嵌入式軟件開發(fā)教程第二章課件.ppt

1、第2章 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法,2.1 嵌入式系統(tǒng)的一般設(shè)計流程,一、單片機系統(tǒng),圖2.1 單片機系統(tǒng)的開發(fā)流程,單片機系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)相對簡單的控制，因此系統(tǒng)核心部件集成在一塊芯片單片機上，再在單片機的外圍加入一些接口電路即可。 單片機系統(tǒng)設(shè)計相對比較簡單，軟件部分不需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持，只需采用匯編語言編寫針對特定應(yīng)用的程序即可。,二、嵌入式處理器系統(tǒng),圖2.2 嵌入式處理器系統(tǒng)開發(fā)流程,嵌入式處理器系統(tǒng)往往包含CPU、內(nèi)存和豐富的外部接口，其開發(fā)過程類似在PC機上開發(fā)應(yīng)用程序。 開發(fā)流程的第一步是選擇嵌入式處理器和硬件平臺。 軟件部分一般包含操作系統(tǒng)，開發(fā)人員基于此編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序即

2、可，這可大大地簡化開發(fā)過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,二、嵌入式處理器系統(tǒng),開發(fā)方式,嵌入式處理器系統(tǒng)的開發(fā)過程一般包括以下幾個步驟： 源代碼編寫：編寫源C/C+及匯編程序； 程序編譯：通過專用編譯器編譯程序； 軟件仿真調(diào)試：在SDK中仿真軟件運行情況； 程序下載：通過JTAG/USB/UART等方式下載到目標機； 軟硬件測試、調(diào)試：通過JTAG等方式聯(lián)合調(diào)試程序； 下載固化：程序無誤，下載到目標板。,二、嵌入式處理器系統(tǒng),嵌入式處理器系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題,（1）嵌入式處理器的選型,夠用 適用 成本 功耗 軟件開發(fā)工具 是否內(nèi)置調(diào)試工具 是否提供評估板,處理器的選型直接影響存儲器、外設(shè)的選擇。一般從以

3、下幾個因素考慮：,（2）操作系統(tǒng)的選擇,操作系統(tǒng)的移植 操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求 操作系統(tǒng)的實時性 支持的開發(fā)工具 操作系統(tǒng)的可裁剪性 開發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的API 操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動程序，如網(wǎng)卡等,從八十年代起，國際上就有一些IT組織、公司，開始致力于嵌入式操作系統(tǒng)的研發(fā)，現(xiàn)已涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的操作系統(tǒng)。如何從眾多的嵌入式操作系統(tǒng)中選取合適的操作系統(tǒng)？可以考查以下幾個方面：,人們在選擇編程語言時往往具有很大的隨意性。對價格、獲取方便性等因素考慮較多，而對語言本身的技術(shù)因素考慮較少。在此就目前應(yīng)用廣泛幾種高級語言：Ada、C/C+、Modula-2和JAVA等進行簡單的分析比較。

4、 Ada語言定義嚴格，易讀易懂，有較豐富的庫程序支持，由于它和運行環(huán)境聯(lián)系較少，因此其運行特性比較出色。 C語言具有廣泛的庫程序支持，現(xiàn)在是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的語言。 C+是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，應(yīng)用也很多，但與C語言相比，C+編寫的程序目標代碼往往比較龐大和復(fù)雜。 Modula-2定義清楚，支持豐富，具備較好的模塊化結(jié)構(gòu)，在教學科研方面有較廣泛的應(yīng)用。 Java語言相對年輕，但有很強的跨平臺特性，現(xiàn)在發(fā)展勢頭較為強勁。,（3）編程語言的選取,2.2 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法,圖2.4 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法,傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的缺陷,傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法雖然簡單，但存在一些不可

5、避免的缺陷： 1）設(shè)計方法缺乏統(tǒng)一的軟硬件協(xié)同表示方法，軟硬件劃分完全由設(shè)計者憑經(jīng)驗完成，無法從系統(tǒng)級驗證劃分的合理性，且不易發(fā)現(xiàn)軟硬件之間存在的接口問題。 2）在實際的設(shè)計過程中，通常采用“硬件優(yōu)先的原則”，因此軟件的測試必須在硬件全部完成之后才能進行，這樣設(shè)計周期可能很長。 3）由于硬件設(shè)計在粗略估計軟件任務(wù)需求的情況下進行，缺乏對軟件構(gòu)架和實現(xiàn)機制的清晰了解，硬件設(shè)計工作帶有一定的盲目性。 4）整個系統(tǒng)的優(yōu)化由于受設(shè)計空間的限制，只能改善硬件和軟件各自的性能，不可能對系統(tǒng)做出較好的綜合優(yōu)化，難以適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜的、大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計需要。,圖2.5 嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計流程,2.3 嵌入

6、式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法,嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計流程,設(shè)計流程總體上可分為系統(tǒng)描述、軟硬件劃分、協(xié)同綜合、協(xié)同仿真與驗證、系統(tǒng)集成幾個過程。,（1）系統(tǒng)描述 系統(tǒng)描述是采用一種或多種系統(tǒng)級描述語言對所需設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)的功能和性能進行全面的描述，是建立系統(tǒng)軟硬件模型的過程。 系統(tǒng)建?？梢杂稍O(shè)計者用非正式語言，甚至是自然語言手工完成，但手工完成容易導(dǎo)致系統(tǒng)描述不準確，而選用合適的建模語言將對設(shè)計起到事半功倍的效果。 UML（Unified Modeling Language）語言是一種功能強大的可視化建模語言。它將模型中的信息用標準圖形元素直觀地顯示，使具有不同技術(shù)背景的開發(fā)人員和設(shè)計師可以

7、較好地交流。,（2）軟硬件劃分 軟硬件功能劃分就是要確定哪些系統(tǒng)功能由硬件實現(xiàn)，哪些功能由軟件實現(xiàn)。 從理論上講，每個應(yīng)用系統(tǒng)都存在一個適合于該軟硬件功能的最佳組合，但如何從系統(tǒng)需求出發(fā)，依據(jù)一定的指導(dǎo)原則和分配算法對硬件/軟件功能進行合理劃分，從而使系統(tǒng)的整體性能達到最佳，是軟硬件劃分的目標所在。 （3）協(xié)同綜合 軟硬件協(xié)同綜合是根據(jù)系統(tǒng)描述和軟硬件劃分的結(jié)果，在已有的設(shè)計規(guī)則和既定的設(shè)計目標前提下，決定系統(tǒng)中軟件和硬件部分以及其接口的具體實現(xiàn)方法，并將其集成。,（4）協(xié)同仿真與驗證 協(xié)同仿真驗證是檢驗系統(tǒng)設(shè)計正確性的過程。它對設(shè)計結(jié)果的正確性進行評估，以避免在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題再進行反

8、復(fù)修改。 由于系統(tǒng)仿真驗證的過程中，模擬的工作環(huán)境與實際使用環(huán)境相差甚遠，軟硬件之間的相互作用方式及作用效果也就不同，這就難以保證系統(tǒng)在真實環(huán)境下工作的可靠性，因此系統(tǒng)仿真的有效性是有限的。,目前，軟硬件協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域的研究十分活躍，Berkeley, Princeton等著名大學有專門的研究小組進行相關(guān)研究，電子設(shè)計領(lǐng)域權(quán)威的學術(shù)會議DAC上每年都有相當篇幅的論文涉及軟硬件協(xié)同設(shè)計，每年ACM還召開軟硬件協(xié)同設(shè)計的專門會議CODES。主要EDA廠家(Cadence，Synopsys)目前己經(jīng)推出部分支持軟硬件協(xié)同設(shè)計的工具，并將軟硬件協(xié)同設(shè)計作為下一代的系統(tǒng)級EDA工具的關(guān)鍵技術(shù)。,軟硬件協(xié)同

9、設(shè)計的特點,（1）軟硬件協(xié)同設(shè)計采用統(tǒng)一的工具描述，可合理劃分系統(tǒng)軟硬件，分配系統(tǒng)功能，在性能、成本、功耗等方面進行權(quán)衡折衷，獲取更優(yōu)化的設(shè)計。 （2）軟硬件協(xié)同設(shè)計方法采用并行設(shè)計和協(xié)同設(shè)計的思想，提高了設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期。 （3）在系統(tǒng)級設(shè)計中，對軟硬件部分使用統(tǒng)一描述語言和工具進行集成開發(fā)，具有跨越軟硬件界限進行系統(tǒng)優(yōu)化的能力。 （4）支持多領(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)同開發(fā)。它的核心思想是溝通軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，避免系統(tǒng)中關(guān)系密切的兩部分設(shè)計過早獨立。同傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，軟硬件協(xié)同設(shè)計提高了設(shè)計抽象的層次，拓展了設(shè)計的覆蓋范圍，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)可以使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計更好和更快。,2.4 嵌入

10、式系統(tǒng)的測試技術(shù),嵌入式系統(tǒng)測試也叫交叉測試（cross-test），它與PC機的軟件測試有相似之處。目前，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中軟件正越來越多地取代硬件，以降低系統(tǒng)成本，獲得更大的靈活性，這就需要使用更好的測試方法和工具進行嵌入式實時軟件的測試。,一、嵌入式軟件的測試方法,（1）白盒測試與黑盒測試,白盒測試檢查程序的內(nèi)部設(shè)計，它要求根據(jù)源代碼的組織結(jié)構(gòu)查找軟件缺陷。 由于嵌入式系統(tǒng)高可靠性的要求，嵌入式軟件測試與普通軟件測試相比，通常要求有更高的代碼覆蓋率。 黑盒測試根據(jù)軟件的用途和外部特征查找軟件缺陷。 嵌入式軟件的黑盒測試要把系統(tǒng)的預(yù)期用途作為重要依據(jù)，根據(jù)需求中對負載、定時、性能的要求，判

11、斷軟件是否滿足這些需求規(guī)范。為了保證正確地測試，還須要檢驗軟硬件之間的接口。,（2）目標環(huán)境測試和宿主環(huán)境測試,在嵌入式軟件測試中，常常要在基于目標的測試和基于宿主的測試之間作出折衷。基于目標的測試消耗較多的經(jīng)費和時間，而基于宿主的測試代價較小，目前的趨勢是把更多的測試轉(zhuǎn)移到宿主環(huán)境中進行。 在宿主環(huán)境中，可以進行邏輯或界面的測試、以及與硬件無關(guān)的測試。 在目標環(huán)境中，則進行與定時問題有關(guān)的白盒測試、中斷測試、硬件接口測試。,二、嵌入式軟件的測試工具,（1）內(nèi)存分析工具,內(nèi)存分析工具用來處理在動態(tài)內(nèi)存分配中存在的缺陷。 目前有兩類內(nèi)存分析工具軟件和硬件的?；谲浖膬?nèi)存分析工具可能會對代碼的性

12、能造成很大影響，從而嚴重影響實時操作；基于硬件的內(nèi)存分析工具價格昂貴，而且只能在工具所限定的運行環(huán)境中使用。,（2）性能分析工具,性能分析工具會提供有關(guān)的數(shù)據(jù)，說明執(zhí)行時間是如何消耗的，是什么時候消耗的，以及每個例程所用的時間。,（3）GUI測試工具,GUI測試工具可以作為腳本工具在開發(fā)環(huán)境中運行測試用例，其功能包括對操作的記錄和回放、抓取屏幕顯示供以后分析和比較、設(shè)置和管理測試過程。 有些嵌入式設(shè)備沒有GUI，但常常可以對該設(shè)備進行插裝來運行GUI測試腳本，雖然這種方式可能要求對被測代碼進行更改，但是節(jié)省了功能測試和回歸測試的時間。,（4）覆蓋分析工具,在進行白盒測試時，可以使用代碼覆蓋分析工具追蹤哪些代碼被執(zhí)行過。 覆蓋分析工具一般會提供有關(guān)功能覆蓋、分支覆蓋、條件覆蓋的信息。,三、嵌入式系統(tǒng)的測試策略,嵌入式軟件測試的