基于硬件构件的嵌入式系统开发方法

基于硬件构件的嵌入式系统开发方法

什么是嵌入式？嵌入式系统的全称是嵌入式计算机系统，一种嵌入式系统的常见定义是：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，对系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式软件复杂度的增长对嵌入式软件开发技术的提高提出了迫切的要求。虽然软件工程在嵌入式领域的发展远远落后于其他领域，但近几年不少学者试图将软件工程中的基于构件的开发思想引入到嵌入式领域，为嵌入式软件开发提供理论支撑。但是，这方面的研究还刚刚起步，有关嵌入式软件设计建模及规范的理论与应用研究将成为嵌入式软件工程的研究热点。嵌入式软件工程的研究目标是建立起一套规则，规范程序的编写，减少工作的重复，提高软件的可移植性和可维护性，减少系统开发时间。

目前，人们研究的嵌入式软件开发方法大多建立在嵌入式操作系统基础上，而对于很多专用领域的嵌入式系统而言，由于Flash 容量较小，结构和功能相对比较单一，无需操作系统的支持，因此与硬件打交道的底层驱动程序往往需要设计人员自己编写。目前有关底层驱动程序编写规范的研究很少。对于嵌入式系统工程师而言，开发出稳定、完备的驱动程序不仅需要有丰富的开发经验和熟练的开发技能，更需要一个具有指导作用的驱动程序开发模型。本文的主要内容在于对于嵌入式系统开发遇到的若干问题，以个人浅见探讨面向硬件的开发模式、硬件构件的设计实现过程、设计时需要考虑的基本问题、硬件构件化电路原理图绘制的简明规则以及硬件构件内部低功耗设计策略。

目前，嵌入式系统开发主要存在以下两大问题：

1.硬件设计缺乏重用支持。导致件设计缺乏重用支持的主要原因是：目前缺少可供硬件设计工程师们共同遵守的设计规范。设计人员往往根据自己的工作经验和习惯的积累进行系统硬件电路的设计。在开发完一个嵌入式应用系统再进行下一个应用开发时，硬件电路原理图往往需要从零开始，重新绘制；即使在同一个类似的原理图上修改，往往也很麻烦，容易出错。

2.驱动程序可移植性差。驱动程序的开发在嵌入式系统的开发中具有举足轻重的地位，长期以来，开发人员在编写驱动程序时缺少软件工程思想的支撑，软、硬件设计过程孤立，造成与硬件密切相关的底层软件缺乏通用性，可移植性和可复用性较差，开发过程中缺少标准化、文档化的管理，给开发人员之间的交流以及日后系统的维护带来很大的困难。

面向硬件的开发模式

1.适用情况

a)开发没有操作系统的目标机上的应用程序。

b)开发目标系统的硬件测试程序，验证目标系统的正确性。

c)开发BootLoarder程序。

2.需要的工具

a)硬件调试器。

b)汇编语言/高级语言交叉编译器。

c)模拟器和仿真器。

d)开发主机。

3.开发场景

面向硬件的开发场景如图所示：

此种开发模式适合开发目标机上没有安装操作系统的应用程序，在开发主机上完成程序的编写、编译后可以通过ICE工具直接下载到目标系统上进行在线运行和调试。

这种开发模式的优点是可以对程序进行实时仿真和测试，可以直接对硬件进行调试。缺点是需要购买硬件调试工具（如ICE），调试时必须要有目标系统。

面向硬件的开发模式主要是用于目标系统的硬件调试和BootLoarder的调试，当这些工作完成后，就可以转入面向操作系统的开发模式。

硬件构件的设计实现过程

基于硬件构件的嵌入式硬件系统设计方法可分为构件实现过程(硬件构件开发)和应用构件过程(使用硬件构件设计嵌入式硬件系统)两个独立的子过程，两个子过程通过硬件构件库联系起来。

硬件构件实现过程的灵感来源于构件化的软件开发技术，它是嵌入式系统硬件设计的基础。其主体设计思想是：在嵌入式系统开发过程中，先将具体的功能模块按照硬件构件的模型设计成相应的硬件构件，其硬件构件的概念模型见图3.2(对应图3.1 的硬件构件模型结构)；再将这些封装好的硬件构件添加到硬件构件库中。

接口是硬件构件与外部的通信渠道，是连接两个硬件构件的桥梁，它包括信号输入接口和信号输出接口。接口由接口标识和接口对应实体组成，接口对应实体就是接口对应的硬件构件，来源于构件库；而接口标识是每一个接口的标号，具有唯一性。反映到具体的嵌入式硬件系统设计中，接口对应实体就是各个功能模块，而接口标识就是功能模块的输入/输出接口的网标。当具体使用硬件构件时，设计者只要通过阅读硬件构件的模块描述，了解构件的功能，再根据实际需要修改接口，即可实现硬件构件的应用。

硬件构件的实现过程是为嵌入式硬件系统设计提供具有重用性的硬件功能模块的过程，是一种系统的生产硬件模块的过程，是一种开发嵌入式硬件系统的新方法，如图3.3 给出硬件构件实现过程的示意图。硬件构件的实现过程与传统嵌入式硬件系统开发过程在本质上是相同的，其最大区别在于这个设计过程强调硬件构件的重用性。因为，在实际嵌入式系统开发过程中，存在大量重复使用的功能模块，所以将这些模块设计成容易理解的、具有足够通用性、能够方便修改、发布和替换的硬件构件，能够大大简化嵌入式系统的硬件开发，减少开发过程中消耗。

设计时需要考虑的基本问题

1.MCU的选择

选择MCU所能够完成的功能、MCU功能、价格、功耗、供电电压、I/O口电平、管脚数目、

MCU的封装、电气性能等因素。

2.电源

a)考虑系统对电源的需求。

b)考虑芯片与器件对电源波动性的需求。

c)考虑工作电源是使用电源模块还是使用外接电源。

3.普通I/O接口

a)上拉、下拉电阻：考虑用内部或者外部上下拉电阻，内部上下拉阻值一般在700欧

姆左右，低功耗模式不宜使用。

b)开关量输入。一定要保证高低电压分明。

c)开关量输出。高电平接近电源电压，低电平接近地电平。

4.A/D电路与D/A电路

a)A/D电路：要清楚前端采样基本原理，对电阻型、电流型和电压型传感器采用不同

的采集电路。

b)D/A电路：考虑MCU的引脚通过何种输出电路控制实际对象。

硬件构件化电路原理图绘制的简明规则

1.硬件构件设计的通用规则

a)元器件命名格式：对于核心构件，其元器件直接编号命名，同种类型的元件命名时

冠以相同的字母前缀。

b)为硬件构件添加详细的文字描述，包括中文名称、英文名称、功能描述、接口描述、

注意事项等，以增强原理图的可读性。

c)将前两步产生的内容封装在一个虚线框内，组成硬件构件的内部实体。

d)为该硬件构件添加与其它构件交互的输入/输出接口标识。

2.核心构件设计规则

核心构件设计的目标是：凡是使用该MCU进行硬件系统设计时，核心构件可以直接“组装”到系统中，无须任何改动。

3.中间构件设计规则

中间构件是核心构件与终端构件之间通信的桥梁。既要有接受其它构件提供的服务的接口，又要有为其他构件提供服务的接口将构件的需求接口放置在构件实体的左侧，提供接口放置在右侧。

4.终端构件设计规则

终端构件是嵌入式系统中最常见的构件。有与上一级构件交互的需求接口，因而接口标识均为斜体标注的接口注释，例如LCD、LED、指示灯构件。

5.使用硬件构件组装系统的方法

使用硬件构件化思想设计嵌入式硬件系统的过程是：

a)根据系统的功能划分出若干个硬件构件。

b)将所有硬件构件原理图“组装”在一起。

c)为中间构件和终端构件添加接口网标。

硬件构件内部低功耗设计策略

进行硬件构件设计时，要想有效的降低功耗，最直接的方法是了解相关元器件的功耗，选择低功耗的元器件来完成设计。低功耗硬件的选择要从以下几个方面考虑：

1.选择低功耗的元件

对于嵌入式系统设计而言，从硬件角度降低功耗最直接的方法是了解相关元件

的功耗指标，选择低功耗元件可以从根本上降低整个系统的功耗。电路设计时尽量

选用低功耗的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性氧化金属

半导体)元件，并且不用的引脚不要悬空，以防悬空的输入端可能存在的感应信号造

成高低电平的转换而消耗能量。

2.分时/分区供电技术

一个嵌入式系统有多个功能单元组成，每个单元并非时时刻刻工作，采用分时/分区供电技术合理给各单元供电，减少不必要的能源消耗。

3.接口电路

接口电路功耗方面包括上拉电阻/下拉电阻、对悬空脚的处理等方面。在能够正常驱动的情况下，尽可能选取阻值大的上拉电阻；而当一信号多数情况下为低时，选择下拉电阻以降低功耗。悬空引脚不仅会增大功耗，还有可能因电平变化影响系统正常运行，所以正确方法是将未使用的引脚接地或过电阻接VCC。

尽管从硬件角度解决低功耗问题是嵌入式系统低功耗设计最直接的方法，但是在整个系统设计应用时也不能忽视软件方面的低功耗设计。在嵌入式系统设计过程中，软件的优化设计对最终产生的功耗的多少有着决定性作用。