1、第16章 基于硬件構(gòu)件的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法,V1.0 2009.2,本章目錄,嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所遇到的若干問題,16.1,嵌入式硬件構(gòu)件的基本思想與應(yīng)用方法,16.2,基于硬件構(gòu)件的嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)原則,16.3,基于硬件構(gòu)件的嵌入式底層軟件構(gòu)件的編程方法,16.4,硬件構(gòu)件化嵌入式開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例,16.5,16.1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所遇到的若干問題,目前，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)主要存在以下兩大問題： 1.硬件設(shè)計(jì)缺乏重用支持 目前缺少可供硬件設(shè)計(jì)工程師們共同遵守的設(shè)計(jì)規(guī)范 2.驅(qū)動(dòng)程序可移植性差 開發(fā)人員在編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)缺少軟件工程思想的支撐 缺乏通用性，可移植性和可復(fù)用性較差,16.2 嵌入

2、式硬件構(gòu)件的基本思想與應(yīng)用方法,1. 什么是嵌入式硬件構(gòu)件？ 嵌入式硬件構(gòu)件是指將一個(gè)或多個(gè)硬件功能模塊、支撐電路及其功能描述封裝成一個(gè)可重用的硬件實(shí)體，并提供一系列規(guī)范的輸入/輸出接口。 2. 接口的分類 根據(jù)接口之間的生產(chǎn)消費(fèi)關(guān)系，接口可分為兩類。 提供接口 需求接口,16.2 嵌入式硬件構(gòu)件的基本思想與應(yīng)用方法(續(xù)),3. 硬件構(gòu)件的分類 根據(jù)所擁有接口類型的不同，硬件構(gòu)件分為三類。 核心構(gòu)件:只有提供接口，沒有需求接口 中間構(gòu)件:既有需求接口又有提供接口 終端構(gòu)件:終端構(gòu)件只有需求接口,16.3 基于硬件構(gòu)件的嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)原則,16.3.1 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的基本問題 1MCU

3、的選擇 MCU功能、價(jià)格、功耗、供電電壓、I/O口電平。 管腳數(shù)目、MCU的封裝、電氣性能等因素。 2電源 考慮系統(tǒng)對電源的需求。 考慮芯片與器件對電源波動(dòng)性的需求。 考慮工作電源是使用電源模塊還是使用外接電源。 功能、MCU的價(jià)格、功耗、供電電壓、I/O口電平、管腳數(shù)目 代碼臨界段也稱為臨界區(qū)，指不可分割處理的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打擾。 2共享資源 任何被任務(wù)所占用的實(shí)體都可稱之為資源 可以被一個(gè)以上任務(wù)使用的資源叫做共享資源 每個(gè)任務(wù)在與共享資源打交道時(shí)必須獨(dú)占該資源 3內(nèi)核 多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。,16.3.1 設(shè)計(jì)時(shí)需要

4、考慮的基本問題,3普通I/O口 上拉、下拉電阻。 開關(guān)量輸入。一定要保證高低電壓分明。 開關(guān)量輸出。高電平接近電源電壓，低電平接近地電平 4A/D電路與D/A電路 A/D電路：要清楚前端采樣基本原理，對電阻型、電流型和電壓型傳感器采用不同的采集電路。 D/A電路：考慮MCU的引腳通過何種輸出電路控制實(shí)際對象。,16.3.2 硬件構(gòu)件化電路原理圖繪制規(guī)則,1硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)的通用規(guī)則 元器件命名格式：對于核心構(gòu)件，其元器件直接編號(hào)命名，同種類型的元件命名時(shí)冠以相同的字母前綴。 為硬件構(gòu)件添加詳細(xì)的文字描述，包括中文名稱、英文名稱、功能描述、接口描述、注意事項(xiàng)等，以增強(qiáng)原理圖的可讀性。 將前兩步產(chǎn)生的

5、內(nèi)容封裝在一個(gè)虛線框內(nèi)，組成硬件構(gòu)件的內(nèi)部實(shí)體。 為該硬件構(gòu)件添加與其它構(gòu)件交互的輸入/輸出接口標(biāo)識(shí)。 2核心構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)則 核心構(gòu)件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：凡是使用該MCU進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，核心構(gòu)件可以直接“組裝”到系統(tǒng)中，無須任何改動(dòng)。,16.3.2 硬件構(gòu)件化電路原理圖繪制規(guī)則(續(xù)),3中間構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)則 中間構(gòu)件是核心構(gòu)件與終端構(gòu)件之間通信的橋梁。 既要有接受其它構(gòu)件提供的服務(wù)的接口，又要有為其他構(gòu)件提供服務(wù)的接口 將構(gòu)件的需求接口放置在構(gòu)件實(shí)體的左側(cè)，提供接口放置在右側(cè)。 4終端構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)則 終端構(gòu)件是嵌入式系統(tǒng)中最常見的構(gòu)件。 有與上一級(jí)構(gòu)件交互的需求接口，因而接口標(biāo)識(shí)均為斜體標(biāo)注的接口注釋。

6、 例如LCD、LED、指示燈構(gòu)件。,16.3.2 硬件構(gòu)件化電路原理圖繪制規(guī)則(續(xù)),5使用硬件構(gòu)件組裝系統(tǒng)的方法 使用硬件構(gòu)件化思想設(shè)計(jì)嵌入式硬件系統(tǒng)的過程是： （1）根據(jù)系統(tǒng)的功能劃分出若干個(gè)硬件構(gòu)件。 （2）將所有硬件構(gòu)件原理圖“組裝”在一起。 （3）為中間構(gòu)件和終端構(gòu)件添加接口網(wǎng)標(biāo)。,16.3.3 PCB設(shè)計(jì)基本原則,1布局規(guī)劃基本原則 首先要打印出相應(yīng)的原理圖，確定整個(gè)PCB板的大體布局，即各個(gè)硬件構(gòu)件的位置安排。 PCB板的形狀如無其他要求，一般為矩形，長寬比為4:3或3:2。 考慮面板上元件的放置要求?？紤]邊緣接口。 2元件放置 盡可能正放。放置要求整齊。同一硬件構(gòu)件內(nèi)的元件盡可

7、能排放在一起。 源模塊的濾波電容要求靠近電源，考慮元件間的距離。 PLL濾波電路應(yīng)盡量靠近MCU。,16.3.3 PCB設(shè)計(jì)基本原則(續(xù)),3有關(guān)設(shè)定 線寬。導(dǎo)線盡可能寬，這樣既可以減小阻抗，又可以防止由于制造工藝的原因?qū)е聦?dǎo)線斷路 間距。導(dǎo)線間距離以及導(dǎo)線與元件間距離要盡可能地大，這樣可以有效解決焊接時(shí)短路的問題。 過孔大小。過孔大小設(shè)定要適中。 4布線 布線時(shí)，應(yīng)該首先對時(shí)鐘和高速信號(hào)進(jìn)行布線，以確保它們的走線盡可能直接。 石英晶振和對噪聲特別敏感的器件下面不要走線。 布板完成后一定要進(jìn)行自動(dòng)與人工檢查。,16.3.3 PCB設(shè)計(jì)基本原則(續(xù)),5測量點(diǎn) 原理圖中模塊的輸入輸出引腳。 最小

8、系統(tǒng)模塊中MCU的引腳。 各硬件功能模塊單元的輸入、輸出口。 6模塊標(biāo)示 PCB板上用矩形框?qū)⒏鱾€(gè)硬件構(gòu)件區(qū)分開。 并用漢字標(biāo)出構(gòu)件名（與原理圖一致），并注意字體字號(hào)。 7鋪地 在鋪地前，要設(shè)定地與導(dǎo)線、地與引腳之間的距離，并要求該距離盡可能大。 如果電路板中有數(shù)字地和模擬地，應(yīng)將它們隔離開，兩者間使用磁珠相連。,16.3.3 PCB設(shè)計(jì)基本原則(續(xù)),8空余位置的利用 電源、地?？瞻滋幎嗔魩着烹娫春偷亍?雙排孔。留出幾排兩孔相連的排孔，以用來擴(kuò)展或試驗(yàn)時(shí)焊接其他元件。 固定孔。在PCB上畫固定板的固定孔，一般在板的四個(gè)角落 6標(biāo)注相關(guān)信息 在完成PCB板的鋪地之后，要在板的正面適當(dāng)位置標(biāo)出以

9、下信息 單位、日期、責(zé)任人、PCB板的名稱、編號(hào)等。,16.4 基于硬件構(gòu)件的嵌入式底層軟件構(gòu)件的編程方法,16.4.1 嵌入式硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的層次模型 嵌入式軟件構(gòu)件（Embedded Software Component, ESC）是實(shí)現(xiàn)一定嵌入式系統(tǒng)功能的一組封裝的、規(guī)范的、可重用的、具有嵌入特性的軟件單元，是組織嵌入式系統(tǒng)的功能單位。 嵌入式軟件構(gòu)件分為高層軟件構(gòu)件和底層軟件構(gòu)件。 高層構(gòu)件與硬件無關(guān)。 底層構(gòu)件與硬件密不可分，是硬件驅(qū)動(dòng)程序的封裝。 中間構(gòu)件和終端構(gòu)件是核心構(gòu)件的“外設(shè)”。 “外設(shè)”的驅(qū)動(dòng)程序封裝而成的軟件構(gòu)件稱為底層外設(shè)構(gòu)件,16.4.1 嵌入式硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)

10、件的層次模型,16.4.2 底層構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)方法與編程思想,頭文件和源程序文件兩部分組成。 對構(gòu)件的共性和個(gè)性進(jìn)行分析，抽取出構(gòu)件的屬性和對外接口函數(shù)。 在編寫構(gòu)件時(shí)，主要注意以下幾方面的內(nèi)容: 構(gòu)件的頭文件和源程序文件的主文件名一致，且為構(gòu)件名。 屬性和操作的命名統(tǒng)一以構(gòu)件名開頭。 對MCU內(nèi)的模塊寄存器名和端口名進(jìn)行重定義。 內(nèi)部函數(shù)與外部函數(shù)要設(shè)計(jì)合理，函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)及類型要考慮全面。 應(yīng)用程序在使用底層構(gòu)件時(shí)，嚴(yán)格禁止通過全局變量來傳遞參數(shù)，所有的數(shù)據(jù)傳遞都要通過函數(shù)的形式參數(shù)來接收。,16.4.3 硬件構(gòu)件及底層軟件構(gòu)件的重用與移植方法,移植是指將一個(gè)系統(tǒng)中使用到的構(gòu)件應(yīng)用到另外一個(gè)系統(tǒng)

11、中。 硬件構(gòu)件的重用與移植。 以終端構(gòu)件LCD為例，介紹硬件構(gòu)件的移植方法 底層構(gòu)件的移植。 以SCI和LCD為例介紹底層構(gòu)件的移植方法 在進(jìn)行軟硬件移植時(shí)，設(shè)計(jì)人員所做的改動(dòng)要盡量小，而不是不作任何改動(dòng)。,16.5 硬件構(gòu)件化嵌入式開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例,以“高溫爐溫度控制系統(tǒng)”為例。系統(tǒng)功能：,16.5.2 硬件設(shè)計(jì),16.5.2 軟件設(shè)計(jì),1底層構(gòu)件設(shè)計(jì) 通用IO（GPIO）構(gòu)件：初始化端口、設(shè)置端口狀態(tài)以及獲取端口狀態(tài)等。 指示燈（Light）構(gòu)件：點(diǎn)亮或熄滅出錯(cuò)指示燈、運(yùn)行指示燈等。 Flash構(gòu)件：將指定內(nèi)容寫入Flash的指定單元中，用于設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)等。 以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（EPHY）構(gòu)件：初始化EPHY模塊、獲取網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。 快速以太網(wǎng)控制器（FEC）構(gòu)件：初始化FEC模塊、發(fā)送以太幀、接收以太幀。 定時(shí)器（GPT）構(gòu)件：初始化定時(shí)器。 模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）構(gòu)件：初始化A/D轉(zhuǎn)換模塊、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、均值濾波等。 鍵盤（KeyBoard）構(gòu)件：掃描并獲取鍵盤按鍵值。 液晶顯示（LCD）構(gòu)件：初始化LCD、顯示字符數(shù)據(jù)等。,16.5.2 軟件設(shè)計(jì)(續(xù)),2主程序設(shè)計(jì),16.5.2 軟件設(shè)計(jì)(續(xù)),3中斷程序設(shè)計(jì) 低端軟件的中斷程序主要響