12、嵌入式系统设计：从基础到实践

嵌入式系统设计：从基础到实践

在嵌入式系统设计领域，我们面临着诸多挑战和机遇。为了设计出满足需求的复杂嵌入式系统，我们需要深入了解设计方法论、需求分析、系统规范以及质量保证等方面的知识。

1. 嵌入式系统设计的重要性与挑战

嵌入式系统在现代生活中无处不在，从常见的消费电子产品到航空航天等关键领域都有广泛应用。然而，大多数嵌入式系统设计都具有很高的复杂性，因为它们不仅要满足丰富的功能需求，还要考虑成本、性能等多方面的要求。因此，我们需要有效的方法论来指导设计决策。

2. 设计方法论

设计方法论对于确保产品的顺利交付至关重要。不同的设计流程和方法各有特点，下面为你详细介绍几种常见的设计方法。
- 瀑布模型 ：这是最早提出的软件开发模型，包含需求分析、架构设计、编码、测试和维护五个主要阶段。它的优点是从高抽象层次到详细设计步骤的单向工作流，理论上能在早期设计阶段对实现有良好的预见。但实际上，大多数设计项目需要实验和修改，需要自下而上的反馈，所以瀑布模型如今被认为不太符合实际设计过程。其流程如下：

graph LR
    A[需求分析] --> B[架构设计]
    B --> C[编码]
    C --> D[测试]
    D --> E[维护]

• 螺旋模型 ：与瀑布模型不同，螺旋模型假设系统会构建多个版本。早期版本是简单的模型，用于帮助设计师积累经验。随着设计的推进，系统会逐渐变得更加复杂。在每个设计层次，设计师都要经历需求、构建和测试阶段。这种迭代方法更符合实际设计过程，但如果迭代次数过多，可能会导致设计时间过长。
• 连续细化模型 ：该方法通过多次构建系统来逐步细化设计。首先构建一个粗略的原型，然后不断完善。这种方法适用于对应用领域不太熟悉的情况，通过构建多个复杂程度逐渐增加的系统来测试架构和设计技术。
• 硬件/软件联合设计方法 ：嵌入式系统通常涉及硬件和软件的设计。在这种设计方法中，前端活动如规范和架构同时考虑硬件和软件方面，后端的集成和测试则考虑整个系统。而在中间阶段，硬件和软件开发可以相对独立进行。
• 层次化设计流程 ：复杂的嵌入式系统通常由多个较小的设计组成，设计流程遵循系统的抽象层次。每个层次的设计流程都包含从规范到测试的完整过程，不同团队负责不同层次的设计，团队之间的沟通至关重要。
• 并行工程 ：并行工程旨在优化整个设计流程，减少设计时间，提高系统的可靠性、性能和功耗等方面。它通过跨职能团队、并行产品实现过程活动、增量信息共享和使用、集成项目管理、早期供应商参与和客户关注等要素来实现。例如，AT&T在电话系统设计中应用并行工程，通过基准测试、突破改进、当前流程特征化、创建目标流程、验证新流程、在产品线中实施和测量结果等步骤，成功将产品开发时间从18 - 30个月缩短到11个月。

3. 需求分析

在设计系统之前，准确了解需求是关键。需求分为功能性需求和非功能性需求。功能性需求明确系统必须完成的任务，如计算FFT；非功能性需求则包括物理尺寸、成本、功耗、设计时间、可靠性等多个方面。
一个好的需求文档应满足以下几个标准：
- 正确性 ：准确描述客户需求，避免过度要求。
- 明确性 ：文档清晰，只有一种明确的解释。
- 完整性 ：包含所有需求。
- 可验证性 ：有经济有效的方法确保每个需求在最终产品中得到满足。
- 一致性 ：需求之间不相互矛盾。
- 可修改性 ：文档结构便于修改，同时保持一致性和可验证性。
- 可追溯性 ：能够追溯需求的来源和在实现中的满足情况。

确定需求的方法有很多，与客户直接沟通是非常重要的一环。可以通过调查、组织焦点小组或让客户测试模型等方式来获取需求。

4. 系统规范

系统规范是将需求转化为更详细、精确和一致的描述，以便用于创建架构。以下介绍几种规范方法：
- 面向控制的规范语言
- SDL语言 ：这是一种广泛应用于通信行业的状态机规范语言，用于指定通信协议、电话系统等。SDL规范包括状态、动作以及状态之间的条件和无条件转换，是一种基于事件的状态机模型。
- Statechart ：它引入了一些重要概念，如状态分组。有OR和AND两种基本分组方式。OR状态可以表示多个状态的共性，简化状态转换的描述；AND状态将系统状态视为多维，能更清晰地展示状态之间的关系。
- AND/OR表 ：用于描述状态之间的关系，通过表格中的列来表示AND项，使用don’t - care来明确表示无关条件，有助于识别规范表中的问题。
- 高级规范示例 ：以TCAS II（交通警报和防撞系统）为例，这是一个用于飞机的安全关键系统。该系统的规范采用了修改后的Statechart符号，明确了输入和输出，并使用过渡总线来表示状态之间的转换。系统分为多个状态和子系统，如电源关闭、电源开启、待机和完全运行等状态，以及自身飞机子系统、跟踪其他飞机的子系统和跟踪地面站的子系统。

5. 系统分析与架构设计

将规范转化为架构设计是系统设计的重要环节，CRC卡方法是一种非常有用的系统分析方法。
- CRC卡方法 ：CRC代表类（Classes）、职责（Responsibilities）和协作者（Collaborators）。该方法鼓励数据和功能的封装，适用于面向对象设计。具体步骤如下：
1. 开发初始类列表 ：写下类名和简要描述，区分真实世界对象和架构对象。
2. 编写初始职责和协作者列表 ：职责列表详细描述类的功能，协作者列表列出与该类交互的其他类。
3. 创建使用场景 ：描述系统的操作，通常从外部刺激开始。
4. 遍历场景 ：团队成员模拟场景，通过行动来更新和细化类、职责、协作者和使用场景。
5. 细化类、职责和协作者 ：在遍历场景后进行二次检查，进行更全局的修改。
6. 添加类关系 ：明确子类和超类关系。

以电梯系统为例，我们可以使用CRC卡方法进行分析。电梯系统的类包括电梯轿厢、乘客、楼层控制、轿厢控制、轿厢传感器等真实世界类，以及轿厢状态、楼层控制读取器、轿厢控制读取器、轿厢控制发送器和调度器等架构类。每个类都有相应的职责和协作者，通过创建使用场景并遍历，可以完善系统的设计。

类	职责	协作者
电梯轿厢*	上下移动	轿厢控制、轿厢传感器、轿厢控制发送器
乘客*	按下楼层控制和轿厢控制按钮	楼层控制、轿厢控制
楼层控制*	传输楼层请求	乘客、楼层控制读取器
轿厢控制*	传输轿厢请求	乘客、轿厢控制读取器
轿厢传感器*	感应轿厢位置	调度器
轿厢状态	记录轿厢当前位置	调度器、轿厢传感器
楼层控制读取器	楼层控制与系统其余部分的接口	楼层控制、调度器
轿厢控制读取器	轿厢控制与系统其余部分的接口	轿厢控制、调度器
轿厢控制发送器	调度器与轿厢之间的接口	调度器、电梯轿厢
调度器	根据请求向轿厢发送命令	楼层控制读取器、轿厢控制读取器、轿厢控制发送器、轿厢状态

6. 质量保证

质量保证是确保系统设计质量的关键环节，贯穿整个设计流程。
- 质量保证技术
- ISO 9000标准 ：这是国际标准化组织制定的一套质量标准，适用于广泛的行业。它注重过程管理，包括过程的明确性、文档化和沟通，以确保产品或服务的质量。
- 能力成熟度模型（CMM） ：由卡内基梅隆大学软件工程研究所开发，用于评估组织的软件开发过程成熟度。它分为初始、可重复、定义、管理和优化五个级别，为组织提供了一个自我评估和改进的基准。
- 验证规范 ：在设计过程早期验证需求和规范非常重要，因为早期的错误如果在后期才发现，修复成本会非常高。可以通过构建原型、使用规范语言、与现有系统进行比较等方法来验证需求和规范。同时，审计工具、使用场景分析和形式化技术也有助于确保规范的正确性、完整性和一致性。
- 设计评审 ：设计评审是质量保证过程中的重要环节，是一种低成本的早期发现错误的方法。评审团队包括设计师、评审领导者、记录员和评审观众。在评审会议前，设计师准备相关文档并分发给团队成员。会议中，设计师介绍设计，观众检查各个层面的问题。会议结束后，设计师根据评审意见修改设计，评审领导者协调跟进工作。

通过深入理解这些设计方法论、需求分析、系统规范和质量保证等方面的知识，我们能够更好地应对嵌入式系统设计中的挑战，设计出高质量的嵌入式系统。在后续的实践中，我们还将通过一系列的问题和实验来进一步巩固和应用这些知识。

7. 问题与实验

为了更好地理解和应用上述知识，下面为你提供一些相关的问题和实验。
- 问题
- 不同速率活动识别 ：需要识别DVD播放器、激光打印机和飞机中以不同速率运行的活动。
- 嵌入式系统类型 ：找出需要周期性和非周期性计算的嵌入式系统。
- 采样率计算 ：已知音频系统的采样率，计算对系统前面板进行采样的合适速率，以简化系统调度分析并对用户请求做出及时响应。
- UML图绘制 ：包括绘制操作系统中进程的UML类图、任务图、UML序列图和UML状态图等。
- 任务集利用率计算 ：计算不同任务集的利用率，判断系统是否能够满足所有任务的截止时间要求。
- 系统定时器中断周期分析 ：分析影响系统定时器中断周期上下限的因素。
- 进程状态区分 ：解释进程调度中就绪状态和等待状态的区别。
- 进程调度场景分析 ：根据给定的进程状态变化，绘制UML序列图，分析系统的调度情况。
- 进程通信示例 ：提供阻塞和非阻塞进程间通信的示例。
- 最短检查间隔计算 ：对于给定的周期性进程，计算能够看到所有截止时间组合的最短间隔。
- 调度策略应用 ：使用速率单调调度（RMS）和最早截止时间优先（EDF）策略对周期性进程进行调度，并比较不同策略的性能。
- CPU利用率优化 ：确定在满足所有进程可调度的情况下，某个进程的最大执行时间。
- 缓存冲突控制 ：探讨减少两个进程中计算密集部分之间缓存冲突的方法。
- 优先级继承调度 ：解释在两个进程共享I/O设备的情况下，实时操作系统如何使用优先级继承来调度进程。
- 中断处理机制解释 ：说明中断服务例程和中断服务处理程序在中断处理中的作用。
- RTOS设计方法解释 ：简要介绍实时操作系统的双内核设计方法。
- WinCE内核执行单元 ：了解WinCE中的内核级执行单元。
- 信号编码方法 ：说明如何使用自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）方法对恒定信号进行编码。
- 实验
- 进程创建实验 ：使用喜欢的操作系统编写代码，创建一个进程，使其在屏幕上输出“Hello, world”或闪烁LED。
- 串口设备实验 ：构建一个小型串口设备，根据串口输入的最后一个字符点亮LED，并创建一个进程根据键盘输入点亮LED。
- 驱动程序编写实验 ：为I/O设备编写驱动程序。
- 上下文切换代码编写实验 ：为喜欢的CPU编写上下文切换代码。
- 上下文切换开销测量实验 ：测量操作系统中的上下文切换开销。
- CPU利用率实验 ：使用采用RMS或EDF调度策略的操作系统，尝试将CPU利用率提高到100%，并通过改变数据到达时间来测试系统的鲁棒性。
- 缓存冲突影响测量实验 ：测量缓存冲突对实时执行时间的影响，通过添加不同的后台进程来观察缓存冲突的效果。

通过解决这些问题和进行实验，我们可以将理论知识应用到实际中，加深对嵌入式系统设计的理解和掌握。在实践过程中，我们还可以不断总结经验，进一步优化设计方法和系统性能。

嵌入式系统设计：从基础到实践

8. 深入剖析问题与实验的实际应用

在前面我们了解了众多关于嵌入式系统设计的理论知识以及相关的问题和实验，下面我们进一步深入剖析这些问题和实验在实际应用中的意义和操作要点。

8.1 问题的实际意义与解答思路

• 不同速率活动识别 ：在实际的嵌入式系统中，识别不同速率的活动有助于合理分配资源和优化系统性能。例如，在DVD播放器中，光盘的旋转速度、视频解码速度和音频解码速度可能不同。通过识别这些不同速率的活动，我们可以确保各个组件的协调工作，避免出现数据处理瓶颈。对于激光打印机，纸张传输速度、打印头移动速度和数据处理速度也存在差异，合理安排这些活动的速率可以提高打印效率。在飞机中，飞行控制系统、导航系统和通信系统的运行速率各不相同，准确识别这些速率对于飞行安全至关重要。
• 嵌入式系统类型 ：需要周期性和非周期性计算的嵌入式系统在很多领域都有应用，如工业自动化、智能家居等。周期性计算可以用于定时任务，如传感器数据的定时采集；非周期性计算则可以处理突发事件，如设备故障报警。通过找出这类嵌入式系统，我们可以根据其特点设计合适的调度算法，确保系统的实时性和稳定性。
• 采样率计算 ：在音频系统中，合适的采样率对于系统的性能和用户体验至关重要。计算对系统前面板进行采样的速率时，我们需要考虑系统的响应时间和调度分析的简化。一般来说，采样率应该足够高以确保能够及时响应用户的请求，但又不能过高导致系统资源的浪费。可以根据音频系统的处理能力和用户操作的频率来确定合适的采样率。
• UML图绘制 ：UML图是嵌入式系统设计中常用的工具，它可以帮助我们直观地表示系统的结构和行为。绘制操作系统中进程的UML类图可以清晰地展示进程的属性和行为，有助于理解系统的内部机制。任务图可以描述任务之间的依赖关系和执行顺序，为系统的调度提供依据。UML序列图和状态图则可以分别展示进程的交互过程和状态变化，帮助我们分析系统的动态行为。
• 任务集利用率计算 ：任务集利用率是衡量系统资源使用情况的重要指标。通过计算不同任务集的利用率，我们可以判断系统是否能够满足所有任务的截止时间要求。如果利用率过高，可能会导致任务无法按时完成，影响系统的性能和可靠性；如果利用率过低，则说明系统资源没有得到充分利用。在实际应用中，我们可以根据任务的优先级和执行时间来调整任务集的分配，以提高系统的利用率。
• 系统定时器中断周期分析 ：系统定时器中断周期的上下限受到多种因素的影响。下限主要由系统的响应时间和上下文切换开销决定，为了确保系统能够及时响应外部事件，中断周期不能过长。上限则受到系统的稳定性和资源利用率的限制，如果中断周期过短，会导致系统频繁进行上下文切换，增加系统的开销。在设计系统时，需要综合考虑这些因素，选择合适的中断周期。
• 进程状态区分 ：理解进程调度中就绪状态和等待状态的区别对于优化系统性能至关重要。就绪状态表示进程已经准备好执行，只等待CPU资源；等待状态则表示进程正在等待某个事件的发生，如I/O操作完成。通过合理区分这两种状态，我们可以更好地调度进程，提高CPU的利用率。
• 进程调度场景分析 ：根据给定的进程状态变化绘制UML序列图，可以帮助我们分析系统的调度情况。通过观察序列图，我们可以发现系统中可能存在的问题，如进程的阻塞时间过长、上下文切换过于频繁等。然后，我们可以根据分析结果对系统的调度算法进行调整，优化系统的性能。
• 进程通信示例 ：阻塞和非阻塞进程间通信在不同的场景中有不同的应用。阻塞通信会使发送进程或接收进程在通信过程中处于阻塞状态，直到通信完成；非阻塞通信则允许进程在通信过程中继续执行其他任务。在实际应用中，我们需要根据系统的需求选择合适的通信方式，以提高系统的效率和响应能力。
• 最短检查间隔计算 ：对于周期性进程，计算能够看到所有截止时间组合的最短间隔可以帮助我们确定系统的调度周期。通过合理设置调度周期，我们可以确保系统能够及时处理所有任务，避免任务的错过截止时间。
• 调度策略应用 ：速率单调调度（RMS）和最早截止时间优先（EDF）是两种常用的调度策略。RMS根据任务的周期分配优先级，周期越短优先级越高；EDF则根据任务的截止时间分配优先级，截止时间越早优先级越高。在实际应用中，我们需要根据任务的特点和系统的需求选择合适的调度策略。例如，对于周期性任务较多的系统，RMS可能是一个较好的选择；对于非周期性任务较多的系统，EDF可能更合适。
• CPU利用率优化 ：确定在满足所有进程可调度的情况下，某个进程的最大执行时间可以帮助我们充分利用CPU资源。通过合理分配每个进程的执行时间，我们可以在保证系统实时性的前提下，提高CPU的利用率。
• 缓存冲突控制 ：缓存冲突会影响系统的性能，特别是在多进程环境中。为了减少缓存冲突，我们可以采取两种方法：一是控制进程的代码和数据在内存中的布局，避免不同进程的缓存足迹重叠；二是调整缓存的替换策略，优先保留常用的数据和代码。
• 优先级继承调度 ：在两个进程共享I/O设备的情况下，优先级继承调度可以避免优先级反转问题。当低优先级进程持有高优先级进程所需的资源时，低优先级进程会临时提升其优先级，以确保高优先级进程能够及时获得资源，提高系统的实时性。
• 中断处理机制解释 ：中断服务例程和中断服务处理程序在中断处理中起着不同的作用。中断服务例程是处理中断的具体代码，它负责完成中断的主要任务；中断服务处理程序则负责保存和恢复现场，确保中断处理的正确性和完整性。理解这两者的作用可以帮助我们设计高效的中断处理机制。
• RTOS设计方法解释 ：双内核设计方法是一种常见的实时操作系统设计方法。它将内核分为两个部分：一个是实时内核，负责处理实时任务；另一个是非实时内核，负责处理非实时任务。通过这种分离，可以提高系统的实时性和稳定性。
• WinCE内核执行单元 ：了解WinCE中的内核级执行单元可以帮助我们更好地开发基于WinCE的嵌入式系统。内核级执行单元包括线程、进程和中断服务例程等，它们是系统运行的基本单位。
• 信号编码方法 ：使用自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）方法对恒定信号进行编码可以有效地压缩数据。ADPCM根据信号的变化情况动态调整编码参数，从而提高编码效率。在实际应用中，我们可以根据信号的特点选择合适的编码字母表，以达到最佳的编码效果。

8.2 实验的操作步骤与注意事项

• 进程创建实验 ：使用喜欢的操作系统编写代码创建进程时，需要注意以下几点。首先，要了解操作系统提供的进程创建函数，如在Linux系统中可以使用 fork() 函数。其次，要确保进程的创建和销毁过程正确，避免出现内存泄漏等问题。以下是一个简单的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("Hello, world from child process!\n");
    } else {
        // 父进程
        printf("Hello, world from parent process!\n");
    }
    return 0;
}

• 串口设备实验 ：构建小型串口设备并创建进程根据键盘输入点亮LED时，需要掌握串口通信的基本原理和操作方法。首先，要配置串口的参数，如波特率、数据位、停止位等。然后，编写代码实现串口数据的收发和LED的控制。在实验过程中，要注意串口设备的连接和电源供应，避免出现硬件故障。
• 驱动程序编写实验 ：为I/O设备编写驱动程序是一个复杂的过程，需要对操作系统的内核和设备的硬件特性有深入的了解。在编写驱动程序时，要遵循操作系统提供的驱动程序框架，实现设备的初始化、读写操作和中断处理等功能。同时，要进行充分的测试，确保驱动程序的正确性和稳定性。
• 上下文切换代码编写实验 ：编写上下文切换代码需要了解CPU的寄存器结构和指令集。在切换上下文时，需要保存当前进程的寄存器状态，并恢复下一个进程的寄存器状态。不同的CPU架构可能有不同的实现方法，在编写代码时要根据具体的CPU进行调整。
• 上下文切换开销测量实验 ：测量操作系统中的上下文切换开销可以帮助我们了解系统的性能瓶颈。在实验过程中，需要使用高精度的计时器来记录上下文切换的时间。同时，要进行多次测量，取平均值以提高测量的准确性。
• CPU利用率实验 ：使用采用RMS或EDF调度策略的操作系统，尝试将CPU利用率提高到100%时，需要合理安排任务的执行时间和优先级。可以通过调整任务的周期和执行时间来改变CPU的利用率。在实验过程中，要注意观察系统的稳定性和实时性，避免出现任务错过截止时间的情况。
• 缓存冲突影响测量实验 ：测量缓存冲突对实时执行时间的影响时，需要设计合适的实验方案。可以通过添加不同的后台进程来模拟缓存冲突的情况，然后使用计时器记录实时执行时间的变化。在实验过程中，要注意控制实验环境的一致性，避免其他因素对实验结果的影响。

9. 总结与展望

通过对嵌入式系统设计的各个方面进行深入学习，我们了解了设计方法论、需求分析、系统规范、系统分析与架构设计以及质量保证等重要知识。这些知识为我们设计高质量的嵌入式系统提供了坚实的理论基础。同时，通过解决相关的问题和进行实验，我们将理论知识应用到了实际中，进一步加深了对嵌入式系统设计的理解和掌握。

在未来的嵌入式系统设计中，我们需要不断关注技术的发展和市场的需求。随着物联网、人工智能等技术的不断发展，嵌入式系统将面临更多的挑战和机遇。我们需要不断学习和创新，采用新的设计方法和技术，提高嵌入式系统的性能和可靠性。同时，要注重质量保证，确保系统的安全性和稳定性。相信在不断的努力下，我们能够设计出更加优秀的嵌入式系统，为社会的发展做出更大的贡献。

总之，嵌入式系统设计是一个充满挑战和机遇的领域，我们需要不断学习和实践，才能在这个领域中取得优异的成绩。希望本文能够对你在嵌入式系统设计方面的学习和实践有所帮助。