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An overview of embedded system development methods

Time：2023-05-24 Reading times:4691

隨著科技的發展，嵌入式系統在我們的生活中得到了廣泛的應用。從傳統的家電主控模塊、投影儀、路由器、手機等等，發展到目前的無人機、智能家居、掃地機器人、智能手表、健康手環等等。除了生活消費方面，汽車、工業、醫療器械甚至智慧城市等都各類嵌入式系統的應用。

嵌入式系統是以應用為中心，以現代計算機技術為基礎，能夠根據需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等)靈活裁剪軟硬件模塊的專用計算機系統。

與嵌入式系統相對應的，則是通用計算機系統，如個人電腦、工控機、服務器等。通用計算機系統不針對特定應用需求，而是可以運行各種軟件和程序，具有極高的通用性和擴展性。可以通過下表的對比，來提高對嵌入式系統的理解。

嵌入式系統的設計方案會隨應用領域千差萬別，但其分析和設計方法也遵循一般原則，許多成熟的分析和設計方法都可以使用。嵌入式系統開發的步驟一般可分為需求分析、系統設計、硬件設計、軟件設計、系統集成、測試和維護。

一、需求分析

需求分析階段的主要任務是：

1.問題的識別和分析

對目標應用相關的問題進行抽象識別以產生如下的需求：功能需求、性能需求、環境需求、可靠性需求、安全需求、用戶界面需求、資源使用需求、軟件成本與開發進度需求。

2.制定規格說明文檔

經過對問題的識別，產生了系統各方面的需求。通過對規格的說明，文檔得以清晰、準確地描述。這些說明文檔包括需求規格說明書和初級的用戶手冊等。

3.需求評審

需求評審作為系統進入下一階段前最后的需求分析復查手段，在需求分析的最后階段對各項需求進行評估，以保證需求的質量。需求評審的內容包括正確性、無歧義性、安全性、可驗證性、一致性、可理解性、可修改性、可追蹤性等多個方面。

二、系統設計

嵌入式系統設計階段，需要解決以下幾個方面的問題：

1.硬件的取舍：在滿足需求和控制成本的約束下，合理選擇處理器、儲存器、外設等等硬件模塊。

2.系統性能：除提高處理器速度的方法外，綜合多種因素考慮設計以滿足應用對性能的需求。

3.系統功耗：無論是否采用電池供電，系統功耗都是嵌入式系統的敏感問題。需在滿足性能需求的基礎上降低功耗。

4.系統可升級性：系統的硬件平臺可能使用較長時間，或產生不同的型號，系統設計時，必須考慮通過改變軟件來提供現在未能開發的功能或性能。

5.系統可靠性：可靠性是嵌入式系統重要的指標。

6.測試：嵌入式系統往往難以測試，也不能離開其工作環境而測試，需要在早期就加以設計。

解決上述方面的問題后，根據上一階段的需求分析，設計嵌入式系統的硬件和軟件架構，選擇合適的微處理器、存儲器、外設、操作系統等，確定系統的模塊劃分和接口定義。

這部分的輸出包括系統設計的初步說明文檔、設計方案和設計描述文檔。這些文檔的確立是使用系統流程圖或其他工具，描述每一種可能的系統組成，估計每一種方案的成本和效益，在充分權衡各種方案利弊的基礎上，選擇一個較好的方案。

在開始軟硬件具體設計之前，需要最后確定設計方案與用戶需求之間的合理性，并對設計方案的正確性、無歧義性、安全性、可驗證性、可理解性、可修改性等多個方面進行綜合評估，以確定是否進入下一步的實施階段。

三、硬件設計

根據系統設計，設計電路原理圖和PCB布局圖，選購電子元器件，制作電路板，進行硬件調試和測試。

四、軟件設計

根據系統設計，編寫軟件需求規格說明書，確定軟件的功能、流程、數據結構等，選擇合適的編程語言、開發工具、編譯器等，編寫軟件代碼，進行軟件調試和測試。

五、系統集成

將測試完成的軟件系統裝入制作好的硬件系統中，進行系統的綜合測試，驗證系統功能是否能被正確無誤的實現。

六、測試和維護

對系統進行各種場景和條件下的測試，驗證系統的正確性、可靠性、安全性等，記錄并修復測試中發現的缺陷，對系統進行必要的更新和優化。

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