù)據(jù)交換設(shè)備，移動電話等工業(yè)市場 制造工廠，污水處理系統(tǒng)，發(fā)電站和電力傳輸系統(tǒng)，自動化工廠，控制系統(tǒng)開發(fā)，維護和測試的工具(gngj)，石油提煉和相

11、關(guān)的貯運設(shè)施，建筑設(shè)備，計算機輔助制造系統(tǒng)，能源控制系統(tǒng)，核電站，機器人系統(tǒng)等商業(yè)和金融市場 自動柜員機，信用卡系統(tǒng)，售貨端系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領(lǐng)域（二）辦公市場 電話系統(tǒng)，傳真系統(tǒng)，復印機，計時系統(tǒng)，照相機和攝象機運輸市場 航空、鐵路、公路運輸系統(tǒng)，燃料服務，航空管理，信令系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)，交通指揮系統(tǒng)，停車系統(tǒng)，售票系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)，檢票系統(tǒng)，行李處理系統(tǒng)，應急設(shè)備等建筑市場 電力供應，備用電源和發(fā)電機，火警控制系統(tǒng)，供熱和通風(tng fng)系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車庫管理，安保系統(tǒng)，電子門鎖系統(tǒng)，樓宇管理系統(tǒng)，閉路電視系統(tǒng)，電子保險柜，警鈴等醫(yī)療市

12、場 心臟除顫器，心臟起搏器，患者信息和監(jiān)視系統(tǒng)，MN光設(shè)備，理療控制系統(tǒng)，電磁成像系統(tǒng)等軍事 武器控制共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)熱點(r din)應用信息家電車載系統(tǒng)(xtng)軍事工業(yè)醫(yī)療器械共一百四十八頁汽車(qch)電子多到100個微處理器Engine control unitEmissions controlDiagnosticsAutomatic transmissionAccessories (doors, windows etc)共一百四十八頁1.1.3 嵌入式系統(tǒng)(xtng)的組成共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)的基本(jbn)組成與設(shè)計 嵌入式系統(tǒng)主要(zhyo)由嵌入式處理器、相關(guān)支

13、撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟件系統(tǒng)等組成，它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”共一百四十八頁嵌入式處理器 嵌入式系統(tǒng)的核心部件 品種總量已經(jīng)超過(chogu)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)硬件(yn jin)主流32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)(xtng)的核心主要硬件廠商包括Intel，Motorola(FreeScale)，Philip(NXP)，AMD，ARM，Ti等每個月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)共一百四十八頁微處理器Intel40048位:Z80/Z8,8051,PIC32位:ARM,MIPS共一百四十八頁以處理器的位數(shù)來劃

14、分(hu fn)4位8位16位32位64位單片機型TMS1000COPS8048/49/508051/526801/04/05 Z88096/9768200ARM RISC COREMIPS 32 COREMIPS 64 CORE一般用途型400440408085 6809Z80 6502 68028086 8028680186 Z800080386 80486 68000/10/20/30/40Pentium II/III共一百四十八頁不同(b tn)等級的處理器應用：嵌入式處理器應用產(chǎn)品4位遙控器 相機 防盜器 玩具 簡易計量表等8位電視游戲機 空調(diào) 傳真機 電話錄音16位手機 攝象機 錄

15、象機 各種多媒體應用32位MODEM 掌上電腦 路由器 數(shù)碼相機 GPRS 網(wǎng)絡家庭64位高級工作站 新型電腦游戲機 各種多媒體應用共一百四十八頁CPUMPU (Micro-Processor Unit) :微處理器MCU(Microcontroller Unit):微控制器DSP(Digital Signal Processor):數(shù)字(shz)信號處理器SoC(System On Chip):系統(tǒng)芯片,片上系統(tǒng)共一百四十八頁通用(tngyng)處理器Intel80 x86Motorola 68HCxxxSPARCPowerPC共一百四十八頁嵌入式微處理器(MPU) 通用計算機中的CPU增強

16、工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能與和工業(yè)控制計算機相似嵌入式處理器目前(mqin)主要有386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等共一百四十八頁32位嵌入式處理器目前嵌入式處理器按其體系結(jié)構(gòu)的不同(b tn)可分為五大類ARMMIPSPOWER PCX86SH系列 共一百四十八頁共一百四十八頁ARM體系結(jié)構(gòu)ARM 公司(n s)的ARM RISC處理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族共一百四十八頁Intel StrongARMStrongARM 110StrongARM 1100StrongARM

17、1110StrongARM 1111共一百四十八頁INTEL的Xscale架構(gòu)(ji u)處理器基于ARM V5TE體系結(jié)構(gòu)兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮點指令集）在處理器內(nèi)核周圍提供了指令和數(shù)據(jù)存儲器管理單元(dnyun)指令、數(shù)據(jù)和微小數(shù)據(jù)緩存寫緩沖、掛起緩沖和分支目標緩沖器電源管理性能監(jiān)控調(diào)試JTAG單元以及協(xié)處理器接口MAC協(xié)處理器內(nèi)核存儲總線共一百四十八頁MIPS體系結(jié)構(gòu)從1986年推出R2000處理器以來，陸續(xù)推出R3000、R4000、R8000等。之后,MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點放在嵌入式系統(tǒng)。1999年，MIPS公司發(fā)布了MIPS32和MIPS64體系結(jié)

18、構(gòu)標準，集成了原來所有的MIPS指令集，并且(bngqi)增加了許多更強大的功能。此后MIPS公司又陸續(xù)開發(fā)了高性能、低功耗的32位和64位處理器內(nèi)核。 共一百四十八頁共一百四十八頁MIPS Core系列(xli)在MIPS的32位內(nèi)核中4K系列對應于SOC應用設(shè)計；M4K系列內(nèi)核是為在下一代消費電子、網(wǎng)絡、寬帶應用中越來越受歡迎的多CPU SOC所設(shè)計；4KE系列具有目前32位通用(tngyng)嵌入式處理器中最高的DMIPS/MHz性能指標；4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS體系結(jié)構(gòu)，特別適用于需要安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域，比如網(wǎng)絡、智能卡等；Pro Series系列則通過特有的Cor

19、Extend技術(shù)，使得SOC設(shè)計獲得了空前的靈活性；24K系列除了支持CorExtend技術(shù)以外，還為Java和圖形應用做了特別的優(yōu)化。5K和20Kc系列屬于MIPS的64位內(nèi)核5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的運行速率。20Kc是當今最快的可授權(quán)嵌入式處理器內(nèi)核。一般運行在600MHz，具有7段流水線的20Kc內(nèi)核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮點運算能力。共一百四十八頁在嵌入式處理器市場中，基于MIPS內(nèi)核的處理器占據(jù)了相當大的數(shù)量2002年，一共(ygng)付運了8700萬片采用MIPS內(nèi)核的嵌入式處理器。份額僅次于ARM位居全球第二。在目前快速增長的比如C

20、able Modem、DSL Modem、DVD錄像機等領(lǐng)域內(nèi)，MIPS的市場份額位居第一。MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等眾多廠商共一百四十八頁Motorola的DragonBall VZ 共一百四十八頁Power PC體系結(jié)構(gòu) Motorola半導體（現(xiàn)Freescale半導體）聯(lián)合(linh)IBM以及蘋果電腦 共一百四十八頁SH體系結(jié)構(gòu)SH(SuperH)系列是由前日立半導體公司（現(xiàn)Renesas公司）推出的嵌入式處理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一個字長，絕大多數(shù)指令是單周期完成的，即使是復雜的乘加指令也僅需2個時鐘周期 為了克服(kf)內(nèi)

21、存訪問的瓶頸，SH的CPU簡化尋址方式，采用Load/Store(裝載/存儲)結(jié)構(gòu)，并且在片內(nèi)設(shè)置高速緩存，以減少訪問內(nèi)存的時間 共一百四十八頁1999年底，SH系列(xli)累計生產(chǎn)達1.18億片。SH系列投入市場后，用量最多的是工業(yè)，占總量的36%，第二位是辦公自動化，占總量的26%；第三位是消費領(lǐng)域；再其次的是通信領(lǐng)域。此外，汽車導航、定位、控制系統(tǒng)，也是SH系列不小的一個市場。在美國，SH系列占有較大的市場份額 共一百四十八頁嵌入式微控制器(MCU)又稱單片機 以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串

22、行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種( zhn)必要功能和外設(shè)微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。 共一百四十八頁典型(dinxng)微控制器Motolora 68HC11xxIntel 8051Microchip PICARM共一百四十八頁嵌入式微控制器(MCU)共一百四十八頁嵌入式DSP處理器(DSP) DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領(lǐng)域，DSP應用正從在通用單片機中以普通(ptn

23、g)指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。共一百四十八頁嵌入式DSP處理器(DSP)有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的 TMS320系列和ADI的ADSP系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及(yj)性能更高的C6000和C8000系列。ADSP目前有已經(jīng)發(fā)展成為ADSP21xx(16位)，ADSP2106x(32位)等幾個不同系列的處理器。共一百四十八頁嵌入式片上系統(tǒng)(xtng)(SOC)在一個硅片上實現(xiàn)一個復雜的系統(tǒng) 整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成(j chn)到一塊或幾塊芯片中去應用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔 共一

24、百四十八頁SOC設(shè)計(shj) 共一百四十八頁SoC具有(jyu)的優(yōu)勢 降低耗電量：隨電子產(chǎn)品向小型化、便攜化發(fā)展，對其省電需求將大幅提升，由于SoC 產(chǎn)品多采用內(nèi)部訊號的傳輸，可以(ky)大幅降低功耗。 減少體積：數(shù)顆IC 整合為一顆SoC 后，可有效縮小電路板上占用的面積，達到重量輕、體積小的特色。豐富系統(tǒng)功能：隨微電子技術(shù)的發(fā)展，在相同的內(nèi)部空間內(nèi)，SoC 可整合更多的功能元件和組件，豐富系統(tǒng)功能。提高速度：隨著芯片內(nèi)部信號傳遞距離的縮短，信號的傳輸效率將提升，而使產(chǎn)品性能有所提高。節(jié)省成本：理論上，IP 模塊的出現(xiàn)可以減少研發(fā)成本，降低研發(fā)時間，可適度節(jié)省成本。不過，在實際應用中，由

25、于芯片結(jié)構(gòu)的復雜性增強，也有可能導致測試成本增加，及生產(chǎn)成品率下降。共一百四十八頁SoC 芯片設(shè)計(shj)中 的IP 模塊 SoC 的設(shè)計基礎(chǔ)是IP（Intellectual Property）復用技術(shù)。 已有的IC 電路以模塊的形式(xngsh)在SoC 芯片設(shè)計中調(diào)用這些可以被重復使用的IC 模塊就叫做IP 模塊 IP 模塊是一種預先設(shè)計好，已經(jīng)過驗證，具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有2 種不同形式：軟IP 核(soft IP core)和硬IP 核(hard IP core) 共一百四十八頁嵌入式外圍設(shè)備(wi wi sh bi)嵌入式外圍設(shè)備是指，在嵌入式硬件系統(tǒng)(xtn

26、g)中，除了嵌入式處理器之外的完成存儲、通信、保護、調(diào)試、現(xiàn)實等輔助功能的其他部件。共一百四十八頁嵌入式外圍設(shè)備(wi wi sh bi)根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下3類：存儲器類型：靜態(tài)易失型存儲器(RAM/SRAM)，動態(tài)存儲器(DRAM)，非易失型存儲器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，F(xiàn)LASH(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲速度快，容量大及價格便宜等有點在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應用。接口類型：目前(mqin)存在的所有接口在嵌入式系統(tǒng)中都有其廣泛的應用，但是以下幾種接口的應用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設(shè)備接口)、I2C、US

27、B、Ethernet和普通并口。顯示類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備。共一百四十八頁嵌入式軟件的組成(z chn)共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)軟件(x tn run jin)的特征 (1) 軟件要求固態(tài)化存儲 (2) 軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 (3) 系統(tǒng)軟件(OS)的高實時性是基本要求 (4) 多任務操作系統(tǒng)是知識集成(j chn)的平臺和走向工業(yè)標準化道路的基礎(chǔ) 共一百四十八頁嵌入式軟件主流(zhli)VxWorks 是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。Palm Os，是Palm公司(n s)的操作系統(tǒng)，和微軟的Windows CE是PDA操作系統(tǒng)的兩大巨頭。共一

28、百四十八頁實時(sh sh)系統(tǒng)實時系統(tǒng)(RealTime System)一個能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能及對外部或內(nèi)部事件在同步或異步時間內(nèi)做出響應的系統(tǒng)，在邏輯(lu j)或時序控制中如果出現(xiàn)偏差將會引起嚴重后果。共一百四十八頁實時(sh sh)系統(tǒng)分類軟實時系統(tǒng)并不要求限定某一任務必須在一定的時間內(nèi)完成，只要求各任務運行得越快越好硬實時系統(tǒng)對系統(tǒng)響應時間有嚴格要求，一旦系統(tǒng)響應時間不能滿足，就可能會引起系統(tǒng)崩潰或致命(zhmng)的錯誤，一般在工業(yè)控制中應用較多。共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)的應用(yngyng)特點復雜的算法用戶界面(yn h ji min)實時性多速率：多媒體流

29、制造成本功率共一百四十八頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的核心-微處理器實現(xiàn)(shxin)數(shù)字系統(tǒng)的有效手段可選擇面寬，產(chǎn)品更新?lián)Q代快節(jié)省開發(fā)成本共一百四十八頁1.1.4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計面臨(minlng)挑戰(zhàn)成本實時性功耗(n ho)可升級可靠性測試、調(diào)試、開發(fā)環(huán)境受限共一百四十八頁1.2 嵌入式系統(tǒng)(xtng)設(shè)計過程需求規(guī)格說明體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(硬件(yn jin)，軟件)系統(tǒng)集成共一百四十八頁設(shè)計(shj)流程共一百四十八頁1.2.1 需求分析(fnx)(功能與非功能)功能性能成本與價格物理尺寸和重量(zhngling)功耗共一百四十八頁GPS移動(ydng)地圖經(jīng)度(jngd)： 緯度：共一

30、百四十八頁需求(xqi)表格名稱目的輸入輸出功能性能成本（生產(chǎn)，設(shè)計）物理尺寸(ch cun)與重量功耗共一百四十八頁GPS移動地圖(dt)需求表格名稱：GPS移動地圖目的：為駕駛員提供(tgng)用戶級移動地圖輸入：一個電源按鈕，兩個控制按鈕輸出：逆光LCD，顯示分辨400600功能：使用5種接收器的GPS系統(tǒng)，三種用戶可選的分辨率，顯示當前經(jīng)緯度性能：0.25秒刷新成本：100美元功耗：100mW，4節(jié)AA電池工作8小時物理尺寸和重量：不大于12盎司共一百四十八頁1.2.2 規(guī)格(gug)說明(Specification)需求(xqi)細致化需求精確化需求系統(tǒng)化需求形式化共一百四十八頁1.

31、2.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(shj)GPS接收器信號搜索引擎地圖數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換器用戶界面顯示器共一百四十八頁硬件(yn jin)體系結(jié)構(gòu)顯示器幀緩沖器主存儲器CPUGPS信號(xnho)接收器I/O面板共一百四十八頁軟件體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫搜索(su su)用戶界面(yn h ji min)位置時鐘轉(zhuǎn)換器共一百四十八頁1.4系統(tǒng)(xtng)設(shè)計的形式化方法統(tǒng)一建模語言：UML面向?qū)ο蠼ＵZ言：設(shè)計交互(jioh)對象；對象與實際軟硬件對應；共一百四十八頁設(shè)計(shj)方法Top-Down：由頂向下Bottom-Up：由底向上共一百四十八頁程序設(shè)計(chn x sh j)歷史自由(zyu)階段：數(shù)據(jù)、代碼混合；

32、代碼運行時可修改；GoTo使用；結(jié)構(gòu)化編程：數(shù)據(jù)、代碼分離，盡量不使用GoTo；程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法面向?qū)ο螅侯惖某橄箢?數(shù)據(jù)+行為(屬性+方法)共一百四十八頁面向?qū)ο竺嫦驅(qū)ο笤O(shè)計(shj)(OOD)面向?qū)ο缶幊?OOP)共一百四十八頁類共享相同的屬性、操作、方法、關(guān)系或行為的一組對象(duxing)的描述符；對象的模板對象：某個類的實例消息傳遞：對象通過在鏈接上發(fā)送消息產(chǎn)生行為共一百四十八頁類類封裝：屬性和方法繼承多態(tài)，算符重載(zhn zi)模板共一百四十八頁UML圖類圖表示類與類間關(guān)系，類與類對象間的關(guān)系協(xié)同圖表示對象間交互狀態(tài)圖表示結(jié)構(gòu)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)起始、中止、關(guān)聯(lián)等的模型順序圖表示對

33、象間交互、狀態(tài)順序共一百四十八頁類圖類名屬性(狀態(tài))操作(行為)共一百四十八頁類舉例(j l)Displaypixels:array of pixel elementsmenu_itemsMouse_click()Draw_box()共一百四十八頁關(guān)聯(lián)(gunlin)類之間的聯(lián)系鏈接：關(guān)聯(lián)的實例化，對象(duxing)通過鏈接傳遞信息共一百四十八頁關(guān)聯(lián)(gunlin)舉例CompanyPersonemploys1n共一百四十八頁泛化一般物件與特殊(tsh)物件之間的關(guān)系泛化特化ShapeSquareCircleTriangle共一百四十八頁派生(pishng)類組織成泛化的層次派生類繼承父類所

34、有屬性(shxng)、操作,又可以添加自身的屬性(shxng)、操作派生類也稱子類父類也稱超類共一百四十八頁派生(pishng)舉例Shapewidthheightdraw()getArea()SquareCircledraw()draw()覆蓋(fgi)共一百四十八頁多態(tài)多態(tài)操作具有多種實現(xiàn)方式(fngsh)不同類可以不同的方式響應相同的消息子類可以覆蓋父類的操作共一百四十八頁多態(tài)EmployeePrint()WorkerManagerPrint()Print()共一百四十八頁抽象類抽象操作不具有(jyu)具體的實現(xiàn)虛類虛函數(shù)共一百四十八頁多態(tài)Shapedraw()getArea()Squa

35、reCircledraw()getArea()draw()getArea()共一百四十八頁類的軟件(run jin)實現(xiàn)Classdisplaypixels:pixeltypeIMAX,JMAX; public:display();pixeltype pixels(int i,int j)returnpixelsi,j;void set_pixel(pixeltype val,int i,int j)pixelsi,j=val;共一百四十八頁派生類Displaypixels:array of pixel elementsmenu_itemsMouse_click()Draw_box()BW_D

36、isplayColor_DisplayColor_Map共一百四十八頁多重繼承(jchng)DisplayMultimedia_DisplaySpeaker共一百四十八頁關(guān)聯(lián)(gunlin)和鏈接Message setCount=2messagemsg=msg1length=1102messagemsg=msg2length=2114Message setCount:integermessagemsg=ADPCM_streamLength:integercontains共一百四十八頁1.4.1結(jié)構(gòu)(jigu)描述定義基本構(gòu)件定義類及屬性定義類界面(操作)類的軟件實現(xiàn)類的派生(pishng)泛化

37、和繼承共一百四十八頁1.4.2行為(xngwi)描述描述(mio sh)操作；狀態(tài)機；共一百四十八頁狀態(tài)(zhungti)轉(zhuǎn)換ab共一百四十八頁狀態(tài)轉(zhuǎn)換(zhunhun)：事件信號事件：外部(wib);內(nèi)部事件：例程調(diào)用;定時器事件;共一百四十八頁UML狀態(tài)機規(guī)格(gug)說明共一百四十八頁UML順序(shnx)圖共一百四十八頁UML順序(shnx)圖對象時間流生命線對象生存期控制(kngzh)焦點共一百四十八頁設(shè)計示例(模型(mxng)火車控制器)共一百四十八頁設(shè)計(shj)示例(模型火車控制器)ECC|Command|Address|Header控制臺共一百四十八頁需求(xqi)表格名稱：

38、模型(mxng)火車控制器目的：控制最多達8輛火車輸入：調(diào)速、慣性設(shè)置，緊急停車、火車數(shù)量輸出：火車控制信號功能：根據(jù)慣性設(shè)置發(fā)動機速度；響應緊急停車性能：至少每秒校正車速10次生產(chǎn)成本：50美元功耗：10W物理尺寸和重量：控制臺適應雙手操作，近似鍵盤大??；重量小于2磅共一百四十八頁概念性規(guī)格(gug)說明Set-speedSet-inertiaEStop共一百四十八頁概念性規(guī)格(gug)說明Set-inertiaSet-speedSet-speedSet-speedEstop:Console:Train_rcvr共一百四十八頁概念性規(guī)格(gug)說明CommandEStopSet-inert

39、iaValue:unsigned-integerSet-SpeedValue:integer共一百四十八頁概念性規(guī)格(gug)說明:console:receiver1.n:command共一百四十八頁概念性規(guī)格(gug)說明ConsoleTransmitterFormatterPanelKnobs*Sender*共一百四十八頁概念性規(guī)格(gug)說明TrainMotor interfaceControllerReceiverDetector*Pulser*Train Set共一百四十八頁詳細規(guī)格(gug)說明Knobs*Train-knob:integerSpeed-knob:integerI

40、nertia-knob:unsigned-integerEmergency-stop:booleanSet-knobs()Sender*Send-bit()Pulser*Pulse-width:unsigned-integerDirection:booleanDetector*read-bit():integer共一百四十八頁詳細(xingx)規(guī)格說明Paneltrain-number():integerspeed():integerinertia():integerestop():booleannew-settings()Motor-interfaceSpeed:integer共一百四十八頁

41、詳細規(guī)格(gug)說明Transmittersend-speed(adrs:integer,speed:integer)Send-inertia(adrs:integer,val:integer)Send-estop(adrs:integer)Receivercurrent:commandnew:booleanread-cmd()new-cmd(msg-type:command)rcv-speed(val:integer)Rcv-inertia(val:integer)共一百四十八頁詳細規(guī)格(gug)說明Formattercurrent-train:integercurrent-speednt

42、rains:integercurrent-inertiantrains:unsigned-integercurrent-etopntrains:booleansend-command()panel-active():booleanoperate()共一百四十八頁詳細(xingx)規(guī)格說明:Knobs:Panel:Formatter:TransmitterSpeed/inertia/EstopRead PanelPanel settingRead PanelPanel settingRead PanelPanel settingRead PanelPanel settingnew setting

43、Panel-activeSend-speedSend-inertiaSend-estopOperateTrain number改變控制改變車編號Set-knobs共一百四十八頁詳細(xingx)規(guī)格說明循環(huán)空轉(zhuǎn)Update-panel()Send-command()Panel-active()改編號改控制Fomatter operate行為狀態(tài)圖共一百四十八頁詳細(xingx)規(guī)格說明Panel*:read-train-number()Panel*:read-speed()Panel*:read-inertia()Panel*:read-estop()ReturnCurrent-train=t

44、rain-knobUpdate-screenChanged=trueCurrent-speed=throttleChanged=trueCurrent-inertia=inertia-knobChanged=trueCurrent-estop=estop-button-valueChanged=true共一百四十八頁詳細(xingx)規(guī)格說明Controllercurrent-train:integercurrent-speedntrains :integercurrent-directionntrains :unsigned-integercurrent-etopntrains :boole

45、anoperate()Issue-command()共一百四十八頁詳細(xingx)規(guī)格說明循環(huán)(xnhun)空轉(zhuǎn)issue-command()Receive-command()Controller operate行為狀態(tài)圖共一百四十八頁詳細(xingx)規(guī)格說明:Receiver:Controller:Motor-interface:PulserSet-pulseSet-pulseSet-pulseSet-pulseSet-pulsePanel-activeRead-cmdNew-cmdCmd-typeRcv-speedoperate共一百四十八頁詳細(xingx)規(guī)格說明CommandTy

46、pe:3-bitsAddress:3-bitsParity:1-bitEstopType=000Set-inertiaType=001Value:3-bitsSet-speedType=010Value:7-bits共一百四十八頁軟硬件協(xié)同(xitng)設(shè)計共一百四十八頁傳統(tǒng)(chuntng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計模型SystemConceptsSys/HWRequire.AnalysisSys/SWRequire.AnalysisOperation.Testing and Eval.SoftwareRequire.AnalysisPrelim.DesignDetailedDesignCoding,

47、Unit test.,Integ. testSW DevelopmentHWCITestingCSCITestingSystemInteg. and testHardwareRequire.AnalysisPrelim.DesignDetailedDesignFabric.HW DevelopmentDOD-STD-2167A共一百四十八頁傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)(xtng)設(shè)計過程傳統(tǒng)軟硬件設(shè)計過程的基本特征:系統(tǒng)在一開始就被劃分為軟件和硬件兩大部分軟件和硬件獨立進行開發(fā)設(shè)計“Hardware first” approach often adopted隱含的一些問題:軟硬件之間的交互受到很大限制軟硬

48、件之間的相互性能影響很難評估系統(tǒng)集成相對滯后，NRE較大因此:Poor quality designs（設(shè)計質(zhì)量差）Costly modifications（設(shè)計修改(xigi)難）Schedule slippages（研制周期不能有效保障）共一百四十八頁傳統(tǒng)(chuntng)設(shè)計過程中的尖銳矛盾隨著設(shè)計(shj)復雜程度的提高，軟硬件設(shè)計(shj)中的一些錯誤將使開發(fā)過程付出昂貴的代價 “Hardware first” approach often compounds software cost because software must compensate for hardware in

49、adequacies共一百四十八頁軟硬件設(shè)計過程發(fā)展方向(fngxing)協(xié)同設(shè)計SystemConceptsSys/HWRequire.AnalysisSys/SWRequire.AnalysisHardwareRequire.AnalysisSoftwareRequire.AnalysisOperation.Testing and EvaluationSW DevelopmentHW DevelopmentSystemInteg. and testHWCITestingCSCITestingFranke91Integrated Modeling SubstrateIntegrated Mo

50、deling SubstratePrelim.DesignPrelim.DesignDetailedDesignDetailedDesignFabric.Coding,Unit test.,Integ. test IEEE 1991共一百四十八頁軟硬件協(xié)同(xitng)設(shè)計的基本需求統(tǒng)一的軟硬件描述方式軟硬件支持統(tǒng)一的設(shè)計和分析工具（技術(shù)）允許在一個(y )集成環(huán)境中仿真（評估）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計支持系統(tǒng)任務在軟件和硬件設(shè)計之間的相互移植交互式軟硬件劃分技術(shù)允許多個不通的軟硬件劃分設(shè)計進行仿真和比較輔助最優(yōu)系統(tǒng)實現(xiàn)方式?jīng)Q策Partitioning applied to modules to bes

51、t meet design criteria (functionality and performance goals)共一百四十八頁軟硬件協(xié)同設(shè)計(shj)的基本需求 (cont.)完整的軟硬件模型基礎(chǔ)Supports evaluation at several stages of the design processSupports step-wise development and integration of hardware and software正確的驗證方法確保系統(tǒng)設(shè)計(shj)達到目標要求共一百四十八頁軟硬件協(xié)同(xitng)設(shè)計的優(yōu)勢在設(shè)計初始階段就可進行軟硬件交互設(shè)計和調(diào)

52、整Provides continual verification throughout the design cycle（貫穿整個設(shè)計周期）Separate HW/SW development paths can lead to costly modifications and schedule slippages關(guān)鍵技術(shù)（如可編程邏輯綜合技術(shù)、器件接口和功能模型描述）的進步 使得軟硬件交互設(shè)計變得簡單(jindn)起來共一百四十八頁典型(dinxng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計過程 SystemIntegrationInstruction set levelHW/SW evaluationUnifie

53、d representation(Data/control flow) HW/SWPartitioning Interface Synthesis Software SynthesisSWHardware SynthesisHW System Description(Functional)Concurrent processesProgramming languages FSM-directed graphs Another HW/SWpartition共一百四十八頁經(jīng)典的軟硬件協(xié)同(xitng)設(shè)計方法Analysis of Constraintsand RequirementsSystem Specs.HW/SWPartitioningHardware Descript.Software Descript.HW Synth. andConfigurationInterface Synthe