嵌入式系統設計方法

嵌入式系統是將一個電子系統嵌入到一個物理系統中，連接起物理系統和電子信息系統，從而實現信息系統對物理系統觀察和控制。

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

? 建模：根據系統的物理特性、行為邏輯、業務邏輯等，建立系統的數學據模型。對于不同類型的系統，有不同的描述方式，比如對于人人機交互可以用狀態機模型，對于一個控制系統可以用狀態空間方程或者傳遞函數，對于一個交易系統可以用流程圖。對于一個大系統，也可以分解成多個子系統，子系統建立不同的數學模型，這個大系統是不同數學模型的組合。

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

? 分析：說明設計的系統為什么能完成它的設計目標，這個設計目標包括功能、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、服務器等編程，已經有多種實踐模型，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，領域驅動等。但在嵌入式編程上，由于受到硬件資源和實時性要求的限制，過于重的設計實踐和編程語言，在嵌入式系統上根本無法實現。結合自己的實際編程經驗和自己的思考，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、板級驅動、操作系統、文件系統、通訊協議、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有效方式，組合起來以實現系統功能要求，這種組合方式，就是嵌入式編程模式。

系統的運行過程，是個動態連續的過程，相同的連續過程，可以認為系統處于一個狀態，狀態與狀態之間，通過事件觸發轉移。系統中的相關元素集合，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，對象由變量進行描述，對象的方法是對對象變量的操作。

? 狀態空間

狀態空間是系統所有狀態的合集，各狀態之間可以相互轉換，某狀態可以是另一狀態的子狀態。各狀態間的轉移是通過事件觸發的。

? 事件驅動

通過事件，來實現任務間的同步。一個事件，可能會觸發一個動作，也可能觸發一次狀態轉移。

以最簡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;  //交通燈的保持時間} Ligght_t;

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

交通燈控制系統的狀態空間

typedef enum {
    STOP,
    WAIT,
    THROUGH
}

三個狀態對應的led對象為

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

事件觸發：

事件由于定時器產生，定時器在15秒，3秒，45秒之間循環，每次計時完成，則發出一個信號，同時進行另一個計時。主任務接收到信號后，進行狀態切換，同時輸出根據狀態，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，狀態切換
                state ++;                break;            case WAIT:
                Light.Turn(yellow);
                state ++;                break;            case WAIT_HOLD:
                Wait_TimeOUt(3)； //3秒后，狀態切換
                state ++;                break;            case THROUGH:
                Light.Turn(green);
                state ++;                break;            case THROUGH_HOLD:
                Wait_TimeOUt(45); //45秒后，狀態切換
                state = STOP;                break;
        }
    }      
}

對于同一個系統，也可以從不同的角度定義狀態空間和狀態轉移過程，但是他們在邏輯上是等效的。

在一些系統中，如protothread、STC51的任務調度系統，均是采用類似的方案。