嵌入式系统期末作业

嵌入式实时系统期末作业。

院（所）计算机学号***姓名王哲**** 158***

简要阐述嵌入式实时系统的设计方法并以中国北斗系统为例做地面接收终端的概要设计。

设计方法：一、嵌入式系统的定义。

21世纪是嵌入式计算系统时代，人们日常生活和工作中所接触的仪器与设备中，都将嵌入具有强大计算能力的微处理器。据统计，目前每年只有10%~20%的微处理器芯片用于台式计算机或笔记本电脑，80%左右的微处理器芯片是为嵌入式计算系统设计和制造的。嵌入式计算系统已广泛地应用到工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、军事设备等众多领域中。

尤其是最近几年，嵌入式计算系统不断进入到新的应用领域，如pda、手持设备、智能家庭设备、智能**等。

那么，什么是嵌入式计算系统呢？它是任意包含一个可编程计算机的设备，但是这个设备不是作为通用计算机而设计的。即嵌入式计算系统是嵌入在其他设备中，起智能控制作用的专用计算机系统。

一台通用个人电脑不能称为嵌入式计算系统，尽管有时会把它嵌入到某些设备中；而一台包含有微处理器的打印机、数码相机就可以算嵌入式计算系统。

根据摩尔定律，微处理器飞速发展的结果是使嵌入式计算成为一门学科。在嵌入式系统的早期阶段，所有基本硬件构件相对较小也较简单，如８位的cpu、74系列的芯片及晶体管等，其软件子系统采用一体化的监控程序，不存在操作系统平台。目前组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复杂，如16位、32位cpu或特殊功能的微处理器、特定功能的集成芯片、fpga或cpld等，其软件设计的复杂性成倍增长。

因此研究嵌入式系统的设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是嵌入式计算学科的关键技术。

二、嵌入式系统的设计过程。

一个好的设计方法是十分重要的，原因有3点：第一，它使人们对所做的工作的进度有清楚的了解，可以确保不遗漏其中的工作；第二，可以使整个开发过程分阶段进行，从而做到有条不紊地进行开发工作；第三，可以方便设计团队中的成员相互交流，相互配合以完成系统的设计目标。图1给出了嵌入式系统设计的主要步骤。

图1嵌入式系统设计步骤。

以自顶向下的角度来看，系统设计从系统需求分析开始；第二步是规格说明，这一步对需设计的系统功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的组成；第三步是系统结构设计，这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分；第四步是构件设计，包括系统程序模块设计、专用硬件，芯片选择及硬件电路设计；第五步是系统集成，在完成所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出所需的完整系统。

1、需求分析与规格说明在设计之前，必须清楚要设计什么。在设计的最初阶段，应从客户那里收集系统功能的非形式描述，在此称其为需求；对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，规格说明中应包含进行系统体系结构设计所需的足够信息。

在此把需求和规格说明区分开是必要的，因为嵌入式系统的用户不是专业人员，他们对系统的描述是建立在他们想象的、系统应具备的功能基础上，对系统可能有些不切实际的期望，表达要求时使用自己的话而不是专业术语。因而，必须将用户的描述转化为系统设计者的描述，从用户的需求中整理形成正式的规格说明。

用户需求通常包括功能部分和非功能部分。非功能部分需求主要包括性能、**、尺寸和重量、功耗等。

规格说明应更精确地反映用户的需求，设计者在设计时必须明确遵循。规格说明应小心编写，描述应足够清晰，不能有歧义，以便别人可以通过它来验证设计是否达到要求。规格说明中通常只描述系统应做什么，而不描述系统该怎么做。

描述规格说明的工具可采用统一建模语言（uml）。

2、体系结构设计。

系统结构设计的目的是描述系统如何实现系统的功能，它是系统整体结构的一个计划。只有在设计了一个并未涉及太多具体实现细节的初始体系结构后，才可能把系统框图再分成两部分框图：一部分是针对硬件，另一部分是针对软件。

系统结构描述必须同时满足功能上和非功能上的需求，不仅需求的功能要体现，而且必须符合成本、速度、功率和其他功能上的约束。首先从系统体系结构开始，逐步把这一结构细化为硬件和软件体系结构是确保系统符合规格说明的一种好方法，即首先集中考虑系统中的功能元素，然后在建造硬件和软件结构时考虑非功能约束。

3、构件设计。

体系结构设计中告诉人们需要什么样的构件，而构件设计中就是设计或选择符合体系结构和规格说明中所需求的构件。构件通常既包括硬件，如fpga、电路板等，也包括软件模块。

一些硬件构件是现成的。现成的硬件构件既有标准构件，也有专用构件，例如，cpu芯片、存储器芯片等就是标准构件，而在移动地图中的gps接收器就是专用构件。同样，软件构件也可利用标准软件模块，如地图数据库及数据库标准访问例程及函数。

在系统开发时，采用标准软件构件可以节约开发时间。

更多的情况下，需要自己设计一些构件，即使采用标准的集成电路，也必须设计连接它们的印刷电路板，同时需做大量的定制编程。当然，建立嵌入式软件模块时，必须用专业技能来确保系统实时性良好，并且在允许的范围内不占用更多的存储空间。在移动地图例子中，电能消耗特别重要，设计时应尽量减少存储器读写，因为存储器访问是主要的功耗**，存储器的访问必须精心安排，以避免多次读取相同的数据。

4、系统集成。

只有建立构件后，才能将它们合并得到一个可以运行的系统。当然，在系统集成阶段并不是仅仅把所有的构件连接在一起就行，通常都会发现以前设计上的错误，而良好的计划能帮助人们快速发现系统错误并改正它们。在系统集成时按阶段构架系统，并每次只对一部分模块排错，能够更容易地发现并定位错误。

只有在系统集成的早期修正这些错误，才能更好地发现并修正只有在系统高负荷，长时间运行时才会出现的复杂的或者含混的错误。必须确保在体系结构和各构件设计阶段尽可能按阶段集成系统，并相对独立地测试系统功能。

系统集成时要准确定位出现的错误是非常困难的，因为，嵌入式系统开发中使用的调试工具是有限的，比台式计算机要少得多。因此，嵌入式计算本身的这一特性，就决定了在系统集成阶段，要准确确定系统为何不能正确工作以及如何对此进行修复是很困难的。在这一阶段，设计者的专业知识和经验将起很大的作用。

概要设计：

一北斗终端系统简介。

北斗导航定位系统和其他的导航定位系统一样，用户应用终端设备始终是其一个重要组成部分，主要负责完成北斗信息接收，实现用户特定的应用需求。从卫星导航终端的应用对象来划分，用户应用终端通常包括手持式终端、车载式终端、舰载式终端以及嵌入式终端等多种类型，提供实时的导航定位、报文通信和授时业务。其主要组成部分为北斗接收天线、北斗射频信号处理模块以及北斗基带信息解析处理模块，完成对北斗射频信号的接收，解调以及数据解析的功能。

北斗卫星通信采用bcd编码长报文，每帧报文长度大于200b/次。通信主要有两种类型：一种是用户终端设备向北斗空间终端发出的控制指令；一种是北斗空间终端发送回来的北斗信息数据信息。

这些通信数据帧格式如下：

帧头：控制指令中的帧头包含同步头和指令类型，而接收信息数据帧的帧头则包含同步头和接收信息类型；帧长：表明数据帧长度；源地址：

表明控制指令发送地址或是接收信息接收地址；数据帧内容：包含控制指令通信申请信息或是接收信息帧的信息内容；校验码：控制指令数据帧和接收信息帧都采用校验和的方式对内容进行校验，即将校验码之前的数据异或和，与校验码做比较，检测数据帧的正确性。

二系统硬件模块设计。

2.1系统整体设计。

北斗终端系统可分为北斗射频信号处理模块和北斗用户信息解析处理模块。目前市面上的这两部分多采用有线方式相连，而北斗射频信号处理模块的天线和射频基带部分体积较大，若是将此部分与北斗用户信息解析处理模块结合在一起，在实际应用中会有诸多不便。因此加入了蓝牙通信功能模块，通过蓝牙无线传输的方式相连，使得北斗用户信息解析处理模块体积大大减小，便于用户携带。

系统总体结构设计北斗终端总体结构框如图1所示。

2.2北斗终端射频信号处理模块。

北斗终端射频信号解调接收模块主要负责接收北斗空间工作站发来的北斗射频信息，调理和解调输出。

本模块主要是基于fdbd3111北斗rdss射频基带模块及其应用电路组成，该模块集成了lna低噪放、射频通道、pa功放和基带处理四个功能模块，可接收/发射北斗射频信号，输出基带信号，输出接口为通用串口接口。

2.3蓝牙通信模块。

蓝牙通信模块，该模块带有串口接口，直接接到fdbd3111北斗rdss射频基。

带模块串口接口，主要负责将北斗基带信息转成蓝牙通信传输。该模块采用csr公司生产的蓝牙芯片bc417为主控芯片，采用蓝牙v2.0协议标准，工作频率为2.

4ghz.该芯片带有串口、usb等接口，可直接将串口或是usb信息转成蓝牙信息发送出去，也能将蓝牙接收的信息转成串口或是usb输出［4］。通过at指令，可将该蓝牙芯片设置成主机模式和从机模式，当芯片处于主机模式时，可直接与从机模式的芯片相连。

当芯片处于从机模式时，则可与手机蓝牙、电脑蓝牙等带有蓝牙功能设备相连，但处于从机模式的芯片之间不能互联。

2.4北斗终端用户信息解析处理模块。

北斗终端用户信息解析处理模块，主要负责发送特定的北斗指令和对应的北斗信息。该模块采用基于arm cortex-m3的stm32f103rbt嵌入式处理器作为主控芯片，该芯片最高可工作在72mhz频率，工作电压为2.0~3.

6v，拥有gpio、uart、adc等丰富的外设接口，具备优异的实时性能、杰出的功耗控制和良好外设性能等诸多优点，更重要的是st公司提供了stm32系列处理器固件库函数，降低了该芯片开发难度，大大缩短了产品开发周期。stm32f103rbt芯片将用户按键外部中断选择发送的北斗指令，加上北斗通信的报文帧头信息，长度信息和校验信息等，通过蓝牙通信模块传输给fdbd3111北斗rdss射频基带模块调制放大，最后输送到北斗天线上发送出去；同时，该芯片可读取并解析蓝牙通信模块接收的北斗用户信息，最后显示在tft液晶屏上，液晶背景**存储在sdcard中。系统工作框图如图3所示。

三北斗终端系统软件设计。

北斗信息处理模块是北斗终端的核心部分，它将北斗终端的各个组件以及功能模块贯穿在一起，。系统软件总体框图如图4所示。

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