嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法

嵌入式系統(tǒng)是將一個電子系統(tǒng)嵌入到一個物理系統(tǒng)中，連接起物理系統(tǒng)和電子信息系統(tǒng)，從而實現(xiàn)信息系統(tǒng)對物理系統(tǒng)觀察和控制。

一個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，可以從總則上分三大步驟：建模 –> 設(shè)計 -> 分析。這里所說的設(shè)計，是理論的設(shè)計，圖紙的設(shè)計，而不涉及到系統(tǒng)的實施。

? 建模：根據(jù)系統(tǒng)的物理特性、行為邏輯、業(yè)務(wù)邏輯等，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)據(jù)模型。對于不同類型的系統(tǒng)，有不同的描述方式，比如對于人人機交互可以用狀態(tài)機模型，對于一個控制系統(tǒng)可以用狀態(tài)空間方程或者傳遞函數(shù)，對于一個交易系統(tǒng)可以用流程圖。對于一個大系統(tǒng)，也可以分解成多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)建立不同的數(shù)學(xué)模型，這個大系統(tǒng)是不同數(shù)學(xué)模型的組合。

? 設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，創(chuàng)建實現(xiàn)系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，指定系統(tǒng)如何實現(xiàn)功能，這包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設(shè)計、軟硬件結(jié)合的設(shè)計。

? 分析：說明設(shè)計的系統(tǒng)為什么能完成它的設(shè)計目標，這個設(shè)計目標包括功能、性能等指標。

嵌入式系統(tǒng)的組成

對于一個系統(tǒng)，大致可以分為四大功能組件：輸入，處理，控制，輸出。

• 輸入：信號采集，信息輸入；一般包括模擬信號（AI）、數(shù)字信號(DI)、信息錄入等；

• 處理：對輸入的信息進行處理，提取出有效信息；一般是指各種濾波算法；

• 控制：根據(jù)有效信息、系統(tǒng)的模型以及期望的結(jié)果，設(shè)計控制算法；

• 輸出：將控制信息輸出。一般為模擬信號(DA)、數(shù)字信號（DO）等。

而軟件運行的載體，就是硬件。比如信號的輸入就是各種傳感器，輸出就是各種執(zhí)行部分，處理、控制算法，則需要運行在MCU、CPU、FPGA上，運行的數(shù)據(jù)需要存儲在RAM、Flash上。

嵌入式系統(tǒng)軟件模型

對于PC機、手機、服務(wù)器等編程，已經(jīng)有多種實踐模型，基礎(chǔ)的如面向?qū)ο笏枷耄诮M件的思想，面向接口編程，函數(shù)式編程。在應(yīng)用層有MVC，23種設(shè)計模式，領(lǐng)域驅(qū)動等。但在嵌入式編程上，由于受到硬件資源和實時性要求的限制，過于重的設(shè)計實踐和編程語言，在嵌入式系統(tǒng)上根本無法實現(xiàn)。結(jié)合自己的實際編程經(jīng)驗和自己的思考，建立起自己的嵌入式編程模型。

嵌入式軟件一般由芯片驅(qū)動、板級驅(qū)動、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、通訊協(xié)議、UI等組成，其中包括信號處理代碼、控制算法代碼，也是嵌入式軟件的一部分，對于這些功能組件，如何將它們按照一個有效方式，組合起來以實現(xiàn)系統(tǒng)功能要求，這種組合方式，就是嵌入式編程模式。

系統(tǒng)的運行過程，是個動態(tài)連續(xù)的過程，相同的連續(xù)過程，可以認為系統(tǒng)處于一個狀態(tài)，狀態(tài)與狀態(tài)之間，通過事件觸發(fā)轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)中的相關(guān)元素集合，可以抽象為對象，對象是變量和方法的集合。

? 對象描述

對象是軟件的基本操作單元，對象由變量進行描述，對象的方法是對對象變量的操作。

? 狀態(tài)空間

狀態(tài)空間是系統(tǒng)所有狀態(tài)的合集，各狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換，某狀態(tài)可以是另一狀態(tài)的子狀態(tài)。各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移是通過事件觸發(fā)的。

? 事件驅(qū)動

通過事件，來實現(xiàn)任務(wù)間的同步。一個事件，可能會觸發(fā)一個動作，也可能觸發(fā)一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

以最簡單的交通燈控制為例

對象描述：

typedef struct {
    Color_t  color;     //交通燈顏色
    int     hold_time;  //交通燈的保持時間} Ligght_t;

typedef struct {
    Color_t (* Turn)(Color_t color)
} Light_Op_t;

交通燈控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間

typedef enum {
    STOP,
    WAIT,
    THROUGH
}

三個狀態(tài)對應(yīng)的led對象為

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

事件觸發(fā)：

事件由于定時器產(chǎn)生，定時器在15秒，3秒，45秒之間循環(huán)，每次計時完成，則發(fā)出一個信號，同時進行另一個計時。主任務(wù)接收到信號后，進行狀態(tài)切換，同時輸出根據(jù)狀態(tài)，控制對應(yīng)的交通燈的顏色。

偽代碼：
main(){    while(1){        switch(state){            case STOP:
                Light.Turn(red);
                state ++;                break;            case STOP_HOLD:
                Wait_TimeOUt(15)；   //15秒后，狀態(tài)切換
                state ++;                break;            case WAIT:
                Light.Turn(yellow);
                state ++;                break;            case WAIT_HOLD:
                Wait_TimeOUt(3)； //3秒后，狀態(tài)切換
                state ++;                break;            case THROUGH:
                Light.Turn(green);
                state ++;                break;            case THROUGH_HOLD:
                Wait_TimeOUt(45); //45秒后，狀態(tài)切換
                state = STOP;                break;
        }
    }      
}

對于同一個系統(tǒng)，也可以從不同的角度定義狀態(tài)空間和狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，但是他們在邏輯上是等效的。

在一些系統(tǒng)中，如protothread、STC51的任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，均是采用類似的方案。