计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学第6章 嵌入式系统设计技术 嵌入式系统设计的特点 嵌入式系统的组成 嵌入式系统统的设计设计 流程 统一建模语言UML 设计示例：车载GPS终端系统的设计计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学嵌入式系统设计的特点 嵌入式系统通常是面向特定应用的系统； 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； 嵌入式系统设计需要交叉开发环境； 嵌入式系统的程序需要固化； 嵌入式系统的软件开发难度较大 ； 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。对稳定性、可靠性、功耗、抗干扰性、 重量体积等方面的性能要求都比通用系统的要求 更为严格和苛刻。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学“宿主机/目标机”方式嵌入式系统的开发通常采用“宿主机/目标机”方式。 宿主机（Host）：一台通用的计计算机，一般是PC机。它通 过过串口或网络连络连 接与目标标机进进行通信。 目标标机（Target）：常用在嵌入式系统统的开发过发过 程期间间。 目标标机可以是嵌入式系统统的实际实际 运行环环境，也可以是能替 代实际环实际环 境的仿真系统统。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学嵌入式系统的组成计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学硬件层硬件层：由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口 和I/O接口（A/D 、D/A、I/O等）组成。 在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和 存储器电路（ROM 和SDRAM等），就构成了一个嵌入式核心 控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学中间层 中间层：也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer,HAL）或板极支持包（Board Support Package，BSP），它把系统软件与底层硬件部分隔 离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。 BSP的特点： 1)操作系统相关性 2)硬件相关性 设计一个完整的BSP需要完成两部分工作： 1）嵌入式系统的初始化:片级级初始化、板级级初始 化和系统级统级 初始化 2）设计硬件相关的设备驱动。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学软件层 软件层：由实时多任务操作系统（RTOS）、文件 系统、图形用户接口（GUI）、网络系统及通用组 件模块组成。 RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 RTOS实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系 统复位后首先执行，相当于用户的主程序，用户 的其他应用程序都建立在RTOS之上。 RTOS是一个标准的内核，它将CPU时钟、中断、 I/O、定时器等资源都封装起来，留给用户的是一 个标准的API函数接口。 计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学功能层与执行装置 功能层：由基于RTOS开发的应用程序组成，用来 完成对被控对象的控制功能。 功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操 作，往往需要提供一个友好的人机界面。 执行装置：是指那些可以接受嵌入式计算机系统 发出的控制命令，执行所规定的操作或任务的设 备和装置。 在不同的应用领域中，嵌入式系统的执行装置一 般是不同的，应该根据具体的应用场合和系统所 要求实现的功能选择不同的设备和执行装置。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学嵌入式系统的设计流程计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学统一建模语言UML概述 统一建模语言UML：可视化建模语言，属于第三代 面向对象建模语言。它将模型中的信息用标准图 形元素直观地表示出来，便于人员交流。 特点： 1) UML语言简单,易学、易用； 2) UML采用可视化的图形描述，比较形象直观； 3) 可使不同技术背景的开发人员和设计人员很容 易的相互交流； 4) UML语言是第三代面向对象建模语言的标准， 被绝大多数业内人士认同； 5) UML采用图形化的设计，将系统的核心部分描 述出来，可以供以后系统开发使用； 6) 有利于项目的回溯和测试。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学UML组成UML采用图形表示法，它的重要内容是由一些图来定义的 。设计人员就是用这些图来描述整个系统的功能和设计。 UML包括4部分： （1）视图（View）：UML的视图并不是图形，而是由许 多图（Diagram）组成的一个抽象，视图显示表达系统的各 个不同方面。 （2）图（Diagram）：描述UML视图内容的图形。UML共 有9种不同类型的图，通过它们的相互组合来表示出被建模 系统的所有的视图。 （3）模型元素（Model Element）：UML图中使用的概念 就是模型元素。模型元素代表普通的面向对象的概念，例 如类、对象、消息以及这些概念之间的关系。 （4）通用机制（General Mechanism）：UML提供的通用 机制为模型元素提供一些附加的信息、注释、语义。这些 通用机制也提供扩展机制，允许用户对UML进行扩展，以 便适应一个特定的方法/过程、组织或用户。 计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学UML中的视图 5种视图： （1）用例视图（Use Case View）：描述系统应该交付的功能 ，是外部参与者（Actor）观察到的系统功能。用例视图利 用用例图、活动图进行描述。 一个用例就是对系统的一个功能的通用描述。 用例视图是核心。系统的最终目标，系统提供的功能在用例 视图中被描述。用例视图会对所有其他的视图产生影响。（2）逻辑视图（Logical View）：从系统的静态结构和动态行 为角度显示如何实现系统的功能，描述如何实现用例视图中 提出的那些系统功能，逻辑视图注重的是系统的内部。 （3）组件视图（Component View）：显示代码组件的组织结 构，描述模块以及它们之间的依赖关系。组件是不同类型的 代码模块，通过代码模块的结构和依赖关系来表示。 （4）并发视图（Concurrency View）：显示系统的并发性，解 决并发系统中存在的通信和同步问题。主要考虑资源的有效 利用、代码的并行执行以及系统环境中异步事件的处理。 （5）部署视图（Deployment View）：显示系统的具体部署， 将系统部署到有计算机和设备（称之为Node）组成的物理结 构上。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学UML中的图1 9种图：用例图、类图、对象图、状态图、顺序图、协作图 、活动图、组件图和部署图。 （1）用例图（Use Case Diagram） 显示多个外部参与者（Actor）以及它们与系统提供的用例 之间的连接，定义系统的功能需求。 一个用例是对系统提供的某个功能的描述，用例只是描述 系统活动者从外部观察系统所得到的那些功能，并不描述 这些功能在系统内部是如何实现的。 一个评分系统的用例图 ：计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学UML中的图2（2）类图（Class Diagram） 显示系统中各个类的静态结构。类图是静态图。 类代表系统内处理的事务，这些类可以多种方式连接：关 联、依赖、特殊化或者打包。 一个类的内部结构使用该类的属性和操作表示。 一个系统一般有几个类图，并不是所有的类都放在一个类 图中，一个类可以参与到多个类图中去。 评分系统的类图： 计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学UML中的图3（3）对象图（Object Diagram）类图的一个实体。对象图中，对象名带下划线。 与类图的区别：对象图显示的不是实际的类，而是类的多 个对象的实例。因此，对象图就是类图的一个例子，显示 系统执行时的一个可能的快照。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学UML中的图4（4）状态图（State Diagram） 显示类的对象可能具备的所有状态，以及那些引起状态改 变的事件。状态图是对类的描述的补充。 对象的一个事件可以是另一个对象向其发送的消息，例如 到了某个指定的时刻，或者已经满足了某个条件。 状态的变化称之为转换，一个转换也可以有一个与之相连 的动作，后者用以指定完成该状态转换应该执行的操作。 计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学UML中的图5（5）顺序图（Sequence Diagram）显示多个对象之间的动态协作。 重点是显示对象之间发送消息的时间顺序。 由多个用垂直线显示的对象组成，图中时间从上到下推移 ，并且顺序图显示对象之间随着时间的推移而交换的消息 或函数。 消息用带消息箭头的直线表示，位于垂直对象线之间。计算机科学与技术学院Zhaohwjlu.edu.cnCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学UML中的图6（6）协作图（Collaboration Diagram） 显示动态协作。 选择顺序图