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嵌入式系统基础设计方法

作者: 时间:2024-05-20 来源:网络 收藏

方法

系统是将一个电子系统嵌入到一个物理系统中,连接起物理系统和电子信息系统,从而实现信息系统对物理系统观察和控制。

本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/202405/458931.htm

一个系统的设计,可以从总则上分三大步骤:建模 –> 设计 -> 分析。这里所说的设计,是理论的设计,图纸的设计,而不涉及到系统的实施。

Ø 建模:根据系统的物理特性、行为逻辑、业务逻辑等,建立系统的数学据模型。对于不同类型的系统,有不同的描述方式,比如对于人人机交互可以用状态机模型,对于一个控制系统可以用状态空间方程或者传递函数,对于一个交易系统可以用流程图。对于一个大系统,也可以分解成多个子系统,子系统建立不同的数学模型,这个大系统是不同数学模型的组合。

Ø 设计:根据系统的数学模型,创建实现系统模型的结构,指定系统如何实现功能,这包括硬件系统、软件系统的设计、软硬件结合的设计。

Ø 分析:说明设计的系统为什么能完成它的设计目标,这个设计目标包括功能、性能等指标。

嵌入式系统的组成

对于一个系统,大致可以分为四大功能组件:输入,处理,控制,输出。

  • 输入:信号采集,信息输入;一般包括模拟信号(AI)、数字信号(DI)、信息录入等;

  • 处理:对输入的信息进行处理,提取出有效信息;一般是指各种滤波算法;

  • 控制:根据有效信息、系统的模型以及期望的结果,设计控制算法;

  • 输出:将控制信息输出。一般为模拟信号(DA)、数字信号(DO)等。

而软件运行的载体,就是硬件。比如信号的输入就是各种传感器,输出就是各种执行部分,处理、控制算法,则需要运行在MCU、CPU、FPGA上,运行的数据需要存储在RAM、Flash上。

嵌入式系统软件模型

对于PC机、手机、服务器等编程,已经有多种实践模型,基础的如面向对象思想,基于组件的思想,面向接口编程,函数式编程。在应用层有MVC,23种设计模式,领域驱动等。但在嵌入式编程上,由于受到硬件资源和实时性要求的限制,过于重的设计实践和编程语言,在嵌入式系统上根本无法实现。结合自己的实际编程经验和自己的思考,建立起自己的嵌入式编程模型。

嵌入式软件一般由芯片驱动、板级驱动、操作系统、文件系统、通讯协议、UI等组成,其中包括信号处理代码、控制算法代码,也是嵌入式软件的一部分,对于这些功能组件,如何将它们按照一个有效方式,组合起来以实现系统功能要求,这种组合方式,就是嵌入式编程模式。

系统的运行过程,是个动态连续的过程,相同的连续过程,可以认为系统处于一个状态,状态与状态之间,通过事件触发转移。系统中的相关元素集合,可以抽象为对象,对象是变量和方法的集合。

Ø 对象描述

对象是软件的基本操作单元,对象由变量进行描述,对象的方法是对对象变量的操作。

Ø 状态空间

状态空间是系统所有状态的合集,各状态之间可以相互转换,某状态可以是另一状态的子状态。各状态间的转移是通过事件触发的。

Ø 事件驱动

通过事件,来实现任务间的同步。一个事件,可能会触发一个动作,也可能触发一次状态转移。

以最简单的交通灯控制为例

对象描述:

typedef struct {
Color_t color; //交通灯颜色
int hold_time; //交通灯的保持时间} Ligght_t;
typedef struct {
Color_t (* Turn)(Color_t color)
} Light_Op_t;

交通灯控制系统的状态空间

typedef enum {
STOP,
WAIT,
THROUGH
}

三个状态对应的led对象为

stop -- red -- 15秒;wait -- yellow -- 3秒;through -- green -- 45秒。

事件触发:

事件由于定时器产生,定时器在15秒,3秒,45秒之间循环,每次计时完成,则发出一个信号,同时进行另一个计时。主任务接收到信号后,进行状态切换,同时输出根据状态,控制对应的交通灯的颜色。

伪代码:
main(){ while(1){ switch(state){ case STOP:
Light.Turn(red);
state ++; break; case STOP_HOLD:
Wait_TimeOUt(15); //15秒后,状态切换
state ++; break; case WAIT:
Light.Turn(yellow);
state ++; break; case WAIT_HOLD:
Wait_TimeOUt(3); //3秒后,状态切换
state ++; break; case THROUGH:
Light.Turn(green);
state ++; break; case THROUGH_HOLD:
Wait_TimeOUt(45); //45秒后,状态切换
state = STOP; break;
}
}
}

对于同一个系统,也可以从不同的角度定义状态空间和状态转移过程,但是他们在逻辑上是等效的。

在一些系统中,如protothread、STC51的任务调度系统,均是采用类似的方案。



关键词:嵌入式系统设计

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