ARM嵌入式系统的开发.ppt
第一章 嵌入式系统基础知识,1,嵌入式系统的定义和应用领域,2,嵌入微处理器体系结构,3,嵌入微处理器的结构和类型,4,5,嵌入式系统的组成,嵌入式系统的设计与开发,嵌入式系统基础知识,嵌入式系统设计的特点嵌入式系统的开发流程嵌入式系统开发调试环境,1.5 嵌入式系统的设计与开发,嵌入式系统设计的特点嵌入式系统的开发流程嵌入式系统开发调试环境,1.5 嵌入式系统的设计与开发,1.5.1 嵌入式系统设计的特点,1嵌入式系统通常是面向特定应用的系统；2嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余；3嵌入式系统设计需要交叉开发环境；4嵌入式系统的程序需要固化；5嵌入式系统的软件开发难度较大；6嵌入式系统还需要提供强大的硬件开发工具和软件包的支持，需要设计者从速度、功能和成本综合考虑。,嵌入式系统的开发通常采用“宿主机/目标机”方式。宿主机（Host）是一台通用的计算机，一般是PC机。它通过串口或网络连接与目标机进行通信。目标机（Target）常用在嵌入式系统的开发过程期间。目标机可以是嵌入式系统的实际运行环境，也可以是能替代实际环境的仿真系统。,交叉开发环境-“宿主机/目标机”方式,交叉开发环境-“宿主机/目标机”方式,首先，利用宿主机上丰富的设备资源以及良好的开发环境来开发和仿真调试目标机上的软件。通过UART接口或Ethernet接口将交叉编译生成的目标代码传输并下载到目标机上，并用交叉调试器在实时内核/操作系统或监控程序的支持下进行实时分析和调试。最后，目标机在特定的环境下运行。,嵌入式系统开发人员以应用专家为主,通用计算机开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士；嵌入式系统则是要和各不同行业应用相结合，其开发人员应是各应用领域专家。,构件化,嵌入式系统设计的特点嵌入式系统的开发流程嵌入式系统开发调试环境,1.5 嵌入式系统的设计与开发,方法,工具,1.5.2 嵌入式系统的设计流程,1.5.2 嵌入式系统的设计流程,系统设计从系统需求分析开始；第二步是规格说明，在这一步我们对需设计的系统功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的组成；第三步是系统结构设计，在这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分；第四步是构件设计，它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电路设计；第五步是系统集成，在完成了所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出所需的完整系统。,需求分析用户要求；规格说明做什么；体系结构如何做；,GPS导航仪,GPS导航仪是一种手持设备，该设备为用户（如汽车驾驶员）显示他当前所处位置周围的地图；显示的地图内容应随用户以及该设备所处位置的改变而改变。该设备从GPS上得到其位置信息，移动地图的显示看起来应类似纸张上的地图。,(1)需求分析,作用使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标设计者 设计什么？有哪些要求？用户 将得到的系统是什么样的？目标形成需求文档内容功能性需求 做什么？输入,输出,功能，非功能性需求 其他属性性能，价格，系统的尺寸和重量，功耗 为了方便分析一个较大规模系统的需求时可以考虑使用填写一个简单的表格来确认需求,GPS导航仪系统:示例,(2)规格说明,规格说明与需求的比较需求的提炼是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、更精确、更一致的描述目标形成规格说明书内容包含系统体系结构设计的足够信息,手持GPS设备的规格说明,从GPS卫星接收到的数据地理信息数据库用户界面必须执行的满足客户需求的操作保持系统运行所需的后备动作，如对GPS接收模块的操作,(3)体系结构设计,体系结构是系统整体结构的一个规划和描述，设计完成之后用于构建整个体系结构的构件。体系结构描述了系统如何实现所述的功能和非功能的需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。,作用实现系统的蓝图，系统整体结构的一个计划目标形成结构设计文档内容系统分析系统软硬件整体结构的设计软硬件划分标准构件和自行设计构件的确定嵌入式系统设计的大部分工作集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。,(3)体系结构设计,GPS移动地图的体系结构,系统结构设计的目的是描述系统如何实现系统的功能，它是系统整体结构的一个计划。右图以框图的形式描述了GPS移动地图的体系结构，图中展示了移动地图的主要操作和其间的数据流。框图仍很抽象，还没有规定软件完成什么，专用硬件完成什么，等等。但该图还是清楚地描述了许多功能，如需搜索地形图数据库、需显示地图、需接收GPS信号等。,规格说明工作框图细化,GPS体系结构硬件结构,21,GPS体系结构软件结构,3.2.3 嵌入式系统软硬件协同设计技术,嵌入式系统软硬件协同设计技术与传统设计相比的特点：描述硬件和软件使用统一的表示形式；硬件/软件划分可选择多种方案，直到满足要求。,包括：硬件平台的选择：处理器、硬件部件软件平台的选择：操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等。处理器是最重要的，同时操作系统和编程语言也是非常关键的。处理器的选择往往同时会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限制开发工具的选择。,(3)体系结构设计,(3.1)硬件平台的选择,处理器选择要考虑的主要因素有：处理器的性能 处理器的技术指标 功耗 软件支持工具 处理器是否内置调试工具 供应商是否提供评估板其它因素：生产规模、开发市场的目标、软件对硬件的依赖性。,(3.2)软件平台的选择,操作系统的选择编程语言的选择集成开发环境的选择硬件调试工具的选择,(3.2.1)操作系统的选择,操作系统本身所提供的开发工具。操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统的内存要求。开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的系统API。操作系统是否提供硬件的驱动程序，如网卡驱动程序等。操作系统的是否具有可剪裁性。操作系统的实时性能。,(3.2.2)编程语言的选择,通用性。可移植性程度。执行效率。可维护性。,(3.2.3)集成开发环境IDE,考虑的因素:系统调试器的功能。支持库函数。与选择硬件和操作系统的原则一样：除非必要，尽量采用标准的 glibc。编译器开发商是否持续升级编译器。连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式。,(3.2.4)软件组件的选择,授权软件组件的费用一般都很高，但大都经过严格的测试，可靠性高，调试时间短。反之免费组件。现在也有一些免费的自由软件组件，它们的性能、可靠性也很好。因此开发人员在选择的时候要加以权衡，确定哪种方案更好。,(3.2.5)系统集成和测试,在系统的硬件构件和软件构件建立起来后，将硬件构件、软件构件和执行装置集成在一起才能得到一个可以运行的系统。分阶段架构整个系统并且正确运行事先选择好的测试程序。嵌入式系统的软件测试与通用软件的测试相似，分为单元测试和系统的集成测试。常用有黑盒测试和白盒测试两种测试方法。黑盒测试功能测试白盒测试结构测试,早期修正简单错误在体系结构和各构件设计阶段按阶段测试 系统集成时产生的错误一般难以定位，可加入恰当的调试工具来简化系统集成中的问题。系统集成阶段就是一种挑战,(3.2.5)系统集成和测试,嵌入式系统设计的特点嵌入式系统的开发流程嵌入式系统开发调试环境,1.5 嵌入式系统的设计与开发,通用计算机具有完善的人机接口界面嵌入式系统本身不具备自主开发能力这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，但一般不是实时的；嵌入式系统应用程序可以没有操作系统，直接在芯片上运行；为保证应用程序执行实时性、可靠性，减少开发时间，保障软件质量，需选配RTOS开发平台。,与通用计算机开发环境的区别,开发环境并不是嵌入式系统产品的一部分，但是它在嵌入式系统的产品的开发过程中起着至关重要的作用。不同嵌入式系统的开发环境差异是很大的。,嵌入式系统程序的交叉开发,1、建立开发环境,设计,生产,IDE,软件开发与测试,评估板,仿真器,逻辑分析仪,边界扫描测试仪,示波器,37,1、建立开发环境,搭建硬件平台连接好目标板、调试器与开发主机安装软件开发环境如ADS V1.2安装调试器驱动程序,38,常用嵌入式系统软件开发工具,面向硬件的开发工具如ADS嵌入式操作系统开发如GCC面向特定操作系统的应用开发工具如Turnado,39,ADS1.2软件环境开发流程,40,嵌入式操作系统开发,GCC系列工具嵌入式操作系统多用C/C+开发，因此，要编译操作系统内容，一般都使用GCC系列工具。GCC可以用来编译uClinux、Linux、ECOS、uC/OS-II等操作系统。,面向特定操作系统的应用工具,WinCE应用软件开发：如果选用的操作系统为WinCE，则应用软件需要选择WinCE的Embeded VC开发环境。Symbian应用程序开发：如果开发Symbian手机应用程序，则Symbian应用程序开发选择的是Symbian的C/C+集成开发环境。Linux应用程序开发：如果开发的是Linux应用程序，则选择的开发工具是Linux程序开发工具（GCC/G+/GDB/Makefile）。,2、几种常用的嵌入式调试方法,指令集模拟器 一种利用PC机端的仿真开发软件模拟调试的方法。驻留监控软件 驻留监控程序运行在目标板上，PC机端调试软件可通过并口、串口、网口与之交互，以完成程序执行、存储器及寄存器读写、断点设置等任务在线仿真器 使用仿真头代替目标板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行为。但结构较复杂，价格昂贵，通常用于ARM硬件开发中JTAG仿真器 通过ARM芯片的JTAG边界扫描口与ARM核进行通信，不占用目标板的资源，是目前使用最广泛的调试手段,ARM JTAG 实时仿真器,
