嵌入式系統設計：功能和流程

2020-10-30

對于較大區域中的特定功能，其設計結合了軟件和硬件的嵌入的系統稱為嵌入式系統設計。在這一設計領域內，源自哈佛計算機體系結構的微控制器在嵌入式系統中扮演著至關重要的角色。

哈佛架構利用獨特的信號和存儲路徑來存儲其數據和指令。術語“哈佛體系結構”起源于哈佛Mark I計算機（基于中繼），該計算機將其數據存儲在機電計數器中，并在24位寬的穿孔帶上存儲指令。

總之，嵌入式系統是工程學的組成部分，涉及受物理約束的計算。這些物理約束是通過涉及與物理世界的計算過程的兩種類型的交互作用產生的：

對我們物理環境的反應

在物理平臺上執行

我們將這些物理限制稱為：

反應約束

執行約束

嵌入式系統功能

常見的反應約束條件可確定抖動，期限和吞吐量。這些特定約束的起源來自系統的行為要求。但是，典型的執行約束條件限制了可用處理器功率，速度和硬件故障率。這些特定限制的根源來自系統的實施要求。

我們研究計算機工程中的執行約束和控制理論中的反應約束。獲得對具有兩種類型的約束的計算交互的控制，可以滿足設定的要求，這是嵌入式系統設計的關鍵。

從本質上講，系統設計是一個過程（從需求中）得出一個模型的過程，系統可以從中自動地或多或少地生成模型。我們將模型定義為特定系統的抽象描述。例如，以軟件設計為例，這是派生要編譯的程序的過程。另一個例子是硬件設計，這是得出用于合成特定電路的硬件描述的過程。

嵌入式系統的過程

總之，嵌入式系統控制著其他各種電子設備，這使其成為一個控制器。如您所知，它由嵌入式軟件，嵌入式硬件和環境組成?？傮w而言，嵌入式系統分為兩類：微控制器和微處理器。我們在前面討論了微控制器起源的基礎。但是，微處理器的基礎來自馮·諾依曼架構。

馮·諾依曼體系結構的主要元素如下：

將指令和數據存儲為二進制數字。

將指令和數據存儲在主存儲器中。

依次從內存中檢索指令，即按順序檢索一次。

嵌入式系統設計過程中的步驟

嵌入式系統設計過程中的各個步驟如下：

抽象：在此步驟中，我們抽象與系統有關的問題。

軟件+硬件體系結構：在此階段，我們在初始化設計過程之前已完全了解軟件和硬件。

額外的功能特性：在此階段，我們評估主要設計以全面了解我們需要實現的其他功能。

與系統有關的設計系列：設計系統時，有必要參考同一系列設計中的任何先前與系統有關的設計。

模塊化設計：應該進行單獨的模塊設計，以便以后可以在需要時使用它們。

映射：這是我們進行軟件映射的地方；例如，我們將程序流和數據流映射為一個。

用戶界面設計：顧名思義，這與用戶的需求相關。因此，我們正在考慮用戶需求，系統功能和環境分析。

優化：在此階段，我們將優化每個模塊和每個組件，以確保軟件團隊完全理解要滿足的要求。

嵌入式系統的計算任務

如您所知，嵌入式系統是執行計算任務的關鍵組件。通常，這是一個微控制器。但是，它很可能是數字信號處理器，FPGA甚至是微處理器。

請記住，每位嵌入式系統設計人員還需要全面熟悉固件開發。固件開發涉及以下方面：

編寫代碼：您應該具有匯編語言知識。盡管您沒有在匯編中編寫代碼，但必須理解它。

配置外圍設備：由于大多數嵌入式系統都使用外圍設備，因此您必須了解它們的工作方式。

測試代碼：在這里您可以系統地測試功能，同時使設備經受其操作環境典型的環境因素的影響。

改進代碼：在這里，我們通過可能的調整和更正來改進代碼，以確保代碼處于功能狀態。

調試代碼：在這里我們可以找到功能代碼中的其他錯誤。

驗證代碼：在此階段，我們通過提供具有連續隨機輸入的代碼來確認代碼是否正確執行，從而確保設備正常運行且沒有故障。

嵌入式系統的類型

移動設備

聯網設備

獨立嵌入式系統

實時嵌入式系統

嵌入式系統的元素或組件

微控制器

數字信號處理器

微處理器

處理器

嵌入式系統設計的挑戰

以下是設計人員在設計嵌入式系統時面臨的典型挑戰：

安全

環境適應性

占用面積

能量消耗

硬件和軟件更新

包裝與整合

設計師還會遇到其他挑戰，這些挑戰主要涉及測試，例如：

驗證可維護性

嵌入式硬件測試

驗證階段

嵌入式系統設計需要持久地識別，確定和滿足要求。例如，可能存在其中需要更長電池壽命的設備。在這種情況下，嵌入式系統旨在滿足這一特定功能要求。但是，嵌入式系統設計人員有責任識別重要的特性和功能，然后適當地設計設備。

計算機主板上的CPU芯片使用嵌入式系統來提供PC功能。

幸運的是，在我們的PCB設計和分析概述頁面上，您一定可以使您的公司擁有必要的知識，可以為所有適用的設計準確地設計嵌入式系統。