嵌入式系统设计方法

嵌入式系统是将一个电子系统嵌入到一个物理系统中，连接起物理系统和电子信息系统，从而实现信息系统对物理系统观察和控制。

一个嵌入式系统的设计，可以从总则上分三大步骤：建模 –> 设计 -> 分析。这里所说的设计，是理论的设计，图纸的设计，而不涉及到系统的实施。

Ø 建模：根据系统的物理特性、行为逻辑、业务逻辑等，建立系统的数学据模型。对于不同类型的系统，有不同的描述方式，比如对于人人机交互可以用状态机模型，对于一个控制系统可以用状态空间方程或者传递函数，对于一个交易系统可以用流程图。对于一个大系统，也可以分解成多个子系统，子系统建立不同的数学模型，这个大系统是不同数学模型的组合。

Ø 设计：根据系统的数学模型，创建实现系统模型的结构，指定系统如何实现功能，这包括硬件系统、软件系统的设计、软硬件结合的设计。

Ø 分析：说明设计的系统为什么能完成它的设计目标，这个设计目标包括功能、性能等指标。

嵌入式系统的组成

对于一个系统，大致可以分为四大功能组件：输入，处理，控制，输出。

• 输入：信号采集，信息输入；一般包括模拟信号（AI）、数字信号(DI)、信息录入等；

• 处理：对输入的信息进行处理，提取出有效信息；一般是指各种滤波算法；

• 控制：根据有效信息、系统的模型以及期望的结果，设计控制算法；

• 输出：将控制信息输出。一般为模拟信号(DA)、数字信号（DO）等。

而软件运行的载体，就是硬件。比如信号的输入就是各种传感器，输出就是各种执行部分，处理、控制算法，则需要运行在MCU、CPU、FPGA上，运行的数据需要存储在RAM、Flash上。

嵌入式系统软件模型

对于PC机、手机、服务器等编程，已经有多种实践模型，基础的如面向对象思想，基于组件的思想，面向接口编程，函数式编程。在应用层有MVC，23种设计模式，领域驱动等。但在嵌入式编程上，由于受到硬件资源和实时性要求的限制，过于重的设计实践和编程语言，在嵌入式系统上根本无法实现。结合自己的实际编程经验和自己的思考，建立起自己的嵌入式编程模型。

嵌入式软件一般由芯片驱动、板级驱动、操作系统、文件系统、通讯协议、UI等组成，其中包括信号处理代码、控制算法代码，也是嵌入式软件的一部分，对于这些功能组件，如何将它们按照一个有效方式，组合起来以实现系统功能要求，这种组合方式，就是嵌入式编程模式。

系统的运行过程，是个动态连续的过程，相同的连续过程，可以认为系统处于一个状态，状态与状态之间，通过事件触发转移。系统中的相关元素集合，可以抽象为对象，对象是变量和方法的集合。

Ø 对象描述

对象是软件的基本操作单元，对象由变量进行描述，对象的方法是对对象变量的操作。

Ø 状态空间

状态空间是系统所有状态的合集，各状态之间可以相互转换，某状态可以是另一状态的子状态。各状态间的转移是通过事件触发的。

Ø 事件驱动

通过事件，来实现任务间的同步。一个事件，可能会触发一个动作，也可能触发一次状态转移。

以最简单的交通灯控制为例

对象描述：

typedef struct {
    Color_t  color;     //交通灯颜色
    int     hold_time;  //交通灯的保持时间} Ligght_t;

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

交通灯控制系统的状态空间

typedef enum {
    STOP,
    WAIT,
    THROUGH
}

三个状态对应的led对象为

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

事件触发：

事件由于定时器产生，定时器在15秒，3秒，45秒之间循环，每次计时完成，则发出一个信号，同时进行另一个计时。主任务接收到信号后，进行状态切换，同时输出根据状态，控制对应的交通灯的颜色。

伪代码：
main(){    while(1){        switch(state){            case STOP:
                Light.Turn(red);
                state ++;                break;            case STOP_HOLD:
                Wait_TimeOUt(15)；   //15秒后，状态切换
                state ++;                break;            case WAIT:
                Light.Turn(yellow);
                state ++;                break;            case WAIT_HOLD:
                Wait_TimeOUt(3)； //3秒后，状态切换
                state ++;                break;            case THROUGH:
                Light.Turn(green);
                state ++;                break;            case THROUGH_HOLD:
                Wait_TimeOUt(45); //45秒后，状态切换
                state = STOP;                break;
        }
    }      
}

对于同一个系统，也可以从不同的角度定义状态空间和状态转移过程，但是他们在逻辑上是等效的。

在一些系统中，如protothread、STC51的任务调度系统，均是采用类似的方案。

关键词： 嵌入式 系统设计