嵌入式系统设计：功能(néng)和流程

2020-10-30

对于较大區(qū)域中的特定功能(néng)，其设计结合了软件和硬件的嵌入的系统称為(wèi)嵌入式系统设计。在这一设计领域内，源自哈佛计算机體(tǐ)系结构的微控制器在嵌入式系统中扮演着至关重要的角色。

哈佛架构利用(yòng)独特的信号和存储路径来存储其数据和指令。术语“哈佛體(tǐ)系结构”起源于哈佛Mark I计算机（基于中继），该计算机将其数据存储在机電(diàn)计数器中，并在24位宽的穿孔带上存储指令。

总之，嵌入式系统是工程學(xué)的组成部分(fēn)，涉及受物(wù)理(lǐ)约束的计算。这些物(wù)理(lǐ)约束是通过涉及与物(wù)理(lǐ)世界的计算过程的两种类型的交互作用(yòng)产生的：

对我们物(wù)理(lǐ)环境的反应

在物(wù)理(lǐ)平台上执行

我们将这些物(wù)理(lǐ)限制称為(wèi)：

反应约束

执行约束

嵌入式系统功能(néng)

常见的反应约束条件可(kě)确定抖动，期限和吞吐量。这些特定约束的起源来自系统的行為(wèi)要求。但是，典型的执行约束条件限制了可(kě)用(yòng)处理(lǐ)器功率，速度和硬件故障率。这些特定限制的根源来自系统的实施要求。

我们研究计算机工程中的执行约束和控制理(lǐ)论中的反应约束。获得对具有(yǒu)两种类型的约束的计算交互的控制，可(kě)以满足设定的要求，这是嵌入式系统设计的关键。

从本质上讲，系统设计是一个过程（从需求中）得出一个模型的过程，系统可(kě)以从中自动地或多(duō)或少地生成模型。我们将模型定义為(wèi)特定系统的抽象描述。例如，以软件设计為(wèi)例，这是派生要编译的程序的过程。另一个例子是硬件设计，这是得出用(yòng)于合成特定電(diàn)路的硬件描述的过程。

嵌入式系统的过程

总之，嵌入式系统控制着其他(tā)各种電(diàn)子设备，这使其成為(wèi)一个控制器。如您所知，它由嵌入式软件，嵌入式硬件和环境组成。总體(tǐ)而言，嵌入式系统分(fēn)為(wèi)两类：微控制器和微处理(lǐ)器。我们在前面讨论了微控制器起源的基础。但是，微处理(lǐ)器的基础来自冯·诺依曼架构。

冯·诺依曼體(tǐ)系结构的主要元素如下：

将指令和数据存储為(wèi)二进制数字。

将指令和数据存储在主存储器中。

依次从内存中检索指令，即按顺序检索一次。

嵌入式系统设计过程中的步骤

嵌入式系统设计过程中的各个步骤如下：

抽象：在此步骤中，我们抽象与系统有(yǒu)关的问题。

软件+硬件體(tǐ)系结构：在此阶段，我们在初始化设计过程之前已完全了解软件和硬件。

额外的功能(néng)特性：在此阶段，我们评估主要设计以全面了解我们需要实现的其他(tā)功能(néng)。

与系统有(yǒu)关的设计系列：设计系统时，有(yǒu)必要参考同一系列设计中的任何先前与系统有(yǒu)关的设计。

模块化设计：应该进行单独的模块设计，以便以后可(kě)以在需要时使用(yòng)它们。

映射：这是我们进行软件映射的地方；例如，我们将程序流和数据流映射為(wèi)一个。

用(yòng)户界面设计：顾名思义，这与用(yòng)户的需求相关。因此，我们正在考虑用(yòng)户需求，系统功能(néng)和环境分(fēn)析。

优化：在此阶段，我们将优化每个模块和每个组件，以确保软件团队完全理(lǐ)解要满足的要求。

嵌入式系统的计算任務(wù)

如您所知，嵌入式系统是执行计算任務(wù)的关键组件。通常，这是一个微控制器。但是，它很(hěn)可(kě)能(néng)是数字信号处理(lǐ)器，FPGA甚至是微处理(lǐ)器。

请记住，每位嵌入式系统设计人员还需要全面熟悉固件开发。固件开发涉及以下方面：

编写代码：您应该具有(yǒu)汇编语言知识。尽管您没有(yǒu)在汇编中编写代码，但必须理(lǐ)解它。

配置外围设备：由于大多(duō)数嵌入式系统都使用(yòng)外围设备，因此您必须了解它们的工作方式。

测试代码：在这里您可(kě)以系统地测试功能(néng)，同时使设备经受其操作环境典型的环境因素的影响。

改进代码：在这里，我们通过可(kě)能(néng)的调整和更正来改进代码，以确保代码处于功能(néng)状态。

调试代码：在这里我们可(kě)以找到功能(néng)代码中的其他(tā)错误。

验证代码：在此阶段，我们通过提供具有(yǒu)连续随机输入的代码来确认代码是否正确执行，从而确保设备正常运行且没有(yǒu)故障。

嵌入式系统的类型

移动设备

联网设备

独立嵌入式系统

实时嵌入式系统

嵌入式系统的元素或组件

微控制器

数字信号处理(lǐ)器

微处理(lǐ)器

处理(lǐ)器

嵌入式系统设计的挑战

以下是设计人员在设计嵌入式系统时面临的典型挑战：

安全

环境适应性

占用(yòng)面积

能(néng)量消耗

硬件和软件更新(xīn)

包装与整合

设计师还会遇到其他(tā)挑战，这些挑战主要涉及测试，例如：

验证可(kě)维护性

嵌入式硬件测试

验证阶段

嵌入式系统设计需要持久地识别，确定和满足要求。例如，可(kě)能(néng)存在其中需要更長(cháng)電(diàn)池寿命的设备。在这种情况下，嵌入式系统旨在满足这一特定功能(néng)要求。但是，嵌入式系统设计人员有(yǒu)责任识别重要的特性和功能(néng)，然后适当地设计设备。

计算机主板上的CPU芯片使用(yòng)嵌入式系统来提供PC功能(néng)。

幸运的是，在我们的PCB设计和分(fēn)析概述页面上，您一定可(kě)以使您的公司拥有(yǒu)必要的知识，可(kě)以為(wèi)所有(yǒu)适用(yòng)的设计准确地设计嵌入式系统。