嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的幾個關(guān)鍵步驟簡介

嵌入式系統(tǒng)是計算設(shè)備硬件中嵌入軟件作為其核心組件的應(yīng)用。我們身邊現(xiàn)在已經(jīng)被嵌入式系統(tǒng)包圍了，這些產(chǎn)品能為我們的生活帶來各種方便乃至奢華的功能，包括移動手持設(shè)備、洗衣機(jī)、微波爐、ATM 機(jī)、空調(diào)等等。由于某些特定的應(yīng)用要求，工程師必須以不同于其它設(shè)計類型的特定方法進(jìn)行嵌入式設(shè)計。

以下簡要介紹了進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的幾個步驟：

1. 建議：一個能夠讓生活變得更輕松和/或減少完成任務(wù)所需人力的創(chuàng)新性理念或系統(tǒng)。

2. 定義：接下來需要設(shè)計整個系統(tǒng)，包括在各種可能的輸入條件下系統(tǒng)的表現(xiàn)情況。定義或許是最關(guān)鍵的部分，因為在定義階段的任何錯誤均會影響整個系統(tǒng)的工作。

I. 輸入/輸出考慮因素：定義在一個特定輸入下系統(tǒng)輸出會是什么，要把系統(tǒng)作為一個黑盒子來考慮；

II. 數(shù)學(xué)建模：設(shè)計讓系統(tǒng)按需工作的算法；

III. 功能建模：設(shè)計系統(tǒng)接受輸入并生成所需輸出的功能。

3. 技術(shù)選擇：基于上述幾點，設(shè)計人員可評估可用的技術(shù)，選擇哪些器件能夠滿足所有要求，同時平衡效率、成本和產(chǎn)品上市進(jìn)程。

4. 集成和 PCB 設(shè)計：列出實現(xiàn)您想要的功能所需的所有組件，并設(shè)計它們在PCB 上的布局。布線和所有其它路徑都必須盡可能地降低電磁干擾 （EMI），而且應(yīng)避免各種錯誤。設(shè)計 PCB 時，應(yīng)特別注意鋪地以及 PCB 上接地的所有組件。

5. 固件開發(fā)和調(diào)試：由于硬件需要指令來按我們想要的方式加以執(zhí)行，我們需要為硬件使用的每個組件編寫代碼。這也正是固件（即應(yīng)用代碼）所做的工作。固件應(yīng)當(dāng)最大限度地降低復(fù)雜性。此外，我們在編寫代碼時，可能會遇到許多錯誤和故障，這些都需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)試協(xié)議。

6. 測試：調(diào)試時需要測試代碼部分，而在測試過程中，我們需要檢測整個系統(tǒng)，也就是硬件以及驅(qū)動該硬件的軟件。

7. 文檔：任何瀏覽您完整應(yīng)用設(shè)計的人都不應(yīng)該問您“這是什么意思？”“這個東西怎么操作？”為了避免被這樣的問題所困擾，我們應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備好全面完整的文檔。

當(dāng)前設(shè)計流程中存在的問題：

在開發(fā)嵌入式應(yīng)用時，我們應(yīng)當(dāng)充分了解不同的芯片及其功能和復(fù)雜的架構(gòu)，然后再創(chuàng)建系統(tǒng)設(shè)計流程。接下來，我們需要一款應(yīng)用來為我們的產(chǎn)品和組件提供功能，為此我們必須要編寫代碼。在編寫代碼時，系統(tǒng)要求會不斷變化，設(shè)計人員需要相關(guān)工具，為不同的調(diào)試協(xié)議提供支持。我們或許無法重復(fù)使用代碼，我們希望在單個系統(tǒng)中集成多種特性。鑒于上述問題，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需要考慮整個系統(tǒng)價格、性能、加速產(chǎn)品上市進(jìn)程、尺寸、功耗、可維護(hù)性、安全性、存儲器容量等各種問題。此外，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員還希望在單個芯片上實現(xiàn)可編程模擬和數(shù)字外設(shè)。因此，片上系統(tǒng) （SOC） 的開發(fā)工作對于開發(fā)人員來說是相當(dāng)繁瑣的。

嵌入式系統(tǒng)日益復(fù)雜，幾乎在任何情況下都需要可編程性。為此，設(shè)計人員需要工具來應(yīng)對這種困難的局面，同時提供用戶友好型環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用。雖然我們有一些SOC工具的市場，但我們并不完全了解這些工具的功能。此外，工具還必須能夠最大限度地發(fā)揮產(chǎn)品的特性潛力。為了說明這一點，我們不妨舉一個采用復(fù)雜架構(gòu)芯片的例子，在單個芯片上集成了幾乎所有的模擬和數(shù)字可編程外設(shè)。我們或許會發(fā)現(xiàn)，閱讀和了解相關(guān)的配置寄存器以及使用器件相關(guān)的其它底層信息可能比較復(fù)雜，因此我們需要一款直觀易用的系統(tǒng)設(shè)計工具把底層信息隱藏起來，讓我們更方便地集中了解系統(tǒng)應(yīng)用。

簡而言之，我們需要這樣一款工具，它不僅可加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程，直觀高效地處理所有的開發(fā)考慮因素，而且成本不能太高，還能根據(jù)要求的變化支持項目在不同芯片之間的移植。

PSoC Creator：

可編程片上系統(tǒng) （PSoC） 制造商已經(jīng)充分認(rèn)識到，開發(fā)人員需要在單個芯片上擁有完整的系統(tǒng)，而且要同時具備模擬和數(shù)字功能，同時該模擬和數(shù)字功能也應(yīng)該完全具有可編程性。為了開發(fā)可在這些芯片上工作的嵌入式應(yīng)用，以及為上述所有問題提供解決方案，賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出了 PSoC Creator。PSoC Creator 通過其獨特的基于原理圖的格式能讓設(shè)計人員無需手動管理架構(gòu)或配置寄存器即可開發(fā)應(yīng)用。現(xiàn)在，我們要做的就是思考出設(shè)計方案，然后通過把組件從賽普拉斯組件庫或我們自己的組件庫中拖放到設(shè)計原理圖中即可繪制出設(shè)計。這就好像繪制系統(tǒng)方框圖一樣，不用考慮使用的是什么器件。正是由于革命性的圖形設(shè)計編輯器支持獨特而功能強(qiáng)大的軟硬件協(xié)同設(shè)計環(huán)境，我們才能實現(xiàn)這一目標(biāo)。請注意，該工具不僅是將軟件開發(fā)環(huán)境和直觀的圖形設(shè)計編輯器完美地結(jié)合在一起，同時還支持全新理念的即時測試，能夠快速響應(yīng)于硬件變化，創(chuàng)建可共享的設(shè)計組件庫，提供定制外設(shè)，支持片上外設(shè)的無差錯互動，并能使用內(nèi)置的調(diào)試器實現(xiàn)完整的設(shè)計。

簡而言之，該工具的功能和使用可如下圖所示分為 4 步：

步驟 1：設(shè)計與配置拖放組件 連接外設(shè) I/O 到引腳 設(shè)置時鐘頻率

步驟 2：開發(fā)調(diào)用內(nèi)置 API C/匯編語言編程無差錯更方便

步驟 3：調(diào)試內(nèi)置調(diào)試器在運行時查看任何變量的類型、地址和值在運行時查看協(xié)議棧、存儲器和寄存器

步驟 4：重復(fù)使用快速方便地創(chuàng)建未來設(shè)計將工作設(shè)計集成到可重復(fù)使用的組件中

圖 1. 使用 PSoC Creator 創(chuàng)建項目的步驟

PSoC Creator 將基于 C 語言的開發(fā)流程與自動生成的組件 API 在您的設(shè)計中相結(jié)合。它能根據(jù)后續(xù)階段要求的變化在器件之間（比如8位到32位）實現(xiàn)無縫移植。即便要在不同的器件系列之間進(jìn)行移植，我們也無需考慮存儲器映射、助記符等問題。這里的一個獨特優(yōu)勢在于，設(shè)計過程中不必考慮目標(biāo)芯片屬于什么系列的問題，因為設(shè)計人員能在開發(fā)周期中的任何時間更改器件，而且無需修改項目中的任何東西。

現(xiàn)在讓我們通過一個項目范例來更好地了解 PSoC Creator 在實際環(huán)境中開發(fā)嵌入式應(yīng)用的功能和可用性。這個項目范例演示了如何通過使用脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 來控制 LED 的亮度。

圖2：PSoC Creator 的示意圖