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嵌入式系統設計ppt

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嵌入式系統設計ppt

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這是嵌入式系統設計ppt,包括了嵌入式系統面臨的挑戰,嵌入式系統的設計,嵌入式系統軟硬件協同設計,嵌入式系統節能設計等內容,歡迎點擊下載。

    — 嵌入式系統設計方法
 主要內容
嵌入式系統面臨的挑戰
嵌入式系統的設計
嵌入式系統軟硬件協同設計
嵌入式系統節能設計
嵌入式系統
嵌入式系統:
         以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗諸方面嚴格要求的專用計算機系統。
嵌入式系統特點
嵌入式系統特點:
  軟件硬件協同并行開發
 多種多樣的微處理器
 實時操作系統的多樣性 (RTOS)
 與臺式機相比,可利用系統資源不足
 應用支持很少
 要求特殊的開發工具
 調試很困難
 軟件硬件的魯棒性(健壯性,Robust)
嵌入式系統要解決的主要問題
需要用什么樣的系統結構來實現?
如何滿足時限要求,如何處理多項功能在時間上的協調一致關系?
如何保證系統可靠地工作?
如何滿足系統接口要求,嵌入式應用直接和系統接口輸入輸出信息?
如何降低系統的功耗?
如何使系統可升級? 
嵌入式系統設計的挑戰性問題
軟硬件協同設計
功耗的優化設計
嵌入式操作系統
開發環境
成本和開發周期
代碼優化
高效的輸入和輸出
測試環境
嵌入式系統軟件技術面臨的幾大問題
嵌入式軟件全生命周期開發工具鏈
硬件與軟件的Co-Design: Verilog + C = ?
驅動程序的設計和生成技術(嵌入式軟件開發中最令人頭疼的問題)
嵌入式軟件的可靠性問題: 正確性驗證技術、測試技術、調試技術等(可靠性問題是嵌入式軟件開發的基本問題)
可重構計算(Reconfigurable Computing)技術
可構件化的嵌入式實時操作系統及其開發環境
嵌入式系統的設計
設計流程—自頂向下或自底向上設計
需求分析
作用
使用戶和設計者有效交流、溝通,明確設計目標
設計者 - 設計什么?有哪些要求?
用戶   - 將得到的系統是什么樣的?
目標
形成需求文檔
內容
功能性需求    做什么?
輸入,輸出,功能,……
非功能性需求  其他屬性
可靠性,速度,功耗,……
成本,大小,重量,設計時間, ……
評價標準
正確性
無二義性
完整性
可檢驗性
一致性
可修改性
可追蹤性
需求分析的描述
自然語言
需求說明書
需求分析表
形式化描述
用例圖等
DOORS
例:GPS移動地圖的需求
 規格說明
規格說明與需求的比較
需求的提煉
是可用來創建體系結構的關于系統的更詳盡、更精確、更一致的描述
目標
形成規格說明書
內容
包含系統體系結構設計的足夠信息
規格說明書的描述
自然語言
形式化描述
UML
RSML
SDL
規格說明
需求的精確描述
 描述明確,可理解
 UML (Unified Modeling Language)
統一建模語言是可視化的設計說明語言
統一描述系統的硬件和軟件
 UML 可對系統的功能建模
 可自動產生實際設計的HDL 或C++ 代碼
UML的應用
I-Logix公司的Rhapsody系列產品
基于統一建模語言UML的可視化編程環境
把UML各類視圖映射為具體目標機程序語言
用于復雜實時嵌入式應用軟件從分析、設計一直到代碼實現和軟件測試的開發過程
NASA的火星探路者航天器就是運用Rhapsody在VxWorks上開發應用程序。
系統結構設計
 系統如何實現設計說明書描述的功能
 基于組件的系統結構
 軟件/硬件劃分
 嵌入式系統中軟件和硬件協同完成系統的功能
軟件硬件劃分通常由速度、靈活性以及開銷來決策
嵌入式系統組成
系統結構設計
系統結構設計
作用
實現系統的藍圖,系統整體結構的一個計劃
目標
形成結構設計文檔
內容
系統分析
系統軟硬件整體結構的設計
軟硬件劃分
標準構件和自行設計構件的確定
  評價標準
有彈性
簡單
可實現
層次清晰
功能分布平衡
平衡技術和經濟約束
滿足功能需求和非功能需求
可重用
系統結構的描述
非形式化方式
自然語言
結構框圖
形式化方法
UML建模
系統結構的設計過程及方法
結構化設計方法   以算法為中心,從處理到處理的數據流
從輸入、輸出入手,根據操作和數據流,形成比較粗的系統大框架;
然后逐步細化框架內的每個部分,進一步確定內部模塊的及模塊之間的關系
設計過程應該是逐步細化和逐步完善的過程
面向對象的方法  以類及交互模式為中心
系統軟件結構的設計
結構化方法(SA/SD)
面向對象的方法(OOA/OOD)
UML建模
結構設計的驗證
結構設計的正確性非常關鍵
詳細設計和實現的基礎,對開發周期、成本有很大影響
驗證所關心的問題
結構設計是否滿足功能、性能要求
能否實現
驗證方法
形式化方法
仿真
系統結構
軟件結構
硬件結構
其他方法
如基于開發板的原型系統
系統引入錯誤和修改錯誤開銷分布
軟硬件的劃分
嵌入式系統的設計涉及硬件與軟件部件,設計中必須決定什么功能由硬件實現,什么功能由軟件實現。
硬件和軟件具有雙重性
軟硬件變動對系統的決策造成影響
劃分和選擇需要考慮多種因素
硬件和軟件的雙重性是劃分決策的前提
通常由軟件實現的部分
操作系統功能
任務調度
資源管理
設備驅動
協議棧
TCP/IP
應用軟件框架
除基本系統、物理接口、基本邏輯電路,許多由硬件實現的功能都可以由軟件實現。
雙重性部分
算法
加密/解密
編碼/解碼
壓縮/解壓
……
數學運算
浮點運算, FFT, ……
……
標準構件和自行設計構件
構件的實現
選擇標準
自行設計
標準構件 = ?現成構件
已經產品化
形成規模生產
標準構件 + 自行設計構件 = 用戶系統
構件包括了硬件構件和軟件構件
構件本身可以是層次性的,可以由子構件組成
標準硬構件
硬構件的形式:
IC:集成電路
PCB:印刷電路板
IP:Intellectual Property
標準 IC
CPU, DSP, ……
RAM, ROM, 接口控制器,……
ASIC,……
標準 IP
 CPU核,……
標準模塊
GPRS模塊,GSM模塊,藍牙模塊, ……
顯示模塊,……
標準計算平臺
基于PC104的嵌入式計算機
基于Compact PCI的嵌入式計算機
SOC,……
標準軟構件
OS / RTOS
協議棧
TCP/IP
路由協議
H.323
……
圖形開發包
VxWorks的ZINK
……
驅動程序
自研硬構件
內容
邏輯電路,專用加速器,……
實現方式
PCB:
IC:PLD  FPGA  ASIC,……
EDA設計工具
板級:
原理圖設計工具
PCB設計工具
IC
硬件描述語言: VHDL,Verilog
原理圖描述工具
綜合仿真工具
布線器, …………
自研軟構件
BSP
驅動程序
應用程序
……
軟硬件技術對系統結構的影響
硬軟件設計的趨勢——融合、滲透
硬件設計的軟件化
VHDL, Verilog
HANDL-C
軟件實現的硬件化
各種算法的ASIC
對系統設計的影響——協同設計
增加靈活性
增加了風險
嵌入式系統設計者要求
懂得系統的整個構架
 詳細了解硬件的細節
 軟件設計滿足:
 實時要求
 低功耗
 代碼量小
 詳細了解領域知識
嵌入式系統軟硬件協同設計
軟硬件協同設計
軟硬件協同設計
硬件設計工具(EDA工具)
系統級設計工具
Cadence的SPW
System View
模擬電路系統仿真工具
Pspice
EWB
PCB設計工具
Protel
PADs 的Power PCB & Tool Kit
Mentor的Expedition & Tool Kit
可編程邏輯器件設計工具
Mentor FPGA Advantage & ModelSim
Xilinx Foundation ISE & Tool Kit
各種綜合和仿真第三方工具
軟硬件協同設計定義與主要概念
軟硬件協同設計定義
The meeting of system-level objectives by exploiting the trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent design
主要概念
Concurrent(并發):  hardware and software developed at the same time on parallel paths
Integrated(一體化):  interaction between hardware and software developments to produce designs that meet performance criteria and functional specifications
嵌入式系統快速原型設計過程
嵌入式系統快速原型開發的基本要素
系統定義(需求分析)
軟硬件劃分
結構規劃 – 處理器類型, 軟硬件之間的接口類型, 等.
劃分目的 – 滿足系統速度,延遲, 體積,成本等方面的要求.
劃分策略 - high level partitioning by hand, automated partitioning using various techniques, etc.
調度
Operation scheduling in hardware
Instruction scheduling in compilers
Process scheduling in operating systems
軟硬件設計過程中的建模
傳統的嵌入式系統設計模型
傳統的嵌入式系統設計過程
傳統軟硬件設計過程的基本特征:
系統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設計
“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
軟硬件之間的相互性能影響很難評估
系統集成相對滯后,NRE較大
因此:
Poor quality designs(設計質量差)
Costly modifications(設計修改難)
Schedule slippages(研制周期不能有效保障)
傳統設計過程中的尖銳矛盾
隨著設計復雜程度的提高,軟硬件設計中的一些錯誤將使開發過程付出昂貴的代價
“Hardware first” approach often compounds(混合) software cost because software must compensate for(補償) hardware inadequacies(不充分)
軟硬件設計過程發展方向-協同設計
軟硬件協同設計的基本需求
統一的軟硬件描述方式
軟硬件支持統一的設計和分析工具(技術)
允許在一個集成環境中仿真(評估)系統軟硬件設計
支持系統任務在軟件和硬件設計之間的相互移植
交互式軟硬件劃分技術
允許多個不同的軟硬件劃分設計進行仿真和比較
輔助最優系統實現方式決策
將軟硬件劃分應用到模塊設計,以便最佳地實現系統的設計指標。Partitioning applied to modules to best meet design criteria (功能和性能目標)
軟硬件協同設計的基本需求 (續)
完整的軟硬件模型基礎
支持在設計過程中的幾個階段的綜合評價
支持軟硬件逐步的開發和集成
正確的驗證方法
確保系統設計達到的目標要求
典型的軟硬件協同設計過程
經典的軟硬件協同設計方法
軟硬件協同設計的優勢
在設計初始階段就可進行軟硬件交互設計和調整
Provides continual verification throughout the design cycle(貫穿整個設計周期)
Separate HW/SW development paths(開發路線) can lead to costly modifications and schedule slippages(導致代價昂貴的糾錯成本和開發進度的下降)
關鍵技術(如可編程邏輯綜合技術、器件接口和功能模型描述)的進步使得軟硬件交互設計變得簡單起來
軟硬件協同設計技術的現狀
主要問題:
缺乏標準化的表示方法
缺乏好的驗證和評價方法
可能的解決方案:
擴展已有的硬件/軟件語言工具并應用到不同種類情況
擴展形式驗證技術并應用到硬件/軟件領域
基于FPGA的嵌入式系統設計--SOPC設計
軟硬件協同設計基本步驟
HW-SW system involves
Specification(設計描述)
modeling (設計建模)
design space exploration and partitioning
synthesis and optimization(綜合與優化)
Validation(設計驗證)
implementation (設計實現)
軟硬件協同設計基本步驟
Specification(設計描述)
List the functions of a system that describe the behavior of an abstraction clearly with out ambiguity.
Modeling(設計建模)
Process of conceptualizing and refining the specifications, and producing a hardware and software model.
軟硬件協同設計基本步驟
Validation:
 Process of achieving a reasonable level of confidence(置信度) that the system will work as designed.
Takes different flavors per application domain(根據應用領域而不同): cosimulation for performance and correctness(性能與功能的協同仿真)
軟硬件協同設計基本步驟
Implementation:
 Physical realization of the hardware (through synthesis)
and of executable software (through compilation).
協同設計中的軟硬件劃分與調度      (where and when)
A hardware/software partitioning represents a physical partition of system functionality into application-specific hardware and software.
Scheduling is to assign an execution start time to each task in a set, where tasks are linked by some relations.
嵌入式系統的節能設計         (硬件節能、軟件節能)
嵌入式系統的節能設計
節能計算成為嵌入式系統設計、系統軟件重點考慮的基本方面:
節能計算包括:
硬件體系結構支持
在小巧外形尺寸下,如何實現所需電源性能的工藝和技術
熱管理、降噪、電池管理和功能整合
軟件支持
節能編譯
操作系統
節能策略
現狀
電源管理策略
面向PC、筆記本電腦、服務器、通信設備的刀片服務器
APM:高級電源管理方案
ACPI:高級配置和電源接口
根據嵌入式系統模型定制節能技術非常缺乏,甚至在某些方面是空白
手持設備電源管理
電池壽命不等同于電源管理的成效
性能、多媒體系統、數碼攝像
新增功能增加系統的耗電量
縮短電池壽命
影響因素
CPU 功能
系統軟件
中間件
管理策略
傳統手持設備管理策略
處理器時鐘變慢
操作系統轉入待機、睡眠狀態
動態電源管理 (DPM)
調整內核電壓和頻率
高性能存儲器
彩色顯示器
無線接口
固化為通用電源管理IC
軟件節能策略
預測什么時候設備的未來使用狀況或者使用率
“time-out”策略預測特定的時間長度
基于GSPN網絡和HMM的技術
Montavista
基于linux
通用性強,但是嵌入式系統定制性強,效果不佳
能耗測試
測試出每條指令的能耗,估計測試程序運行完的總能耗
測試出每個函數的能耗,然后利用這些函數作為標準去估計其他函數運行的能耗
節能操作系統
目的
保證操作系統實時性的前提下,完成能耗計算
調度算法的節能優化
中斷處理優化
低功耗文件系統
CPU 電壓和頻率調節會給實時性能帶來了嚴峻挑戰
可能造成不穩定
“重新鎖定”鎖相環路和其它動態時鐘機制需要時間,造成了很長的等待時間(有時是毫秒級別)
鎖定期間 CPU 既不能執行計算操作,又不能響應外部事件(中斷)
每一軟件
相應的手機最低電壓
CPU頻率
相應設備
通過動態的調節CPU的內核頻率與內核電壓,以及動態的關閉系統的某些設備和調整某些設備的狀態
外設驅動
針對不同功能部件的能耗,進行合理的功耗優化
從電池開始,嚴格和精確地電量測量
根據外設特征研究不同的電源管理策略下的驅動
現有情況
硬件產品有幾種狀態定義
狀態提供不同的服務質量和消耗的能量
提供各種狀態之間的轉換接口
算法目標
實現狀態轉換的節能策略
減少待機能耗
人工智能技術的應用
通過軟件來動態的預測和控制某些部件的開關
節能通訊協議棧
連接干預
節能的傳輸調度算法
緩沖區技術
局部性原理與預取
低功耗壓縮算法
節能編譯
對每條指令的能耗進行測試
對函數編譯結果的能耗進行估計
錯誤處理代碼的能耗設計
基于ICE進行函數執行代碼統計
 

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《嵌入式系統設計ppt》是由用戶冬灼于2017-10-10上傳,屬于儀器設備PPT。

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