從技術(shù)層級分析典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是什么樣的？

嵌入式系統(tǒng)的典型特征是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，市場應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的導(dǎo)向和前提。一個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計取決于系統(tǒng)的需求。本文主要給大家分享一個典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。供大家參考!

通常來說，一個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程如下：

確定嵌入式系統(tǒng)的需求;

設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)：選擇處理器和相關(guān)外部設(shè)備，操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺以及軟硬件的分割和總體系統(tǒng)集成;

詳細的軟硬件設(shè)計和RTL代碼、軟件代碼開發(fā);

軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成;

系統(tǒng)的測試。

一、步驟1：確定系統(tǒng)的需求：

嵌入式系統(tǒng)的典型特征是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，市場應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的導(dǎo)向和前提。一個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計取決于系統(tǒng)的需求。

1、MVB總線簡介

列車通信網(wǎng)(Train CommunicaTIon Network，簡稱TCN)是一個集整列列車內(nèi)部測控任務(wù)和信息處理任務(wù)于一體的列車數(shù)據(jù)通訊的IEC國際標(biāo)準(zhǔn)(IEC-61375-1)， 它包括兩種總線類型絞線式列車總線(WTB)和多功能車廂總線(MVB)。

TCN在列車控制系統(tǒng)中的地位相當(dāng)與CAN總線在汽車電子中的地位。多功能車輛總線MVB是用于在列車上設(shè)備之間傳送和交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)通信介質(zhì)。附加在總線上的設(shè)備可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它們都和 MVB總線相連，通過MVB總線來交換信息，形成一個完整的通信網(wǎng)絡(luò)。在MVB系統(tǒng)中，根據(jù)IEC-61375-1列車通信網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)， MVB總線有如下的一些特點：

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：MVB總線的結(jié)構(gòu)遵循OSI模式，吸取了ISO的標(biāo)準(zhǔn)。支持最多4095個設(shè)備，由一個中心總線管理器控制。簡單的傳感器和智能站共存于同一總線上。

數(shù)據(jù)類型：MVB總線支持三種數(shù)據(jù)類型：

a.過程數(shù)據(jù)：過程變量表示列車的狀態(tài)，如速度、電機電流、操作員的命令。過程變量的值叫過程數(shù)據(jù)。它們的傳輸時間是確定的和有界的。為保證這一延遲時間，這些數(shù)據(jù)被周期性地傳送。

b.消息數(shù)據(jù)：消息被分成小的包，這些包分別被編號并由目的站確認(rèn)。消息包及與之相關(guān)的控制數(shù)據(jù)形成消息數(shù)據(jù)。消息數(shù)據(jù)以命令方式傳輸。功能消息被應(yīng)用層所使用;服務(wù)消息用于列車通信系統(tǒng)自身的管理等。

c.監(jiān)視數(shù)據(jù)：是短的幀，主設(shè)備用它作同一總線內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)校驗、聯(lián)機設(shè)備的檢測、主權(quán)傳輸、列車初運行和其它管理功能。

介質(zhì)訪問形式：MVB總線支持RS485銅介質(zhì)和光纖。其物理層的數(shù)據(jù)格式為1.5Mbps串行曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)。

MVB的介質(zhì)訪問是由總線管理器BA進行管理的，總線管理器BA是唯一的總線主設(shè)備，所有其它設(shè)備都是從設(shè)備。主設(shè)備按照某種預(yù)定的順序?qū)Χ丝谶M行周期性輪詢，在周期的間隔中，主設(shè)備轉(zhuǎn)而處理偶發(fā)性請求。

可靠性措施：MVB容錯措施包括

發(fā)送的完整性：鏈路層有擴充的檢錯機制，該機制提供的漢明碼距為8，可檢測位、幀和同步錯誤。

故障的獨立性：通常對銅介質(zhì)進行完全雙份配置，以確保設(shè)備故障的獨立性。

發(fā)送的可用性：可用性可以通過介質(zhì)冗余、電源冗余、管理器冗余等措施得以提高。

2、MVB系統(tǒng)的基本需求如下：

a. 完全與IEC-61375-1(TCN) 國際標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持MVB總線定義的三種數(shù)據(jù)類型過程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)。

b. 系統(tǒng)可配置成為：

i. 總線管理器(BA)功能

ii. 總線管理器(BA)功能和通信功能

iii. 獨立的通信功能

c. 采用ARM7TDMI的處理器

d. 采用實時操作系統(tǒng)

e. 供TCN的實時協(xié)議棧協(xié)議(RTP)

f. 支持 4096 邏輯端口的過程數(shù)據(jù)

g. 支持與上位PC104主機的雙口RAM接口

h. 輸入電壓5V

i. 工作環(huán)境溫度：-40℃～75℃

3、其他需求

多功能車輛總線MVB系統(tǒng)與用戶的列車控制系統(tǒng)同步設(shè)計，有著嚴(yán)格的時間限制。

二、步驟2：設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，協(xié)同分配硬件/軟件方面的要求

嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分：硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、 I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè);軟件部分以軟件開發(fā)平臺為核心，向上提供應(yīng)用編程接口(API)，向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。根據(jù)OSI的七層模型可以確定鏈路層和物理層由硬件實現(xiàn)，其他各層由軟件實現(xiàn)，如圖1。

圖1：MVB的OSI模型和MVB系統(tǒng)軟硬件劃分。

1、嵌入式操作系統(tǒng)選擇：

通常而言，為一個嵌入式系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)要考慮如下幾個因素：

操作系統(tǒng)支持的微處理器

操作系統(tǒng)的性能

操作系統(tǒng)的軟件組件和設(shè)備驅(qū)動程序

操作系統(tǒng)的調(diào)試工具，開發(fā)環(huán)境、在線仿真器(ICE)、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及模擬器等等

操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)兼容性

操作系統(tǒng)的技術(shù)支持程度

操作系統(tǒng)是提供源代碼還是目標(biāo)代碼

操作系統(tǒng)的許可使用情況

操作系統(tǒng)的開發(fā)者聲譽狀況

根據(jù)系統(tǒng)的需求和以上的原則，在MVB系統(tǒng)中采用了Vxworks實時操作系統(tǒng)，VxWorks 是風(fēng)河公司(Windriver)開發(fā)的實時操作系統(tǒng)之一，以其優(yōu)秀的可靠性、實時性及內(nèi)核的可裁減性，被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航天、航空、工業(yè)控制等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域，其開發(fā)環(huán)境為Tornado。

2、處理器的選擇：

在為嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時需要考慮以下幾個方面：

性能：處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務(wù)和支持產(chǎn)品生命周期。

工具支持：支持軟件創(chuàng)建、調(diào)試、系統(tǒng)集成、代碼調(diào)整和優(yōu)化工具對整體項目成功與否非常關(guān)鍵。

操作系統(tǒng)支持：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需要使用有幫助的抽象來減少其復(fù)雜性。

開發(fā)人員過去的處理器經(jīng)驗：擁有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗可以減少可觀的學(xué)習(xí)新處理器、工具和技術(shù)的時間。

成本，功耗，產(chǎn)品上市時間，技術(shù)支持等等

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，綜合以上各方面的因素，考慮到處理器性能，操作系統(tǒng)支持以及列車上嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境等等，在MVB系統(tǒng)中選用了ATMEL用于工業(yè)控制領(lǐng)域的工業(yè)級的AT91系列ARM處理器AT91M40800，它是基于ARM7TDMI內(nèi)核，內(nèi)含高性能的32位RISC處理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可編程外部總線接口(EBI)、3通道16位計數(shù)器/定時器、32個可編程I/O口、中斷控制器、2個USART、可編程看門狗定時器、主時鐘電路和 DRAM時序控制電路，并配有高級節(jié)能電路;同時，可支持JTAG調(diào)試，主頻可達到40MHz。