嵌入式系統設計方法

嵌入式系統是將一個(gè)電子系統嵌入到一個(gè)物理系統中，連接起物理系統和電子信息系統，從而實(shí)現信息系統對物理系統觀(guān)察和控制。

一個(gè)嵌入式系統的設計，可以從總則上分三大步驟：建模 –> 設計 -> 分析。這里所說(shuō)的設計，是理論的設計，圖紙的設計，而不涉及到系統的實(shí)施。

? 建模：根據系統的物理特性、行為邏輯、業(yè)務(wù)邏輯等，建立系統的數學(xué)據模型。對于不同類(lèi)型的系統，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(gè)控制系統可以用狀態(tài)空間方程或者傳遞函數，對于一個(gè)交易系統可以用流程圖。對于一個(gè)大系統，也可以分解成多個(gè)子系統，子系統建立不同的數學(xué)模型，這個(gè)大系統是不同數學(xué)模型的組合。

? 設計：根據系統的數學(xué)模型，創(chuàng )建實(shí)現系統模型的結構，指定系統如何實(shí)現功能，這包括硬件系統、軟件系統的設計、軟硬件結合的設計。

? 分析：說(shuō)明設計的系統為什么能完成它的設計目標，這個(gè)設計目標包括功能、性能等指標。

嵌入式系統的組成

對于一個(gè)系統，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）、數字信號(DI)、信息錄入等；

• 處理：對輸入的信息進(jìn)行處理，提取出有效信息；一般是指各種濾波算法；

• 控制：根據有效信息、系統的模型以及期望的結果，設計控制算法；

• 輸出：將控制信息輸出。一般為模擬信號(DA)、數字信號（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，輸出就是各種執行部分，處理、控制算法，則需要運行在MCU、CPU、FPGA上，運行的數據需要存儲在RAM、Flash上。

嵌入式系統軟件模型

對于PC機、手機、服務(wù)器等編程，已經(jīng)有多種實(shí)踐模型，基礎的如面向對象思想，基于組件的思想，面向接口編程，函數式編程。在應用層有MVC，23種設計模式，領(lǐng)域驅動(dòng)等。但在嵌入式編程上，由于受到硬件資源和實(shí)時(shí)性要求的限制，過(guò)于重的設計實(shí)踐和編程語(yǔ)言，在嵌入式系統上根本無(wú)法實(shí)現。結合自己的實(shí)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動(dòng)、板級驅動(dòng)、操作系統、文件系統、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(gè)有效方式，組合起來(lái)以實(shí)現系統功能要求，這種組合方式，就是嵌入式編程模式。

系統的運行過(guò)程，是個(gè)動(dòng)態(tài)連續的過(guò)程，相同的連續過(guò)程，可以認為系統處于一個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)與狀態(tài)之間，通過(guò)事件觸發(fā)轉移。系統中的相關(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(jìn)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)空間是系統所有狀態(tài)的合集，各狀態(tài)之間可以相互轉換，某狀態(tài)可以是另一狀態(tài)的子狀態(tài)。各狀態(tài)間的轉移是通過(guò)事件觸發(fā)的。

? 事件驅動(dòng)

通過(guò)事件，來(lái)實(shí)現任務(wù)間的同步。一個(gè)事件，可能會(huì )觸發(fā)一個(gè)動(dòng)作，也可能觸發(fā)一次狀態(tài)轉移。

以最簡(jiǎn)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(shí)間} Ligght_t;

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

交通燈控制系統的狀態(tài)空間

typedef enum {
    STOP,
    WAIT,
    THROUGH
}

三個(gè)狀態(tài)對應的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(shí)器產(chǎn)生，定時(shí)器在15秒，3秒，45秒之間循環(huán)，每次計時(shí)完成，則發(fā)出一個(gè)信號，同時(shí)進(jìn)行另一個(gè)計時(shí)。主任務(wù)接收到信號后，進(jìn)行狀態(tài)切換，同時(shí)輸出根據狀態(tài)，控制對應的交通燈的顏色。

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(gè)系統，也可以從不同的角度定義狀態(tài)空間和狀態(tài)轉移過(guò)程，但是他們在邏輯上是等效的。

在一些系統中，如protothread、STC51的任務(wù)調度系統，均是采用類(lèi)似的方案。