嵌入式系统设计-软硬件分开设计.ppt

制作者制作者制作者制作者 程丽程丽程丽程丽嵌入式系统概论嵌入式系统概论第四章第四章 嵌入式系统设计嵌入式系统设计-软硬件分开设计软硬件分开设计本章接下来介绍本章接下来介绍本章接下来介绍本章接下来介绍v软硬件功能划分软硬件功能划分v软硬件分开设计软硬件分开设计v软硬件协同设计软硬件协同设计v实时多任务设计实时多任务设计接下来介绍接下来介绍接下来介绍接下来介绍v软硬件分开独立设计软硬件分开独立设计v先硬件后软件先硬件后软件v先软件后硬件先软件后硬件软硬件分开设计软硬件分开设计v软硬件分开设计是传统的嵌入式系统设计软硬件分开设计是传统的嵌入式系统设计方法。方法。v设计思想是设计思想是系统分析员根据需求分析得出的系统基系统分析员根据需求分析得出的系统基本功能要求，依据工作经验，粗略地把本功能要求，依据工作经验，粗略地把功能分配到硬件和软件中功能分配到硬件和软件中分别设计、实现硬件和软件分别设计、实现硬件和软件再将软硬件集成。再将软硬件集成。软硬件分开设计软硬件分开设计开始开始需求规约需求规约软硬件划分软硬件划分硬件设计硬件设计软件设计软件设计软硬件集成测试软硬件集成测试结束结束软硬件分开设计软硬件分开设计v按照软件、硬件设计的先后顺序，分为：按照软件、硬件设计的先后顺序，分为：先硬件后软件设计先硬件后软件设计先软件后硬件设计先软件后硬件设计v上述设计方法中，以先硬件，后软件为主上述设计方法中，以先硬件，后软件为主要设计模式。其原因是：要设计模式。其原因是：1.认为硬件设计是重心认为硬件设计是重心2.认为软件是硬件的有益补充和完善；认为软件是硬件的有益补充和完善；3.沿袭早期嵌入式系统的设计方法。沿袭早期嵌入式系统的设计方法。接下来介绍接下来介绍接下来介绍接下来介绍v软硬件分开设计软硬件分开设计v先硬件后软件先硬件后软件v先软件后硬件先软件后硬件先硬件后软件先硬件后软件v先硬件后软件的设计过程先硬件后软件的设计过程设计硬件子系统设计硬件子系统定义硬件接口定义硬件接口设计软件子系统设计软件子系统定义软件接口定义软件接口软硬件集成测试软硬件集成测试开始开始结束结束硬件设计硬件设计硬件实现硬件实现软件设计软件设计软件实现软件实现软硬件集成测试软硬件集成测试达到设计目标？达到设计目标？是是否否先硬件后软件先硬件后软件v设计硬件子系统应先了解硬件组件的来源设计硬件子系统应先了解硬件组件的来源硬件组件的来源有三种渠道硬件组件的来源有三种渠道1.选用成形的硬件组件；选用成形的硬件组件；2.对成形的硬件组件进行适当修改；对成形的硬件组件进行适当修改；3.自己设计硬件组件。自己设计硬件组件。v本课程围绕自己设计硬件组件讨论硬件子本课程围绕自己设计硬件组件讨论硬件子系统的设计系统的设计先硬件后软件先硬件后软件v硬件子系统的设计方法硬件子系统的设计方法采用自顶向下的方法采用自顶向下的方法先将硬件分成各部分或模块；先将硬件分成各部分或模块；画出一张或多张硬件部件的框图，一画出一张或多张硬件部件的框图，一个框图表示一个单独的电路板或电路个框图表示一个单独的电路板或电路板的一部分（如：处理子系统、存储板的一部分（如：处理子系统、存储子系统、外设等模块）子系统、外设等模块）先硬件后软件先硬件后软件v硬件功能的实现主要有硬件功能的实现主要有5个关键步骤：个关键步骤：1.功能定义；功能定义；2.原理图设计；原理图设计；3.PCB设计；设计；4.制版组装；制版组装；5.硬件调试。硬件调试。先硬件后软件先硬件后软件v1.功能定义功能定义根据系统需求确定产品功能。根据系统需求确定产品功能。先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件v2.原理图设计原理图设计是硬件设计的中心环节；是硬件设计的中心环节；设计之前，要熟悉本系统的特点，清楚设计之前，要熟悉本系统的特点，清楚当今电子行业的发展，用最优化的方法当今电子行业的发展，用最优化的方法解决每个问题；解决每个问题；原理图要做到标准化、通用化、模块化、原理图要做到标准化、通用化、模块化、具有可扩展性；具有可扩展性；原理图设计包括：电源设计、复位电路原理图设计包括：电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、接口电路设计设计、时钟电路设计、接口电路设计（Flash接口、接口、JTAG接口、接口、USB接口、接口、键盘输入接口、键盘输入接口、LCD接口、接口、GPS接口等）接口等）先硬件后软件先硬件后软件v3.PCB设计设计PCB（Printed Circuit Board）即）即印制电路板印制电路板是置有集成电路和其他电子组件的薄板。是置有集成电路和其他电子组件的薄板。先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件v3.PCB设计（续）设计（续）根据电路层数分类，根据电路层数分类，PCB分为分为单面板单面板双面板双面板多层板。常见的多层板一般为多层板。常见的多层板一般为4层板层板或或6层板，复杂的多层板可达十几层。层板，复杂的多层板可达十几层。根据软硬进行分类，根据软硬进行分类，PCB分为：分为：普通电路板普通电路板柔性电路板（软板）。柔性电路板（软板）。先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件v3.PCB设计（续）设计（续）单面板单面板在最基本的在最基本的PCB上，零件集中在其中上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上；一面，导线则集中在另一面上；因为导线只出现在其中一面，所以这因为导线只出现在其中一面，所以这种种PCB叫作单面板；叫作单面板；单面板在设计线路上有许多严格的限单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。期的电路才使用这类的板子。先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件v3.PCB设计（续）设计（续）双面板双面板电路板的两面都有布线；电路板的两面都有布线；两面间有适当的电路连接。这种电路两面间有适当的电路连接。这种电路间的间的“桥梁桥梁”叫做导孔；叫做导孔；导孔是在导孔是在PCB上，充满或涂上金属的上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接；小洞，它可以与两面的导线相连接；双面板的面积比单面板大一倍；双面板的面积比单面板大一倍；布线可互相交错（可绕到另一面）；布线可互相交错（可绕到另一面）；适合用于比单面板复杂的电路。适合用于比单面板复杂的电路。先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件v3.PCB设计（续）设计（续）多面板多面板用一块双面作内层、二块单面作外层或用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层；二块双面作内层、二块单面作外层；通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板，刷线路板就成为四层、六层印刷电路板，也称多层印刷线路板；也称多层印刷线路板；板子的层数代表有几层独立的布线层，板子的层数代表有几层独立的布线层，通常层数都是偶数。通常层数都是偶数。先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件v3.PCB设计（续）设计（续）电子产品功能越复杂、回路距离越长、接电子产品功能越复杂、回路距离越长、接点脚数越多，点脚数越多，PCB所需层数亦越多，如高所需层数亦越多，如高级消费性电子、信息及通讯产品等；级消费性电子、信息及通讯产品等；软板主要应用于需要弯绕的产品中：如笔软板主要应用于需要弯绕的产品中：如笔记型计算机、照相机、汽车仪表等。记型计算机、照相机、汽车仪表等。先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件v3.PCB设计（续）设计（续）PCB设计主要指版图设计；设计主要指版图设计；需要考虑外部连接的布局、内部电子元需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。布局、电磁保护、热耗散等各种因素。先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件先硬件后软件v3.PCB设计（续）设计（续）当今的当今的PCB板制造技术向高密度、高精板制造技术向高密度、高精度、细孔径、细导线、细间距、高可靠、度、细孔径、细导线、细间距、高可靠、多层化、高速传输、轻量、薄型方向发多层化、高速传输、轻量、薄型方向发展；展；注意合理布局，系统电源入口做高低频注意合理布局，系统电源入口做高低频滤波处理，时钟电路尽量靠近芯片，高滤波处理，时钟电路尽量靠近芯片，高速总线走线尽量等长，差分信号线要平速总线走线尽量等长，差分信号线要平行等长，走线要规范。行等长，走线要规范。先硬件后软件先硬件后软件v4.制版组装制版组装一般交给专业公司完成；一般交给专业公司完成；元器件的焊接等可能要自己完成；元器件的焊接等可能要自己完成；在研发阶段，焊接组装由硬件设计人员在研发阶段，焊接组装由硬件设计人员完成，在生产阶段，焊接组装由专门的完成，在生产阶段，焊接组装由专门的人员完成。人员完成。先硬件后软件先硬件后软件v5.硬件调试硬件调试硬件调试包括：硬件调试包括：电源调试电源调试各模块调试各模块调试对比调试对比调试时钟调试时钟调试复位调试；复位调试；硬件调试需要经验和严谨的工作态度，硬件调试需要经验和严谨的工作态度，否则很难设计出成功的产品。否则很难设计出成功的产品。先硬件后软件先硬件后软件v软件子系统的设计软件子系统的设计长期以来，受硬件组件自身处理速度和长期以来，受硬件组件自身处理速度和处理能力的限制，系统软件不能处理复处理能力的限制，系统软件不能处理复杂的、大量的程序，只能依据硬件组件杂的、大量的程序，只能依据硬件组件提供的环境进行软件设计。提供的环境进行软件设计。先硬件后软件先硬件后软件v在此环境下的软件子系统的设计内容包括：在此环境下的软件子系统的设计内容包括：1.定义软件接口；定义软件接口；2.规定系统启动和关闭过程；规定系统启动和关闭过程；3.规定出错处理方案；规定出错处理方案；4.监视计时器。监视计时器。先硬件后软件先硬件后软件v先硬件后软件设计存在的问题先硬件后软件设计存在的问题1.过多地依赖系统分析员的经验；过多地依赖系统分析员的经验；2.如果出现问题，需要返回重新设计；如果出现问题，需要返回重新设计；3.只能用于系统规模比较小的嵌入式系只能用于系统规模比较小的嵌入式系统开发。统开发。接下来介绍接下来介绍接下来介绍接下来介绍v软硬件分开设计软硬件分开设计v先硬件后软件先硬件后软件v先软件后硬件先软件后硬件先软件后硬件先软件后硬件v先软件后硬件的设计思想先软件后硬件的设计思想先设计软件指的是先设计那些与硬件无先设计软件指的是先设计那些与硬件无关的软件部分，如数据处理算法等；关的软件部分，如数据处理算法等；与硬件关系密切的软件需要等到硬件确与硬件关系密切的软件需要等到硬件确定后再设计。定后再设计。v先软件后硬件设计主要应用在算法很复杂先软件后硬件设计主要应用在算法很复杂的场合。的场合。