9 第四章 嵌入式系统设计-软硬件功能划分
嵌入式系统的硬件与软件设计
嵌入式系统的硬件与软件设计嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被设计为执行特定任务或功能。
它通常包含硬件和软件两个方面的设计。
在本文中，我将回答关于嵌入式系统硬件与软件设计的问题，并尽量用易于理解的术语解释。
1. 嵌入式系统的硬件设计是指如何设计系统的物理组成部分，包括处理器、存储器、输入输出接口等。
硬件设计需要考虑系统的性能、功耗、成本等因素。
常见的硬件设计技术包括电路设计、电子元件选择、布线等。
例如，为了提高系统的性能，可以选择更高频率的处理器或增加更大容量的存储器。
2. 嵌入式系统的软件设计是指如何编写嵌入式系统的程序代码，使系统能够执行特定的任务或功能。
软件设计需要考虑系统的实时性、可靠性、可维护性等。
常见的软件设计技术包括语言选择、算法设计、任务调度等。
例如，为了满足实时性要求，可以采用实时操作系统或编写特定的实时调度算法。
3. 嵌入式系统的硬件与软件之间需要进行紧密的协作。
硬件设计决定了软件的执行环境，而软件设计则需要充分利用硬件的功能。
硬件与软件之间的接口设计是关键，它决定了两者之间如何进行通信和交互。
常见的接口设计技术包括总线设计、中断处理、设备驱动程序等。
例如，通过总线设计可以实现处理器和存储器之间的数据传输。
4. 嵌入式系统的硬件与软件设计需要考虑系统的可扩展性和可重用性。
可扩展性是指系统能够方便地进行功能扩展或性能提升。
可重用性是指系统的硬件与软件组件能够在不同的嵌入式系统中被重复利用。
为了实现可扩展性和可重用性，可以采用模块化设计和标准接口设计。
例如，可以将系统划分为多个模块，每个模块负责一个特定的功能，这样可以方便地进行功能扩展或性能提升。
总结起来，嵌入式系统的硬件与软件设计是相互关联的，需要考虑多个因素，包括性能、功耗、实时性、可靠性等。
硬件设计决定了软件的执行环境，而软件设计则需要充分利用硬件的功能。
硬件与软件之间的接口设计是关键，它决定了两者之间如何进行通信和交互。
嵌入式系统基础了解嵌入式硬件与软件开发
嵌入式系统基础了解嵌入式硬件与软件开发嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到了各种设备中，如家用电器、汽车、医疗设备等。
嵌入式系统既包括硬件部分也包括软件部分，是一门综合性的学科。
本文将介绍嵌入式系统的基础知识，包括嵌入式硬件和软件开发。
一、嵌入式硬件嵌入式硬件是嵌入式系统中的物理部分，它包括处理器、内存、输入输出设备、外围接口等。
下面将逐一介绍这些硬件组成部分。
1. 处理器：嵌入式系统中的处理器通常是一款低功耗、高性能的芯片，如ARM架构的处理器等。
处理器是嵌入式系统的核心，负责执行指令和控制其他硬件设备的工作。
2. 内存：嵌入式系统的内存通常包括RAM和ROM两种。
RAM是用来存储程序和数据的临时存储器，而ROM则是用来存储固化的程序和数据的只读存储器。
3. 输入输出设备：嵌入式系统的输入输出设备可以是触摸屏、键盘、麦克风、摄像头等。
这些设备可以让用户与嵌入式系统进行交互，并获取用户输入的信息。
4. 外围接口：嵌入式系统通过外围接口与外部设备进行通信，如串口、SPI接口、I2C接口等。
外围接口可以连接传感器、执行器等外部设备，实现各种功能。
二、嵌入式软件开发嵌入式软件开发是指在嵌入式硬件上运行的程序的开发过程。
嵌入式软件通常是实时系统，要求对响应时间有很高的要求。
下面将介绍嵌入式软件开发的基本流程以及常用的开发工具。
1. 基本流程：嵌入式软件开发的基本流程包括需求分析、系统设计、编码、调试和测试等步骤。
需求分析是确定系统功能和性能要求的过程，系统设计是根据需求设计软件架构和模块划分，编码是将设计的模块实现成具体的代码，调试和测试是验证软件的正确性和性能是否满足要求。
2. 开发工具：常用的嵌入式软件开发工具有编译器、调试器和仿真器等。
编译器用来编译源代码生成可执行文件，调试器用来调试程序的运行过程，仿真器可以模拟出硬件环境，方便软件的开发和测试。
三、嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛应用于各个领域，下面将介绍几个典型的应用领域。
嵌入式系统软硬件设计
嵌入式系统软硬件设计嵌入式系统软硬件设计是一种专门针对嵌入式系统的设计方法。
嵌入式系统是指集成了专用硬件和软件的计算机系统，用于控制实时操作和实现特定功能。
在这个设计中，软件和硬件之间相互依赖和配合，实现了高效的系统性能和功能。
在嵌入式系统软硬件设计中，首先需要进行需求分析。
根据系统的功能和特点，确定系统所需的软件和硬件功能。
这包括了系统的输入和输出要求，以及系统需要的算法和处理能力。
通过详细的需求分析，可以确保系统设计的正确性和可行性。
接下来，需要进行嵌入式系统的硬件设计。
硬件设计包括了电路设计和硬件布局。
在电路设计中，需要根据系统需求，选择适当的电子元件，并进行电路拓扑设计。
同时，还需要进行电路模拟和测试，以确保电路的正确性和性能。
在硬件布局中，需要考虑电子元件的布局和连接方式，以及布线和散热设计等。
这些工作都需要高度的专业知识和经验。
在完成硬件设计后，就需要进行嵌入式系统的软件设计。
软件设计包括了系统的模块划分和接口设计。
在模块划分中，需要将系统功能划分为不同的模块，并确定模块之间的依赖关系和接口。
接口设计包括了模块之间的函数调用和数据传输方式。
在软件设计中还需要考虑系统的实时性和性能，以及系统的稳定性和可靠性。
在进行软硬件配合设计时，还需要进行系统的集成和测试。
在集成过程中，需要将硬件和软件进行连接，并进行整体测试和调试。
这包括了硬件和软件的接口测试和相互调用的测试。
通过集成和测试，可以发现和解决可能存在的问题，并确保系统的稳定性和可靠性。
总结来说，嵌入式系统软硬件设计是一项复杂而关键的工作。
它需要涉及到电路设计、软件设计、系统集成和测试等多个方面。
只有软硬件相互配合和协作，才能实现嵌入式系统的高效性能和功能。
对于设计人员来说，不仅需要具备专业知识和经验，还需要有良好的分析和解决问题的能力。
只有通过不断的学习和实践，才能不断提高嵌入式系统软硬件设计的水平。
嵌入式系统设计软硬件分开设计
先硬件后软件
❖硬件子系统的设计方法 ▪ 采用自顶向下的方法 •先将硬件分成各部分或模块； •画出一张或多张硬件部件的框图，一 个框图表示一个单独的电路板或电路 板的一部分（如：处理子系统、存储 子系统、外设等模块）
先硬件后软件
❖硬件功能的实现主要有5个关键步骤： ▪ 1. 功能定义； ▪ 2. 原理图设计； ▪ 3. PCB设计； ▪ 4. 制版组装； ▪ 5. 硬件调试。
先硬件后软件
❖3. PCB设计（续） ▪ 当今的PCB板制造技术向高密度、高精 度、细孔径、细导线、细间距、高可靠、 多层化、高速传输、轻量、薄型方向发 展；
▪ 注意合理布局，系统电源入口做高低频 滤波处理，时钟电路尽量靠近芯片，高 速总线走线尽量等长，差分信号线要平 行等长，走线要规范。
先硬件后软件
先硬件后软件
❖3. PCB设计 ▪ PCB（Printed Circuit Board）即 印制电路板 ▪ 是置有集成电路和其他电子组件的薄板。
先硬件后软件
❖3. PCB设计（续） ▪ 根据电路层数分类，PCB分为 •单面板 •双面板 •多层板。常见的多层板一般为4层板或 6层板，复杂的多层板可达十几层。 ▪ 根据软硬进行分类，PCB分为： •普通电路板 •柔性电路板（软板）。
先硬件后软件
❖1. 功能定义 ▪ 根据系统需求确定产品功能。
先硬件后软件
❖2. 原理图设计 ▪ 是硬件设计的中心环节；
▪ 设计之前，要熟悉本系统的特点，清楚 当今电子行业的发展，用最优化的方法 解决每个问题；
▪ 原理图要做到标准化、通用化、模块化、 具有可扩展性；
▪ 原理图设计包括：电源设计、复位电路 设计、时钟电路设计、接口电路设计 （Flash接口、JTAG接口、USB接口、 键盘输入接口、LCD接口、GPS接口等）
嵌入式系统软硬件架构和开发流程
嵌入式系统软硬件架构和开发流程1 嵌入式系统定义嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。
通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。
事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，有些嵌入式系统是由单个程序实现整个控制逻辑（裸跑）。
嵌入式系统是软件和硬件的综合体，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
2 嵌入式系统的构成2.1 硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。
在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。
其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。
2.1.1 嵌入式微处理器嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯∙诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（ReducedInstruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统CISC（ComplexInstruction Set Computer，CISC）。
RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。
全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86等。
2.1.2 存储器嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。
嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器等。
1>CacheCache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。
嵌入式系统的基础知识
嵌入式系统的基础知识嵌入式系统是一种特殊类型的计算机系统，它的设计是为了执行特定的功能，例如：控制家电、汽车系统，医疗设备、工业控制等。
它们通常集成了控制器、传感器、执行器等电子元件与软件，并且运行在嵌入式操作系统下。
在这篇文章中，我们将探讨嵌入式系统的基本知识。
一. 嵌入式系统的构成嵌入式系统的构成主要包含三部分：硬件、软件和操作系统。
硬件：主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入输出（IO）接口、通信接口、传感器、执行器等组成。
软件：它们是嵌入式系统中最重要的部分。
在嵌入式系统中，软件被分为两部分：应用软件和系统软件，其中，应用软件是用来实现用户需求的，而系统软件则是用来管理、控制硬件并协调应用软件的。
操作系统：嵌入式操作系统通常是针对特定应用的，尺寸小、运行速度快，它们与通用操作系统（如Windows或Linux）不同，通常不提供完整的文件系统和图形用户界面（GUI）。
二. 嵌入式系统的特点1. 实时性要求高嵌入式系统通常需要在非常短的时间内完成各种操作。
举例来说，医疗设备必须在极短的时间内提供准确的心电图，汽车防抱死刹车系统必须能够在几毫秒内对车轮做出反应。
实时性是嵌入式系统在市场上成功的关键。
2. 多种输入输出接口输入输出接口是嵌入式系统最重要的组成部分之一，因为这些接口是用来控制硬件和与外部世界联系的。
嵌入式系统通常具有不同类型的接口，例如：数字和模拟输入输出，以及通信接口如UART、I2C、SPI和网络接口等。
3. 尺寸小、功耗低由于嵌入式系统通常被集成到产品中，所以它们的尺寸必须小，并且需要耗电少以保证长时间的运行。
4. 稳定性高嵌入式系统通常需要持续运行数年，同时必须保证稳定性和可靠性，因为它们的系统组成部分与生产过程紧密相关，而崩溃会导致成本大幅增加。
三. 嵌入式系统的设计过程1. 需求分析在嵌入式系统的开发过程中，需求分析是最重要的阶段，因为只有正确地定义了所需求，才能有效地设计嵌入式系统。
嵌入式系统的软硬件结合设计技巧
嵌入式系统的软硬件结合设计技巧嵌入式系统在现代科技领域中扮演着重要的角色，它将计算机硬件和软件有机地结合起来，以实现特定的功能。
在设计嵌入式系统时，软硬件结合的设计技巧至关重要。
本文将介绍一些嵌入式系统软硬件结合设计的关键技巧和注意事项。
首先，正确的软硬件划分是成功设计嵌入式系统的关键。
硬件包括处理器、芯片、电路板等物理组件，而软件则是运行在硬件上的程序。
在进行软硬件划分时，需要根据系统需求和性能要求考虑。
一般来说，需要考虑的因素包括系统的处理能力、存储容量、功耗等。
正确的软硬件划分可以降低系统复杂性，提高系统性能。
其次，软件设计需注重实时性和高效性。
嵌入式系统通常需要对外部环境做出实时响应。
为了满足实时性要求，软件设计应采用实时操作系统（RTOS）或者实时任务调度算法。
此外，编写高效的代码也是提升系统性能的关键因素。
在软件设计中，应避免使用过多的循环和复杂的算法，优化代码结构以提高系统的响应速度和效率。
第三，硬件设计需考虑系统的可靠性和稳定性。
在硬件设计中，需要遵循一些关键原则以确保系统的可靠性。
首先，使用适当的电路保护措施，如使用TVS二极管来防止电压过高引起的损坏。
其次，在电路设计中要考虑EMC（电磁兼容性），以减少不同部分之间的干扰。
此外，设计师还应合理选取和布线元器件，以确保整个系统具有足够的稳定性。
另外，软硬件接口的设计也是嵌入式系统设计中的关键问题。
软硬件接口允许软件与硬件之间进行通信和交互。
在接口设计中，需要考虑数据传输的速率和正确性。
一种常用的接口设计技术是中断机制。
通过使用中断，硬件组件可以在需要的时候触发软件的处理程序，提高系统的响应速度。
此外，也可以采用DMA（直接存储器访问）技术，允许数据在主存储器和硬件之间直接传输，减少了CPU的负担。
最后，嵌入式系统的测试和调试也是设计过程中不可忽视的环节。
为确保系统的正常运行，需要进行全面的测试和调试工作。
软件测试可以通过模拟实际应用场景来验证系统的功能和性能。
嵌入式产品的架构设计与模块划分
嵌入式产品的架构设计与模块划分当谈到嵌入式产品的设计与开发时，架构设计和模块划分是至关重要的。
嵌入式产品通常是指在其中运行软件的专用计算设备，如智能手机、家用电器、汽车控制系统等。
良好的架构设计和模块划分能够提高产品的稳定性、性能和可维护性。
一、架构设计在嵌入式产品的架构设计中，首先需要考虑硬件平台和软件平台的选择。
硬件平台包括处理器、存储器、传感器等硬件组件，而软件平台则包括操作系统、驱动程序、应用程序等软件组件。
选择合适的硬件平台和软件平台可以最大程度地发挥产品的性能，并且降低成本。
其次，在架构设计中需要考虑产品的功能和性能需求。
不同的嵌入式产品有不同的功能和性能需求，因此需要根据具体情况来设计产品的架构。
例如，一款智能手机需要具有快速的处理器和大容量的存储器，而一款家用电器则可能更关注节能和稳定性。
最后，在架构设计中需要考虑产品的扩展性和可靠性。
产品的架构应该具有良好的扩展性，可以方便地添加新的功能模块或硬件组件。
同时，架构设计应该考虑产品的可靠性，避免单点故障，确保产品的稳定运行。
二、模块划分在嵌入式产品的模块划分中，通常会采用模块化设计的方式。
模块化设计将产品分解为多个相互独立的模块，每个模块负责特定的功能。
这样可以降低系统的复杂性，提高开发效率和可维护性。
在模块划分中，需要根据产品的功能和性能需求来划分模块。
通常会将产品分为硬件模块和软件模块，然后再进一步将每个模块分解为更小的子模块。
例如，一个智能家居产品可以划分为传感器模块、控制模块、通信模块等。
除了根据功能和性能需求来划分模块，还需要考虑模块之间的接口和通信方式。
模块之间的接口应该设计清晰、稳定，以确保模块之间正常的通信和数据交换。
同时，模块之间的通信方式也需要谨慎选择，以保证系统的实时性和可靠性。
总而言之，嵌入式产品的架构设计和模块划分是产品设计过程中至关重要的环节。
良好的架构设计和模块划分可以提高产品的性能和稳定性，降低开发成本和维护成本。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
硬件设计 一个独立的硬件设计者能够开发一个IC， 一个独立的硬件设计者能够开发一个 ， 这项工作在以前需要整个项目组开发很多 年的！ 年的！ 导致了新概念、新技术SOC的出现 导致了新概念、新技术 的出现
ASIC-软硬件二元性示例 软硬件二元性示例 ASIC中硬件和控制软件的设计几乎可以 中硬件和控制软件的设计几乎可以 看做都是软件的设计 HDL编译成制作指令，交给硅晶片加工 编译成制作指令， 编译成制作指令 厂 软件（ ， 软件（C，C++，JAVA，Ada， ， ， ， Pascal）被编译成嵌入式控制代码（固 ）被编译成嵌入式控制代码（ 件） 分区的划分是一种工程性的选择而已！ 分区的划分是一种工程性的选择而已！ 最新的ASIC，即FPGA都可以动态可重 最新的 ， 都可以动态可重 配置
另一个角度看软硬件二元性(2) 另一个角度看软硬件二元性 C Compiler Algorithm /Assembler 2. C语言 语言 implements Boolean A,B,C; /Linker/Loader the AND C=A&&B ; 软件实现 function 4. Verilog 语言 Verilog Compiler/ reg C ; IC Design Library/ wire A, B ; IC fabrication 硬件实现 assign C=A&B; Hardware created to implement AND
硬件设计 HDL带来了硬件设计的革命 带来了硬件设计的革命 常见的有Verilog以及 以及VHDL 常见的有 以及 类C，带有实时扩展和硬件实现 ， 将硬件的设计从晶体管和走线的设计中 解脱出来， 解脱出来，变成对算法和状态机的设计 HDL设计的硬件被编译成硅芯片 设计的硬件被编译成硅芯片FAB来生 设计的硬件被编译成硅芯片 来生 产芯片 硅编译
应该采用什么分区方式？ 应该采用什么分区方式？ 风险分析 ASIC一般有 一般有30%的可能性需要二次设 一般有 的可能性需要二次设 计 •$200,000+2月 月 软件开发很难严格按照进度进行 •平均超期 个月 平均超期3个月 平均超期 消费类电子设备的上市期只有4个月 消费类电子设备的上市期只有 个月
需求规格 审核 产品 基线 审核
产品 阶段
概要设计 详细 审核 设计
测试
验证
模块 实现
审核
单元 集成
验证
系统 集成
软硬件划分 嵌入式系统生命周期开始阶段的主要工作 在于软硬件部件之间的划分
软硬件划分 关键部分的设计如果错误将带来产品的失 败
划分：软硬件的二元性 划分： 如何划分嵌入式系统的功能由硬件部件实 现还是由软件实现呢？ 现还是由软件实现呢？ 通常根据速度和费用的要求确定 专用硬件 速度 费用 灵活性 最快 高 低 可配置硬件 快 最高 高 软件 慢 低 最高
晶体管门级个角度看软硬件二元性 1. 逻辑“且” 逻辑“ C为真仅当 是真而且 是真 为真仅当A是真而且 为真仅当 是真而且B是真 2. C语言 语言 Boolean A,B,C; C=A&&B ; 3. Gate Level HW Design A C B 4. Verilog Language Construct reg C ; wire A, B ; assign C = A&B ;
嵌入式系统概论
第四章 嵌入式系统设计 --软硬件功能划分 --软硬件功能划分
制作者
程丽
本章介绍以下内容
软硬件功能划分 软硬件分开设计 软硬件协同设计 实时多任务设计
接下来介绍
软硬件功能划分 软硬件分开设计 软硬件协同设计 实时多任务设计
嵌入式软件的生命期 嵌入式软件的生命期
系统概念
任务书
运行维护 开发 阶段