嵌入式軟件設(shè)計(jì)（第2版）

前言

第1章　嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)1

1.1　嵌入式系統(tǒng)概述1

1.1.1　嵌入式系統(tǒng)的組成2

1.1.2　嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)4

1.1.3　嵌入式系統(tǒng)的分類5

1.1.4　學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識(shí)6

1.2　嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)知識(shí)7

1.2.1　輸入／輸出接口7

1.2.2　時(shí)鐘振蕩電路和時(shí)鐘單元8

1.2.3　存儲(chǔ)器8

1.2.4　中斷控制器9

1.2.5　嵌入式微處理器10

1.3　嵌入式系統(tǒng)總線13

1.3.1　片級(jí)總線13

1.3.2　板級(jí)總線19

1.3.3　系統(tǒng)級(jí)總線22

1.3.4　實(shí)例：UART串口通信開發(fā)25

1.4　分布式嵌入式系統(tǒng)33

1.4.1　分布式嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)33

1.4.2　嵌入式系統(tǒng)廣域網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入方式34

1.4.3　分布式工業(yè)控制嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)35

1.4.4　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)40

1.4.5　邊緣計(jì)算43

第2章　嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)46

2.1　系統(tǒng)思想46

2.1.1　系統(tǒng)的定義及組成47

2.1.2　重要的系統(tǒng)概念48

2.2　系統(tǒng)工程思想49

2.2.1　系統(tǒng)分析49

2.2.2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)50

2.2.3　系統(tǒng)評(píng)價(jià)52

2.2.4　工程系統(tǒng)建模52

2.2.5　系統(tǒng)生存周期建模與優(yōu)化53

2.3　系統(tǒng)需求定義54

2.3.1　嵌入式系統(tǒng)問(wèn)題定義55

2.3.2　需求定義的概念57

2.3.3　聯(lián)合應(yīng)用設(shè)計(jì)58

2.3.4　嵌入式系統(tǒng)需求定義中常見(jiàn)的問(wèn)題58

2.4　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)60

2.4.1　軟硬件分開設(shè)計(jì)60

2.4.2　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)模型62

2.4.3　軟硬件協(xié)同的嵌入式系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)63

2.4.4　軟硬件任務(wù)劃分與軟硬件接口設(shè)計(jì)66

2.4.5　仿真驗(yàn)證69

2.4.6　集成調(diào)試與綜合實(shí)現(xiàn)69

第3章　實(shí)時(shí)軟件分析設(shè)計(jì)方法72

3.1　實(shí)時(shí)軟件分析設(shè)計(jì)概述72

3.1.1　實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能要求73

3.1.2　實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素73

3.1.3　嵌入式實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)的生存周期74

3.2　結(jié)構(gòu)化需求分析建模75

3.2.1　數(shù)據(jù)流分析76

3.2.2　控制流分析80

3.2.3　狀態(tài)遷移動(dòng)態(tài)模型82

3.2.4　實(shí)例83

3.3　DARTS系統(tǒng)設(shè)計(jì)85

3.3.1　劃分任務(wù)86

3.3.2　定義任務(wù)接口88

3.3.3　人員進(jìn)出房間系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例89

3.4　簡(jiǎn)單嵌入式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)93

3.4.1　單線程系統(tǒng)93

3.4.2　事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)95

3.5　任務(wù)設(shè)計(jì)98

3.5.1　任務(wù)設(shè)計(jì)概述98

3.5.2　人員進(jìn)出房間系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)實(shí)例99

3.6　模塊設(shè)計(jì)103

3.6.1　模塊設(shè)計(jì)概述103

3.6.2　人員進(jìn)出房間系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)實(shí)例104

3.7　任務(wù)與系統(tǒng)集成104

3.8　實(shí)時(shí)軟件分析設(shè)計(jì)方法—CODARTS104

第4章　復(fù)雜嵌入式軟件分析設(shè)計(jì)106

4.1　面向?qū)ο笮枨蠓治?06

4.1.1　面向?qū)ο笮枨蠖x106

4.1.2　面向?qū)ο笮枨蠓治鼋?13

4.1.3　面向?qū)ο笮枨笠?guī)格說(shuō)明書122

4.2　確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)124

4.3　復(fù)雜嵌入式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)127

4.3.1　系統(tǒng)分解127

4.3.2　子系統(tǒng)到軟硬件的映射130

4.3.3　開發(fā)環(huán)境和已有組件的選擇131

4.3.4　并發(fā)134

4.3.5　持續(xù)數(shù)據(jù)管理136

4.3.6　訪問(wèn)控制策略136

4.3.7　全局控制流機(jī)制136

4.3.8　邊界條件的處理137

4.4　人機(jī)交互設(shè)計(jì)137

4.5　預(yù)期變化139

4.5.1　設(shè)計(jì)模式概述140

4.5.2　適配器設(shè)計(jì)模式141

4.5.3　中斷設(shè)計(jì)模式143

4.5.4　設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用146

4.6　嵌入式軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題148

第5章　嵌入式操作系統(tǒng)與移植149

5.1　嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)149

5.2　嵌入式操作系統(tǒng)的分類150

5.3　幾種代表性的嵌入式操作系統(tǒng)151

5.4　常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)154

5.4.1　單塊結(jié)構(gòu)154

5.4.2　層次結(jié)構(gòu)154

5.4.3　客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)）155

5.5　FreeRTOS移植156

5.5.1　FreeRTOS簡(jiǎn)介156

5.5.2　FreeRTOS源碼目錄結(jié)構(gòu)157

5.5.3　FreeRTOS移植實(shí)例158

第6章　板級(jí)支持包與設(shè)備驅(qū)動(dòng)161

6.1　BSP技術(shù)概述161

6.1.1　什么是BSP161

6.1.2　BSP的作用與功能162

6.1.3　常見(jiàn)的BSP實(shí)現(xiàn)方式和開發(fā)方法162

6.1.4　主流嵌入式操作系統(tǒng)及其BSP技術(shù)164

6.2　嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化技術(shù)167

6.2.1　嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化167

6.2.2　BSP與PC中BIOS硬件初始化的比較168

6.3　嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)技術(shù)169

6.3.1　Boot Loader概述169

6.3.2　嵌入式Linux的Boot Loader設(shè)計(jì)思想170

6.4　嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序171

6.4.1　驅(qū)動(dòng)程序的重要性171

6.4.2　機(jī)制與策略的問(wèn)題172

6.4.3　設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分層管理173

6.4.4　設(shè)備類型和設(shè)備號(hào)173

6.4.5　模塊化編程174

6.4.6　設(shè)備文件接口175

6.4.7　字符驅(qū)動(dòng)程序編寫實(shí)例175

6.5　實(shí)例：STM32設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序179

6.5.1　時(shí)鐘系統(tǒng)179

6.5.2　GPIO180

6.5.3　中斷182

6.5.4　定時(shí)器186

6.5.5　ADC189

第7章　嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)192

7.1　嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)概述192

7.1.1　嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)192

7.1.2　嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)193

7.2　嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的分類195

7.3　數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用設(shè)計(jì)196

7.4　基于SQLite的嵌入式軟件持續(xù)數(shù)據(jù)管理 198

7.4.1　SQLite簡(jiǎn)介198

7.4.2　SQLite應(yīng)用201

7.4.3　SQLite開發(fā)環(huán)境移植207

第8章　嵌入式軟件圖形用戶界面設(shè)計(jì)211

8.1　人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)概述211

8.1.1　人機(jī)交互技術(shù)211

8.1.2　用戶界面設(shè)計(jì)原則212

8.1.3　界面設(shè)計(jì)活動(dòng)212

8.1.4　界面評(píng)價(jià)213

8.2　圖形用戶界面概述213

8.2.1　圖形用戶界面的基本特征214

8.2.2　圖形用戶界面的結(jié)構(gòu)模型214

8.2.3　圖形用戶界面的實(shí)現(xiàn)215

8.3　圖形用戶界面與嵌入式系統(tǒng)216

8.3.1　嵌入式圖形用戶界面的特點(diǎn)216

8.3.2　嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面開發(fā)方案216

8.3.3　嵌入式圖形用戶界面的體系結(jié)構(gòu)層次217

8.3.4　嵌入式圖形用戶界面主要技術(shù)分析219

8.4　使用Qt/Embedded實(shí)現(xiàn)圖形化界面設(shè)計(jì)222

8.4.1　Qt/Embedded的架構(gòu)222

8.4.2　搭建Qt/Embedded開發(fā)環(huán)境223

8.4.3　編寫Qt/Embedded程序225

8.5　C語(yǔ)言圖形界面編程227

8.5.1　幀緩沖區(qū)227

8.5.2　Framebuffer227

8.5.3　Framebuffer核心函數(shù)229

8.5.4　Framebuffer編程230

第9章　嵌入式軟件可靠性設(shè)計(jì)232

9.1　可靠性概述232

9.2　可靠性涉及的性能指標(biāo)233

9.3　嵌入式系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)234

9.3.1　嵌入式系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計(jì)235

9.3.2　常用元器件的可靠性分析236

9.3.3　提高嵌入式系統(tǒng)可靠性的具體措施237

9.4　嵌入式軟件的可靠性設(shè)計(jì)238

9.4.1　軟件可靠性與硬件可靠性的區(qū)別238

9.4.2　影響軟件可靠性的因素 239

9.4.3　提高軟件可靠性的方法和技術(shù)239

9.4.4　軟件產(chǎn)品可靠性的評(píng)估242

9.4.5　嵌入式軟件的可靠性設(shè)計(jì)243

9.5　可靠性的管理245

第10章　資源管理247

10.1　功耗247

10.1.1　功耗簡(jiǎn)介247

10.1.2　基于硬件的低功耗設(shè)計(jì)249

10.1.3　基于軟件的低功耗設(shè)計(jì)251

10.1.4　嵌入式低功耗的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)254

10.2　電源254

10.2.1　電源基礎(chǔ)知識(shí)254

10.2.2　電源管理技術(shù)255

10.2.3　常用的節(jié)電方法258

10.3　內(nèi)存管理259

10.3.1　內(nèi)存管理概述259

10.3.2　基本內(nèi)存管理方案262

10.3.3　常見(jiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的內(nèi)存管理模式263

10.3.4　內(nèi)存泄漏268

10.3.5　內(nèi)存保護(hù)269

第11章　嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境270

11.1　嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境概述270

11.2　嵌入式軟件調(diào)試方法概述272

11.2.1　駐留監(jiān)控軟件調(diào)試方法272

11.2.2　基于JTAG方式的調(diào)試代理273

11.2.3　指令集模擬器273

11.2.4　在線仿真器 273

11.2.5　ARM中基于JTAG的調(diào)試系統(tǒng) 274

11.3　Linux 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境275

11.3.1　嵌入式Linux概述275

11.3.2　嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境架構(gòu)276

11.3.3　Linux開發(fā)工具278

11.3.4　實(shí)例：建立嵌入式Linux-ARM開發(fā)環(huán)境285

11.3.5　實(shí)例：實(shí)現(xiàn)“Hello World”程序286

11.4　FreeRTOS嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境287

參考文獻(xiàn)293