嵌入式系統(tǒng)設計的幾個關鍵步驟簡介

嵌入式系統(tǒng)是計算設備硬件中嵌入軟件作為其核心組件的應用。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，包括移動手持設備、洗衣機、微波爐、ATM 機、空調等等。由于某些特定的應用要求，工程師必須以不同于其它設計類型的特定方法進行嵌入式設計。

以下簡要介紹了進行嵌入式系統(tǒng)設計的幾個步驟：

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

2. 定義：接下來需要設計整個系統(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)學建模：設計讓系統(tǒng)按需工作的算法；

III. 功能建模：設計系統(tǒng)接受輸入并生成所需輸出的功能。

3. 技術選擇：基于上述幾點，設計人員可評估可用的技術，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)品上市進程。

4. 集成和 PCB 設計：列出實現(xiàn)您想要的功能所需的所有組件，并設計它們在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），而且應避免各種錯誤。設計 PCB 時，應特別注意鋪地以及 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（即應用代碼）所做的工作。固件應當最大限度地降低復雜性。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?shù)恼{試協(xié)議。

6. 測試：調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)，也就是硬件以及驅動該硬件的軟件。

7. 文檔：任何瀏覽您完整應用設計的人都不應該問您“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，我們應當準備好全面完整的文檔。

當前設計流程中存在的問題：

在開發(fā)嵌入式應用時，我們應當充分了解不同的芯片及其功能和復雜的架構，然后再創(chuàng)建系統(tǒng)設計流程。接下來，我們需要一款應用來為我們的產(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，設計人員需要相關工具，為不同的調試協(xié)議提供支持。我們或許無法重復使用代碼，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)設計需要考慮整個系統(tǒng)價格、性能、加速產(chǎn)品上市進程、尺寸、功耗、可維護性、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。因此，片上系統(tǒng) （SOC）的開發(fā)工作對于開發(fā)人員來說是相當繁瑣的。

嵌入式系統(tǒng)日益復雜，幾乎在任何情況下都需要可編程性。為此，設計人員需要工具來應對這種困難的局面，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雜架構芯片的例子，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。我們或許會發(fā)現(xiàn)，閱讀和了解相關的配置寄存器以及使用器件相關的其它底層信息可能比較復雜，因此我們需要一款直觀易用的系統(tǒng)設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用，以及為上述所有問題提供解決方案，賽普拉斯半導體公司推出了 PSoC Creator。PSoC Creator 通過其獨特的基于原理圖的格式能讓設計人員無需手動管理架構或配置寄存器即可開發(fā)應用。現(xiàn)在，我們要做的就是思考出設計方案，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計原理圖中即可繪制出設計。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計編輯器支持獨特而功能強大的軟硬件協(xié)同設計環(huán)境，我們才能實現(xiàn)這一目標。請注意，該工具不僅是將軟件開發(fā)環(huán)境和直觀的圖形設計編輯器完美地結合在一起，同時還支持全新理念的即時測試，能夠快速響應于硬件變化，創(chuàng)建可共享的設計組件庫，提供定制外設，支持片上外設的無差錯互動，并能使用內置的調試器實現(xiàn)完整的設計。

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：設計與配置拖放組件連接外設 I/O 到引腳設置時鐘頻率

步驟 2：開發(fā)調用內置 API C/匯編語言編程無差錯更方便

步驟 3：調試內置調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：重復使用快速方便地創(chuàng)建未來設計將工作設計集成到可重復使用的組件中

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 在您的設計中相結合。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，設計過程中不必考慮目標芯片屬于什么系列的問題，因為設計人員能在開發(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制（PWM）來控制 LED 的亮度。