時間:2022-02-18 07:43:40
開篇:寫作不僅是一種記錄,更是一種創造,它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感,將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電子系統設計,希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友,陪伴您不斷探索和進步。
為適應應用型專業轉型的需要,促進電子信息類專業課程向應用型課程轉化,文章以“電子系統設計”課程為例,從專業課程的課程理念、教學內容、教學模式、考核方式等方面對適應于應用型人才教育的專業課程改革模式進行了探索,給出了相應的改革內容,為其他應用型課程改革提供了參考。
關鍵詞:
應用型課程;電子信息類專業課程;教學模式
隨著信息化社會的不斷發展,我國經濟建設對人才的需求方向也發生了改變,不僅僅需要學術研究性人才,同時更加需要應用型人才和職業技能型人才,尤其是能將所學理論知識轉化為社會生產力的應用型人才的需求比重最大。在這一背景下,各地方高校擔負起應用型人才培養的重任[1],開始將高校人才培養目標向應用型人才培養方向轉化,切實通過轉型發展促進內涵發展、特色發展,提高質量,解決好急需人才不夠用、普通人才就業難問題。在專業轉型的大背景下,如何將人才培養從原來的學術型人才培養過渡到應用型人才培養,切實對轉型過程中在人才培養方案、專業設置、課程體系、師資配備、教學管理機制等問題提出具體可行的方案,成為高校教育改革研究的新課題。目前本科院校的應用型課程建設已成為當前提高應用型高校教育質量的核心環節,在課程建設中必須能夠突出應用性知識的傳授與學生實踐能力的培養[2],這樣才能將課程的應用性改造落到實處。電子信息類專業課程作為本科高等院校教學中應用性較強的專業課程,由于其專業本身具有的技術更新快、實踐性和應用性極強的特點,在課程的教學過程中必須注重新技術與工程性的結合、理論與實用的結合,所以在其教學開展中更應對課程理念、課程教學設計的優化、課程內容、評價體系等方面進行探討研究。文章從專業轉型的背景出發,以“電子系統設計”為例,在專業課程的課程理念、教學內容、教學模式、考核方式等方面對適應于應用型人才教育的專業課程改革模式進行了探索。
一、電子信息類專業課程現狀分析
目前國內各高校都著眼于學生動手實踐能力培養、并不斷提高學生學習的自覺性,但學生在專業課程學習中仍存在缺少創新精神和科學研究的主動性的問題。這也反應了在專業課程的設置及教學活動開展過程中存在的問題,主要表現為理論教學學時長、側重于理論知識的傳授;課程教學活動設計單一,缺乏體驗式教學;課程內容更新慢,與新技術脫節;實踐環節項目內容缺乏實際性和趣味化,學生難以深入;考核方式單一,仍然是簡單的考核學生對理論知識點的掌握程度。這一情況的存在,使學生在面臨就業時,與用人企業的需求相脫離,不能滿足企業對于綜合素質和實踐能力強的應用型人才的需要。“電子系統設計”是一門綜合性、實踐性和應用性很強的專業課程,面向電子信息類專業本科三年級開設的理論與實踐相結合課程[3]。課程系統地介紹電子系統分析、規劃、設計和工程實現的方法與步驟,并結合技術發展情況,介紹新技術、新方法、新器件在電子系統設計中的應用。該課程是本科生了解當前電子系統技術的窗口,是相關硬件與軟件設計結合、將所學理論知識付諸實踐、由書本走向實際的橋梁課程,因此其具有電子信息類專業課程的專業技術特點,通過對其向應用型轉型課程建設的研究具有一定的代表性。
二、課程改革內容
“電子系統設計”課程的改革主要從四個方面展開:課程理念的轉變、優化教學模式、課程內容的更新、建立多元的評價方式。
(一)課程理念的轉變
應用型人才不僅需要具備專業知識素養,而且需要能夠應用專業知識解決實際問題,因此必須對現有的課程理念進行轉變來指導課程建設。專業課程作為專業人才培養的重要教學科目,是學生在教師指導下通過學習專業知識來增長專業知識和專業能力的重要過程。而根據電子信息類專業課程的特點,更應將學生作為課程的主體,由學生主動的發現知識、主動思考、積極地參與學習,同時根據課程特點,由教師在學生的主動學習過程中給予專業指引,不再局限于教師的“教”,而是拓展為教師的“引”與學生的“學”相結合,注重對學生主動性、參與性的培養。同時注重課程教學設計的優化,課程教學內容的設置以及多元化的評價方式。以“電子系統設計”課程來說,主要綜合模擬電子技術、數字電子技術、嵌入式系統、DSP處理等相關技術[4],將理論教學內容向實際應用轉化,其教學理念主要更應以學生的“學”為主,通過教師對相關技術及前沿發展的引導,激發學生的主動性,變被動學習為主動學習,在教學過程中除了理論知識講授外,增加課堂討論、項目實踐,使學生成為教學的主導。
(二)優化教學模式
原有的專業課教學側重于理論知識的傳授,課程教學多采用理論講授,造成填鴨式、灌輸式課程教學方法,學生通過聽、記完成應用型課程的學習,這必然導致僅僅對知識的掌握,而脫離實踐;同時,啟發式、研究式教學的運用少,也導致學生沒有學習的主動性。將CDIO工程教育理念[5]引入課程的專題項目教學中,通過對特定專題項目內容的構思、設計、實現和運作,讓學生以主動的、實踐的方式學習,培養學生的工程基礎知識、個人能力、人際團體能力和工程系統能力,從而培養學生的實踐應用能力。在“電子系統設計”課程中,采用以項目設計為導向、基于項目、問題學習的教學模式,通過讓學生通過對實際項目的構思與設計來激發學生的興趣,利用所學知識來開展系統層次上的構思、設計、實現及運用。
(三)課程內容的更新
若對應于項目驅動教學模式[6],原有的課程內容必然不利用教學實踐的開展,同時課程內容也應與專業發展前沿相對應,所以在課程模塊中增加技術前沿介紹等的相關板塊,并不斷更新課程內容,使其與技術發展、專業應用相適應,既要考慮符合專業學習的邏輯,又要注重專業范圍的限定和課程內容的順序安排,盡可能使課程內容對學生有意義并具有合理性和綜合性,并且滿足不同層次學生的學習需求,適于課程教學活動的開展。在“電子系統設計”課程中,將課程內容整合優化為電子系統設計方法、專題技術知識、項目設計與實踐三大模塊。其中電子設計方法主要介紹電子系統設計概論、模擬電子系統設計方法、數字系統設計方法、基于嵌入式系統設計方法、基于DSP系統設計方法及電子系統實現過程中可靠性設計;專題技術知識主要結合新技術的發展和新器件應用,將在專業基礎課程中所學的相關知識與實際應用相聯系,介紹典型傳感器應用、模擬信號變換、放大及濾波電路應用設計、基于可編程邏輯器件的數字系統設計、基于嵌入式平臺的系統設計、DSP系統應用;項目設計與實踐要求學生完成具有工程應用背景的項目的規劃、確定項目設計方案、項目設計與實踐。這里項目實踐配合課程設計實驗及學生的課外科技活動、開放式實驗室教學進行,使課程的內容改革不僅僅局限于課堂內的教學,而是拓展學生的學習空間。
(四)建立多元的評價方式
現行的課程考核多以階段性考核(平時成績)和總結性考核(期末考試)構成,而對于采用學生主動式學習的專業課程,這種考核方式不符合面向應用型人才的培養模式,所以應采取有效且具有多元性的考核評價方式,對學生的知識掌握、實踐能力、應用素養等幾方面進行綜合評價。也就是說需要對學生的知識點轉化為實踐能力、思維能力、課堂參與程度、作業及實踐活動完成質量進行考核。“電子系統設計”課程的考核不僅要考核學生對課程基本理論知識的理解和掌握,還要考核學生對所學知識的吸收與應用情況,同時考核還要體現學生實踐動手能力。因此,課程考核包括平時成績、開卷考試和實踐考核。平時成績主要考核學生對課程的參與程度,包括課堂討論成績、課后作業,其中課后作業一方面對課堂講授知識進行復習,同時要求學生通過文獻檢索、網絡檢索對相關新器件、新技術應用進行學習,其占總成績的10%。開卷考試的命題過程中,從培養應用型人才的目標出發,不再含有記憶型考題,而是采取應用能力型考題。考題涵蓋器件應用、電路模塊設計和系統設計,其占總成績40%。實踐考核通過學生根據所學知識,進行電子系統設計理論探討,撰寫小論文;完成電路設計、仿真及實現,遞交設計報告及作品;實踐考核題目可選固定命題,也可以自主命題,特別鼓勵同學大膽想象,自擬課題,經教師確認后,完成相應任務。考核過程中設有答辯環節,學生以PPT形式向教師及全體同學展示項目研究及作品,并由教師進行提問,學生給予作答。通過答辯環節主要完成知識點的檢查和研究作品的展示,考查學生在從事設計和撰寫論文中知識點的應用情況和創新性。實踐考核占總成績50%。
三、結束語
經過對“電子系統設計”課程改革的初探,在課程教學和課程理念的重構方面進一步拓展了思路;課程內容的不斷更新使學生開拓了眼界;同時也可以將教師科研方面中應用性較強、具有工程背景的課題項目引入教學;面向實踐能力考核的多元化考核機制對提高學生學習主動性、積極性有一定推動作用。我國的信息化建設的不斷增強對信息化人才的需求也正在逐年增大。但電子信息類應屆本科生的理論基礎較好,但動手實踐能力薄弱,使學生就業加大了難度,造成了應用型人才的供給不足。通過對電子信息類專業課程的教學改革,提出適用于電子信息類應用型人才學生培養的課程理念,建立既能夯實學生基礎實踐能力,又可以培養學生創新精神和創新實踐能力的平臺,建立多元化考核機制,有效地實現學生實踐能力的檢驗,同時與不斷追蹤信息科學技術的發展,緊跟行業科技進步,不斷更新課程內容,將對學生的科技素養、應用能力培養起到重要作用,且對其他應用型課程改革具有一定的參考價值。
作者:馬利 張玉奇 牛斌 單位:遼寧大學
參考文獻
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【關鍵詞】綜合電子系統設計;開放式教學;教學模式
1.引言
綜合電子系統設計是電子信息類本科學生的一門專業核心課程,該課程是電路原理、模擬電路、數字電路、單片機原理、微機原理和嵌入式系統等多門課程的綜合運用,通過設計任務、查找參考資料、設計電路、計算機仿真、安裝調試和整理總結等環節,使學生初步掌握電子系統設計的思路和方法,培養學生的工程實踐意識。其教學效果直接體現了學生利用現代電子系統的設計方法的創新和實踐能力。在教學過程中,筆者一直在思考和探索,試圖通過教學模式的改革,激發學生自主學習的積極性,培養出自學能力強、適應性強、具有創新意識和團隊協作能力的人才。
2.教學現狀
目前該課程的教學模式采用傳統的理論授課與驗證性實驗相結合的方式,注重教學的系統性和完整性,習慣按照參考書的編排順序組織教學,這種教學模式可以使學生掌握電子系統設計的各種理論和方法,但也存在一些明顯的不足。一是理論與實際脫節。傳統教學過程中基本原理講解過泛,軟硬件應用舉例過于簡單,沒有針對實際產品開發的案例或應用,技術儲備的前瞻性低,學生往往也不了解所學理論在實際項目開發中的哪些環節可以應用以及如何應用。二是缺乏系統設計概念的培養。電子信息類的學生畢業后往往都從事于電子產品開發相關的工作,產品開發是一個整體的過程,即使了解每一個技術細節,需要較強的綜合、規劃能力,而傳統的教學方法無法提供這樣的訓練。三是缺乏團隊協作能力的培養。傳統的教學方法中理論的學習和實驗的操作都只是個體行為,而實際的產品開發中,往往是一個項目團隊合作開發的集體行為,團隊協作能力顯得尤為重要。因此,以團隊協作為基礎,以具體應用為導向并貫穿產品開發全過程的實踐教學模式將是課程改革的主要方向。
3.教學模式改革
3.1 實施開放式教學,培養學生的主動性和積極性
開放教學的時間和空間、拓寬教學的渠道,引導學生自主參與實踐活動,從知識的被動接受者變為知識的主動建構者,靈活地選取探索途徑和方法,為學生提供發展創造性思維和實踐的機會。教學過程的開放性主要體現在:
(1)選題開放
項目的選取以實踐項目為載體,有的來源于指導教師組的科研項目;有的是企業急需解決的實際問題;還有一些是歷年全國大學生電子設計競賽的題目。指導教師根據項目的難度和工作量確定項目的難度系數,學生可以根據自己的興趣選取不同的課題,或者自擬具有一定工程應用價值的題目。
(2)學時開放
傳統的教學時間集中為兩周,學時安排較為緊張,很多問題來不及思考就在匆忙中結束。考慮到項目設計過程工作量較大,將項目設計過程分散到一學期內完成,打破了教學周學時的限制,將學習的自交給學生,引導學生發揮其主動性,充分利用好課余時間,實現課內與課外教學活動的統一。
(3)空間開放
由于綜合電子課程設計有著嚴格的驗收考核制度,因此,學生實踐的空間上不在限制,可以在宿舍、圖書館、機房或者網上預約開放實驗室,以進行資料的查詢、硬件的安裝、調試等。在整個項目設計過程中,無論采取哪種方式,我們都尊重學生的選擇,充分發揮學生的主觀能動性。
3.2 組建項目團隊,培養學生的團隊協作精神
在教師指導的基礎上,讓學生以項目組的形式開展自主學習、自主探究、自我評價,通過相互溝通、協作,高質量、高效率的完成學習任務并共享學習成果,創建團隊協作的良好氛圍。項目組通常以3人為一組,分成三個角色:項目經理、硬件工程師和軟件工程師。學生可以自由組隊,自由選擇感興趣的角色,整個項目由項目經理具體組織進行。在課程教學項目化的基礎之上,以項目組為單位考核每個實踐項目,團隊成員共享提問、仿真測試等過程學習環節的成績。
3.3 優化考核評價體系,實現以評促學
制定及實施科學、合理的課程考核評價體系是課程教學模式改革的關鍵。針對綜合電子系統設計課程理論學習與實踐并重的特點,評價體系側重于學習過程、實踐及應用能力的考核,主要構成如下:平時成績占10%,理論考試占30%,項目制作占30%,課題驗收占30%。平時成績是指課堂表現,參與討論的程度,完成平時作業的情況;理論考試檢查學生對基本理論知識的掌握程度;項目制作包括電路設計、計算機仿真和硬件制作等方面;課題驗收是根據項目組完成課題的情況進行綜合評價,主要由項目組自評、項目組互評和指導教師組評價三部分組成。
在整個項目的實施過程中,從信息的收集、方案的選擇、軟硬件的設計與制作、測試到成果的評價,學生全程參與了項目開發過程的每一個環節,成為教學活動的主體。一方面,在積極參與項目開發的過程中,學生的求知欲和興趣得到了提高;另一方面,通過與項目組成員的合作,鍛煉了學生的溝通能力與團隊協作能力。
4.結束語
實踐結果表明,綜合電子系統設計教學模式的改革,極大地解決了傳統教學中存在的問題,激發了學生學習的原動力,調動了學習的主動性、積極性,培養了學生綜合運用知識的能力、系統設計能力、分析能力、工程實踐能力、表達能力和團隊協作能力。當然在教學改革的過程中也遇到了一些問題,例如項目工程化對指導教師的要求相應提高,開放式教學的時間長,工作量也相應的延長,如何評價開放后的教師工作量,如何合理考慮他們的崗位津貼等,需要制定一套合理規范的辦法;學校與企業聯系不夠,來源于企業一線的課題相對較少等。這些都是急需解決的問題,還有待在具體的實踐過程中不斷的總結和完善。
參考文獻
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關鍵詞:電子系統設計;網絡課程;課程網站;教學改革
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2014)53-0120-02
一、引言
隨著電子信息產業對員工專業技術能力需求的提高,各高校電子信息類專業越來越重視學生的實踐能力和工程素養的培養[1]。為了更好地培養學生電子設計綜合能力,我院專門開設了《電子系統設計與工程實踐》課程。教學過程包括理論授課和實踐環節兩部分,實踐環節主要以分散自主方式進行,通過理論考試和實踐作品驗收形式進行課程考核。該課程的主要目的是提高學生電子系統的設計和制作能力,但在教學過程中遇到了如下問題:(1)教學內容綜合性強、知識點分散、信息量大,而有限的課堂教學學時難以滿足要求。(2)傳統課堂教學方式側重于知識的灌輸,難于激發學生學習的主動性,不利于學生自主學習能力的培養,而自學能力則是一個優秀工程師的必備素質。(3)現有的教學模式不能為學生提供充分而有針對性的輔導,不利于創造互動討論平臺,限制了教師與學生、學生與學生之間的交流。(4)由于學生完成實踐課題以分散方式為主,不便于在學生實踐過程中進行監督和指導。
為解決上述問題,本文提出一種“以課堂教學與網絡課程相結合”的電子系統設計實踐教學方法,將網絡課程作為實現教學目標的一種有效教學手段,充分發揮網絡課程信息量大、選擇性、自主性學習、易于創建交流平臺、打破時間和空間限制等優勢,與課堂教學相互配合,更好地滿足該課程教學的需求。本文介紹了建設網絡課程的總體設計思想和原則、課程網站的架構和實現方法以及基于該網絡課程進行的相關教學方法的改革和研究。
二、網絡課程建設的設計思想與原則
網絡課程的載體是課程網站,課程網站是課程建設的重要組成部分,可實現優質課程資源共享,確保教學質量[2]。通過課程網站,既彌補了課堂教學的不足,促進了課程教學水平的提高,也拓展了學生的學習空間,激發了學生的學習熱情[3]。在課程網站設計過程中必須以課程教學活動為中心,以實際應用為向導,結合計算機網站建設的相關技術,才能使所建設的網站真正與課堂教學相結合,融入課程教學體系[4]。通過研究,課程網站的設計需要遵循以下原則:(1)以學習者為中心的原則。學習網上資源的主體是學生,所選教學內容應以學生為中心,強調通過自主學習掌握所學知識,培養學生探索知識的興趣和能力。另外,相比課堂教學,學生從被動接受者轉變為主動分析者,根據個人情況對網絡資源進行有選擇的學習,要考慮不同學生的個性化需求。(2)教學內容與網站設計相結合的原則。網絡課程的教學內容是以網站的形式呈現在學生面前,要重視網站的風格、布局以及美工效果,有助于激發學生對教學內容的興趣。強調以人為本,便于學生在線學習和練習,具有良好的人機交互性。同時,要采取相關技術手段,使網站內容便于更新和維護。(3)教學實用性原則。網站內容不能是課堂知識的照搬,要注重與課堂所講述知識的聯系和區別,要注重知識的擴展,網站內容應盡可能豐富,為學生深入學習提供條件。
三、課程網站的設計
根據課程要求,對網站進行模塊劃分、網頁布局和美工設計,所設計的網站總體結構如圖1所示。通過首頁進入網站,在首頁中提供網站導航,整個網站主要設計了課程介紹、課堂教學、進階學習、互動交流和實踐環節五個版塊,其中互動交流、實踐環節版塊需要進行實名登陸才能使用,其他三個版塊可以自由瀏覽。
“課程介紹”版塊:使網站訪問者了解課程的整體情況,對課程內容組織、教學要求和任課教師進行介紹。主要提供課程基本情況、教學團隊、教學大綱和教學日歷的網頁瀏覽功能。
“課堂教學”版塊:該版塊是網站的主要組成部分,提供課程教學內容的學習與復習,通過自測使學生對知識的掌握情況進行評估,提供課程實驗內容和設備的相關資料,實現鞏固課堂教學的作用。該版塊提供電子課件、自測評估的網頁瀏覽和實驗資料的下載功能。在教學內容的選取方面,需要注意網絡教學的內容不能是課堂教學內容的照搬,而是要結合網絡課程的特點,便于學生自主學習。在本網站的教學內容安排方面,結合任務驅動的思想組織網絡課堂內容,首先對課堂教學內容進行概括和歸納,提供各章的重點和難點,將每一章的內容量化為幾個相關的學習任務,每個學習任務進一步量化為多個小問題,從而突出相關知識的結構和關聯,便于學生建立自己的知識體系,讓學生在解決具體問題的過程中學習相關知識,提高學生的學習興趣。
“進階學習”版塊:該版塊在課堂教學內容的基礎上,引導學生進行電子設計的深入學習,注重理論知識在實際應用中的運用。主要包括專題講座、案例分析和應用筆記。其中,專題講座為在線視頻方式,由相關教師就電子系統設計中某一實際問題進行深入講解;案例分析部分以電子設計競賽題目和教師科研項目為基礎進行整理,使學生了解電子系統設計的全過程,提高實際設計能力;應用筆記部分主要從工程實際出發,提供典型器件的使用方法、設計經驗與注意事項。
“互動交流”版塊:該版塊包括通知公告、在線答疑和學習交流三個部分,用于向學生課程通知,進行教師與學生、學生與學生的交流。在線答疑采取“聊天”的技術方式,由教師規定時間,解答學生的網上提問,并對共性問題進行匯總,在課堂進行統一講解。學習交流采取“留言”的技術方式,教師或學生建立討論主題,大家可對該主題發表觀點,進行技術交流。通過教師合理的組織和引導,可充分發揮該版塊的作用,調動學生進行電子設計的熱情和興趣。
“實踐環節”版塊:該版塊為本課程的實踐環節提供了一個規范化的管理平臺,主要包括實踐課題庫、開題申請(提交選題及總體方案)、實驗預約、設計文檔提交(規范化的設計報告、電路圖、程序代碼等)和驗收申請等部分,有助于教師及時了解學生實踐課題的實施情況,進行有針對性的指導。同時,該版塊也加強了課題設計文檔的規范化管理。
四、基于網絡課程的教學方法改革
為了充分發揮網絡課程對課堂教學的輔助作用,使課堂教學與網絡教學真正的有機結合,不僅網絡課程內容要與課程體系相結合,而且要對傳統的教學方法進行必要的改革。根據本課程的實際情況,在教學方法方面我們進行了如下改革:(1)將課程網站管理和信息更新納入本課程的基本教學工作中,制定網站管理制度,安排任課教師作為網站管理員,及時進行網站維護與內容更新,做到與課程進展同步。(2)對課堂教學內容進行重新安排,使課堂教學更加具有針對性,部分教學內容要求學生利用課程網站進行自學。(3)利用網絡教學鞏固課堂所學知識,根據教學重點設計網站自測評估的試題內容,要求學生進行階段性復習和自測。為促進學生利用網站資源鞏固課堂所學知識的積極性,課程部分理論考試試題可借鑒網站自測評估中的內容。(4)要求教師安排固定的在線答疑時間,并每天瀏覽專題討論情況,積極提出討論主題,與學生進行交流,根據學生在論壇中的討論情況,反饋課堂教學,使課堂教學更有針對性。(5)利用課程網站對實踐環節進行監控,結合該網站制定相關的實踐環節管理辦法,促進分散式實踐環節教學的規范化。
五、結語
本文針對《電子系統設計與工程實踐》課程教學中存在的不足,提出了一種將課堂教學與網絡教學相結合的教學模式,充分發揮了網絡課程的優勢,彌補了傳統教學方式的不足。對課程網站的基本設計思想和原則進行了探究,結合實際情況設計出符合課程要求的網站,并對相關教學方法進行了改革。經教學實踐,取得了較好的教學效果。本文對相關課程網站建設及其教學方法的研究提供了參考,具有一定的借鑒作用。
參考文獻:
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關鍵詞:畢業設計;EDA技術;VHDL
中圖分類號:TP313 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2013)33-7609-04
畢業設計對于工科院校的學生來說是非常重要的一個學習和綜合訓練環節,通過畢業設計可檢驗學生在大學對所學知識、技能的掌握程度,運用理論指導實踐的能力,及分析問題、解決問題和知識創新的能力。對于電子類專業的學生畢業設計的選題即是電子系統的設計與制作。目前由于大規模集成電路的發展,電子系統的設計已發生了革命性的變化,尤其是數字系統絕大部分設計已采用EDA技術完成,傳統設計的方法逐漸被淘汰。因此,掌握 EDA設計方法及設計工具對電子專業類學生來說非常重要。
1 EDA簡介及與傳統設計方法的比較
EDA技術涉及面很廣,其中包括半導體工藝設計自動化,可編程器件設計自動化,電子系統設計自動化,印刷電路板設計自動化,仿真與測試、故障診斷、形式驗證自動化,內容非常豐富。但我們從電子系統設計的角度看,則主要有以下四方面的內容:1)大規模可編程邏輯器件;2)硬件描述語言;3)軟件開發工具;4)實驗開發系統。其中,大規模可編程邏輯器件是電子系統設計的載體,硬件描述語言是對電子系統進行邏輯描述的主要表達方法,軟件開發工具是電子系統設計的智能化、自動化設計工具,實驗開發系統是電子系統設計的下載及硬件驗證工具。這門技術通過有關的開發軟件自動完成了用軟件方法設計的電子系統到硬件系統的實現,,它的應用解決了專用集成電路設計面臨的難度不斷提高設計周期不斷縮短的矛盾,大大的提高了電子系統的開發的速度。
EDA設計方法與傳統設計的區別主要體現在以下幾個方面:
1)EDA采用 “自頂向下”的設計方法。“自頂向下”的設計方法是在頂層對整機電路系統進行功能方框圖劃分和結構設計,將數字系統的整體逐步分解為各個子系統和模塊,若子系統規模較大,還需將子系統進一步分解為更小的子系統和模塊,層層分解,直至整個系統中各個子系統關系合理,便于邏輯電路級的設計和實現止。并可逐層描述,逐層仿真,保證滿足系統指標。這種設計方法有利于在設計的早期發現結構設計中的錯誤,提高設計的一次成功率。而傳統設計通常采用“自下而上”的方法,結構性設計錯誤則在設計末期才能發現。
2)EDA設計以硬件描述語言為主。用硬件描述語言進行電路系統設計是EDA技術的一個重要特征。與傳統的原理圖設計方法相比較,硬件描述語言更適合規模日益增大的電子系統。硬件描述語言能使設計者在比較抽象的層次上描述設計的結構和內部特征。它的突出優點是語言的公開性、設計與工藝的無關性、寬范圍的描述能力、便于組織大規模系統的設計、便于設計的復用和繼承等。
3)EDA技術是基于芯片的設計方法。EDA技術的設計載體是可編程邏輯器件,EDA設計是對其內部邏輯功能進行設計。一個大規模可編程邏輯器件可將整個電子系統設計在其中,芯片設計完成即電子系統設計完成。 EDA設計重點是芯片設計,電路板僅起到信號連接的作用。傳統設計是基于電路板的設計,是以通用的邏輯元、器件為主體設計電路板,設計重點是構成不同功能的電路板。
4)EDA設計方法是自動實現的。EDA技術通過有關的開發軟件自動完成用軟件方法設計的電子系統到硬件系統的實現。其方案驗證與設計、系統邏輯綜合、布局布線、性能仿真、器件編程等都由EDA工具一體化完成。傳統設計的方法則以手工設計為主,對設計人員的要求較高,設計周期較長,難度也較大。
5)高速性能好。與以CPU為主的電路系統相比,基于FPGA/CPLD開發的純硬件系統的高速性能更好。因為CPU是通過順序執行指令的方式來完成運算和控制步驟的,而用硬件語言描述的系統實現方式是硬件,是以并行方式工作的。例如,晶振工作頻率為12MHZ的MCS-51系列單片機對A/D控制的采樣頻率為20KHZ左右;若以工作頻率為100MHZ的FPGA來完成同樣的工作,則采樣速度可達50MHZ。
另外,EDA技術有強大的系統建模、電路仿真功能。能對所設計的電子系統從各種不同層次的系統性能完成一系列準確的仿真與測試操作。同時由于開發技術的標準化與規范化。它的設計成果是通用的,具有規范的IP核接口協議。良好的可測試與可移植性,為高質高效的設計開發提供了可靠保證。
鑒于EDA技術的優越性,本技術已成為現代系統設計和電子產品研制開發的有效工具,成為電子工程師應具備的基本能力之一。電子類專業學生在畢業設計中使用EDA技術一方面是對學生實際工作技能的訓練,同時也解決了對制作實物有一定難度的,而難于對所設計的系統正確性、可靠性進行驗證的問題,因EDA技術對系統電路設計正確性的驗證可通過計算機仿真和EDA實驗平臺進行。下面我們通過一個具體實例介紹運用EDA技術進行電子系統設計的方法與過程。
2 設計實例
多路彩燈控制器。
2.1設計任務
試設計一個十六路彩燈控制器,要求如下:
1)彩燈能做6種花型變化;2)有清零功能,可使十六路彩燈熄滅;3)彩燈循環有快慢兩種節拍。
2.2設計方案
根據設計要求,該系統應有三個輸入信號:控制彩燈循環的基準時鐘信號clk_in,系統清零信號clr和控制彩燈循環節奏快慢的選擇開關信號chose_key;并有16個輸出信號led[15…0],分別用于控制十六路彩燈。
可考慮將該控制系統分為兩個模塊組成,分別為時序控制電路SXKZ和顯示控制電路XSKZ。其工作原理是,時序控制電路根據輸入信號clk_in、clr、chose_key產生符合一定要求的、供顯示控制電路使用的控制時鐘信號clk,而顯示控制電路則根據SXKZ輸出的控制時鐘信號clk,輸出6種花形循環變化的、控制十六路彩燈工作的控制信號led[15…0]。系統方框圖如圖1所示。
2.3系統設計
1) 時序控制模塊。在設計該模塊時,可利用計數器來產生所需的控制時鐘信號clk。具體實現過程為,在clk_in作用下,計數器開始計數,當計數值達到分頻值時,對計數器進行清零,同時使輸出信號反相,從而實現對clk_in的分頻。其VHDL源程序設計如下。
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY sxkz IS
PORT(clk_in,clr,chose_key:IN STD_LOGIC;
clk:OUT STD_LOGIC);
END sxkz;
ARCHITECTURE beh OF sxkz IS
SIGNAL cp: STD_LOGIC;
SIGNAL temp:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(clk_in,clr,chose_key)
BEGIN
IF clr='0' THEN — 當時clr=0清零,否則正常工作
cp
temp
ELSIF clk_in'event AND clk_in='1'THEN
IF chose_key='1' THEN — 當chose_key=1時,實現1/8分頻
IF temp="011" THEN
temp
cp
ELSE
temp
END IF;
ELSE — 當chose_key=0時,實現1/16分頻
IF temp="111" THEN
temp
cp
ELSE
temp
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
clk
END beh;
仿真波形如圖2所示。
2)顯示控制模塊。在設計該模塊時,可利用常數來定義輸出的6種花型,同時采用狀態機來設計六種花形的循環變化。其VHDL源程序設計如下。
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY xskz IS
PORT(clk,clr:IN STD_LOGIC;
led:OUT STD_LOGIC_VECTOR (15 DOWNTO 0));
END xskz;
ARCHITECTURE beh OF xskz IS
TYPE state IS(s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6);
SIGNAL current_state: state;
SIGNAL flower: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(clk,clr)
CONSTANT f1: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):="0001000100010001";
CONSTANT f2: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):="1010101010101010";
CONSTANT f3: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):="0011001100110011";
CONSTANT f4: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):="0100100100100100";
CONSTANT f5: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):="1001010010100101";
CONSTANT f6: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):="1101101101100110";
BEGIN
IF clr='0' THEN
current_state
ELSIF clk'event AND clk='1' THEN
CASE current_state IS
WHEN s0=>flower
current_state
WHEN s1=>flower
current_state
WHEN s2=>flower
current_state
WHEN s3=>flower
current_state
WHEN s4=>flower
current_state
WHEN s5=>flower
current_state
WHEN s6=>flower
current_state
END CASE;
END IF;
led
END PROCESS;
END beh;
仿真波形如圖3所示。
2.3編程下載
頂層電路通過編譯仿真后,鎖定引腳,在引腳鎖定后再通過編譯器對文件重新進行編譯,將引腳信息編入下載文件中,然后將設計文件編程/配置下載到芯片上,最后在實驗平臺上進行硬件測試。
3 結束語
目前,在電子工程領域EDA技術應用越來越廣泛,是電子產品開發研制的動力源和加速器,是現代電子設計的核心。電子類專業學生掌握EDA技術、應用EDA技術是其必備技能之一。通過畢業設計的訓練,使學生對該技術的應用更加熟練。
參考文獻:
[1] 焦素敏.EDA應用技術[M].北京:清華大學出版社,2005.
關鍵詞:電子系統 自動化 控制
中圖分類號:TM76 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2013)07(b)-0001-02
1 應用電子系統中自動化控制技術的發展
伴隨著經濟的不斷發展,社會對于科技技術的需求在不斷增大。電子技術突飛猛進的發展勢頭在現在經濟中起著至關重要的作用。從20世紀末以來,電子技術的飛速發展使得現代電子技術的核心日益趨向計算機管理的自動化控制。依賴于計算機強大的功能,自動地去實現邏輯化的分析、編譯、分割以及綜合等工作,以達到電子線路的系統化功能。然而在現代的電子系統發展中,容納的內容更為廣闊,電子設計、數字處理、技術優化等都包含在電子系統的自動化控制中。電子系統的發展是一個由淺入深的過程。從20世紀70年代開始,隨著一些中小規模的集成電路被不斷的開發和應用,當傳統手工的制圖設計已經無法滿足現代科技的設計精度以及工作效率時,計算機的二維平面輔設計由此而逐步發展起來。人們開始從傳統印刷電路板和集成電路繁雜機械的設計工作中解脫出來,走向了以計算機軟件工具等為核心內容的現代化設計、生產以及分析和測試工作。而在20世紀90年代,電子系統自動化控制技術的開始發展出現以計算機高級語言描述以及系統級仿真、系統綜合優化技術為特征的新型電子系統自動化控制技術,使得電子系統工作的效率得到了極大的提高,同時也使得設計者們擁有了更多的時間做出更具創意的設計方案。
電子系統的自動化控制技術最基本的特征是采用計算機的高級語言系統進行語言描述,采用“自頂向下”的電子設計方法,對電子系統進行設計以及功能的劃分,然后通過對高層次和電子系統各種行為的語言描述進行設計,通過計算機邏輯綜合的各類優化工具的作用生成最終的目標文件,然后通過系統的專用集成電路來實現[1]。電子系統自動化控制技術的發展如今已有30年,大致分三個階段。即計算機的輔助設計階段、20世紀80年代以計算機的仿真和自動布線為主要核心技術的輔助工程階段、90年代后以計算機的高級語言描述以及電子系統仿真綜合技術為主要特征的概念驅動工程階段。電子系統自動化控制技術的不斷發展,使得驅動工程的夢想得以實現,不僅利于工程早期發現設計上的錯誤,同時也避免對設計工作的時間浪費,大大地提高了設計的效率。
2 應用電子系統中自動化控制技術的基本特征及作用
在過去傳統的電子系統中,其中手工設計占了相當大的比例。然而手工設計的方法使得電子系統在調試的時候十分困難,而且手工設計的電路又十分的復雜,由于硬件系統無法進行功能模仿,所以如果在設計的某一過程存在錯誤時,十分的難找同時也不方便修改。在設計的過程中還會產生大量的文檔,對于電子系統本身來說,十分的不方便管理。況且對于手工設計而言,很難完全實現將設計過程與具體的生產工藝相一致,因此手工設計存在可移植性差的因素影響。而應用電子系統中自動化控制技術則可以在電子設計的各個層次和各個階段進行模擬的驗證,對電子系統的抽象行為和各項功能都可以具體詳細的描述到內部線路等的結構,不但可以縮短電子設計的周期,并且可以降低設計的成本。其次,自動化控制技術擁有各類庫的支持,除了邏輯仿真的模擬庫和邏輯綜合的綜合庫以外,還有版圖綜合的版圖庫和測試綜合的測試庫。當然,自動化控制技術的文檔語言也極大的簡化了電子設計文檔的管理工作。
電子系統的自動化控制技術具有系統功能的仿真作用,即能夠驗證電子系統設計模塊的各項邏輯功能是否準確到位。設計人員利用電子系統的自動化控制工具,對平臺進行測試以此來進行各種功能的驗證[2]。同時測試平臺也可以對被測試的單元輸入信號實現自動地測試矢量功能,并通過輸出的波形、文件的記錄與在測試平臺中所設定的輸出矢量進行比較,以此來驗證仿真的結果。其次電子系統的自動化控制技術具有邏輯的綜合與優化作用,即就是所謂的邏輯綜合作用,是將設計中較高而抽象的層次描述進行自動地轉換,從而形成較低且抽象層次描述的一種獨特的方法。現在的電子系統自動化控制技術工具可以提供良好的邏輯綜合功能和優化功能,利用計算機的綜合器進行綜合的優化處理,從而將設計人員所設計的邏輯電路圖進行自動化的轉化成為門級電路,之后生成相應的計算機網絡表文件。
電子系統的自動化控制技術具有系統時序的仿真作用,即計算機的驗證系統在設計模塊時的時序關系。可以對輸出的時序波形圖進行分析處理,從而爭取到系統的延遲時間以此來符合設計的各項要求。經過幾個設計的不同步驟之后,在確定計算機的設計系統基本下載成功后,即可進行硬件驗證。伴隨著現代科技的不斷進步,電子產品不斷發生著的日新月異的各項更新,電子系統的自動化控制技術是各類電子產品開發以及研制動力源和加速器,同時也是現代電子系統的核心內容,尤其是21世紀以來,伴隨各類邏輯器件的不斷廣泛應用,各類描述語言硬件的不斷普及,以及各項自動化技術的不斷完善,電子系統的自動化控制技術在現代電子產品中的應用也越來越重要。
3 結語
21世紀以來,中國加入WTO以后,電子系統的自動化控制技術在現代電子產品中的應用越來越重要,伴隨各類邏輯器件的不斷廣泛應用,各類描述語言硬件的不斷普及,以及各項自動化技術的不斷完善,傳統的電子設計方法已經無法滿足科技日益更新的需求,電子系統自動化控制成為發展的重要的發展趨勢,這對于我國電子工業在迎接世界競爭和挑戰時的發展都將起到重要的積極作用。
參考文獻
【關鍵詞】系統可靠性;成本;可靠性優化;系統工程
1系統可靠性優化概念
通信和電子系統本身就是一個較為復雜的應用系統,其工程的設計和實現中存在多種復雜的關系和約束條件,因此其優化問題就成為了通信和電子系統的重要設計基礎。系統可靠性指的是系統正常工作的概率,它取決于構成該系統部件的可靠性以及系統本身的結構方式。主備用結構是提高系統可靠性的一種常用方法。
圖1就是一個有備用部件的復雜通信系統的系統模型。其中每個方框表示由許多個元器件組成的子系統,N個子系統串聯組成一個可獨立工作的系統。圖1中用虛線方框表示的一個串聯系統為主用系統,其余M-1個串聯系統則為備用系統。顯然,只要這M個系統不同時發生故障,該通信系統就能正常工作。
圖1 具有主備用結構的某通信系統模型
從管理角度看,對系統的規劃就是合理的安排各種資源在系統構建中的分配和作用,對于大型的系統工程的實施作用明顯。系統越復雜其對其規劃的要求就越嚴格。同時在設計中還需要將可靠性作為系統規劃的前提,即在系統設計時不改變整個系統成本的前提下,實現最為可靠的運行配合,即合理的分配各個零部件的可靠度,保證其在各自功能范圍內體現出最佳性能,并保證系統運行的可靠性。這里的可靠性設計還應把經濟指標涵蓋在內,即從技術角度、經濟成本角度出發實現系統的可靠與經濟性雙贏。
2通信電子系統的最可靠性
通信和電子系統本身就是一個較為復雜的多層次系統,其復雜而精密的特點使其運行的可靠性成為了系統設計和實現的首要條件。通信系統的可靠性主要的標準就是其通信的質量,而系統可靠性具體的體現就是在正常工作中錯誤的概率最低,這個指標的實現取決于構成系統的各個部件的可靠性,以及系統本身的結構方式。
主要設備結構的合理是提高可靠性的重要基礎,也是提高可靠性的途徑之一。通信系統的主要作用就是輸入和輸出,在完成這個數據處理的過程中,需要多個電氣元件進行參與,即一個主要設備中有多個子系統進行串聯組成一個工作系統。而主要系統和輔助系統將構成一個完整的通信系統,可見主要系統的可靠性將決定整個系統的可靠性,即只要主設備或者系統不出現故障該通信系統就正常。
在一個系統中,設計參數有兩種,一種為固定參數即系統需要滿足的基本性能,一種為設計參數,即待定的某些參數,固定參數是必須實現的,而待定參數則可以看做是優化變量,也就是通過設計參數的改變來影響整個系統運行的效果。此時,各種參數的變化范圍就會成為影響系統運行的基本條件,可以理解為目標函數中的設計指標可以構成優化變量的約束條件。因此,尋求系統的最佳性能就是對目標函數的最大或者最小。
3通信和電子系統的最優化算法
通信電路或者通信網絡技術的實現都是在給定的技術指標前提下進行設計和實現的,對這些參數產生影響的條件有很多,如幅值、相位、頻率等等。如果電路滿足技術指標就可以看做為合格,否則為不合格。
盡管初始設計保證所有的系統元件都為標準,即電路滿足使用指標要求,但是因為外部環境因素的影響,個元件的運行參數是在一個容差范圍內隨機變化的。這種元件的容差就有可能使得批量產品的合格率小于需要。如何在設計中,根據指定的技術指標要求,確定合理的電路元件的標稱值和容差,使得產品合格率最大而成本最小,這就是優化設計的核心問題,這也是可靠性最優化計算需要解決的問題。
在對某通信系統進行優化計算中發現,可變容差法在接近可行區域收斂速度明顯出現大幅下降,大量的時間都將被浪費在可行性修正上,目標函數的下降較小,只能通過降低收斂精度才能實現收斂的目標。即使這樣最后的結果也還是會出現某個部件可靠性大于1的不理想狀況。
實踐中SUMT法和乘子法均能得到滿意的結果,但是為了確保計算的穩定性,前者的懲罰因素增速不能過大,因此相對采用的迭代次數就會增加,所以采用采用乘子法進行優化設計,及時先沿著搜索方向向外推算出最小點所在的區間,然后在此范圍限定的情況下,二次插值,求得最優步長。
因為某系統價格模型中包含了正切函數,當完好率接近1的時候,函數值和導數值將急劇增加,尤其是導數值很有可能會溢出。通常采用的控制方法是:
(1)利用隨機格點搜索目標函數值相對小的域內點,進行乘子法的改善點。隨機搜索時都對部件可靠性的上線進行限制,即完好率在0.5-0.6之間。
(2)利用二點差分的近似計算價格函數的導數,以防止其產生溢出效果。根據目標函數的梯度和函數自動調整差分步長,保證導數估計值的截斷誤差和舍入值誤差相近似相等。
利用前面的兩種方式,求得某通信系統的兩種價格模型的最大可靠性問題和最小成本問題。如下式:
將著這些參數代入到可靠性公式中,就可以得到某通信系統的最優化結果。并根據具體的數據對系統的構成進行合理的修正。
4結語:
通信和電子系統是個復雜的特殊系統,其中包含著大量的優化問題,它們都體現著最優化方法的思想,即在一定客觀條件制約下,選取最優路線(策略、方式、安排),以取得最好效益或實現既定目標。最優化問題即為兼顧系統可靠性和系統成本的最優設計問題。對于復雜的設計問題,初始點的選擇往往十分重要,它不但影響優化速度和全局最優點的獲得,有時甚至會影響到算法的收斂性。首先,必須根據設計經驗選擇盡可能合理的初始點。其次可采用二階段算法,即在第一階段用一個簡單的算法在較大的空間搜尋,求得一個改進的初始點,第二階段再用比較高效的算法,從這個改進后的初始點出發,搜索求得問題的最優解。另外,選擇算法時也應注意采用對初始點不很敏感的算法。
參考文獻
[1] 李建文.無線通信的電子系統可靠性設計方案優化[J].科技風,2010,(18).
[2] 高山杰.基于最優化理論與算法的通信系統功能構建[J].現代電子技術,2010,(18).
關鍵字 FPGA;EDA技術;微波爐;定時系統
中圖分類號:G642 文獻標識碼:B
文章編號:1671-489X(2016)20-0047-03
1 前言
以EDA工具為開發環境,以硬件描述語言VHDL為編程語言,以可編程邏輯器件FPGA為設計載體,采用EDA技術自頂向下的電子系統設計,改進傳統的電子系統設計觀念。這種方法從系統級設計入手,在頂層、方框圖級、功能級、門級等分別進行系統描述、功能設計、邏輯設計、電路設計等,由于設計的主要仿真和調試過程是在高層次上完成的,極大地提高了電子系統的設計效率、可靠性和靈活性。
下面以微波爐定時系統的設計為例,介紹在MAX+
PLUSⅡ軟件環境下進行設計、測試,基于FPGA芯片進行硬件實現的設計過程。
2 設計要求
設計一種基于FPGA的微波爐定時系統。要求:系統通電后處于復位狀態。首先,系統讀入烹調時間,并顯示在數碼管上;然后按START鍵,系統進入烹調狀態,剩余烹調時間在數碼管上實時刷新;烹調結束后,數碼管顯示烹調結束信息,系統回到復位狀態。在烹調過程中,按PAUSE鍵或RESET鍵,可使系統暫停工作或使系統回到復位狀態;在復位狀態下,按TEST鍵可測試數碼管工作是否正常[1]。
3 總體設計方案
從系統設計要求出發,自頂向下地將設計細化,使功能具體化、模塊化。微波爐定時系統由狀態控制器、數據裝載器、烹調計時器和動態顯示電路等模塊構成。將各模塊連接起來,用圖形輸入法形成頂層模塊,微波爐定時系統頂層模塊連接如圖1所示。
4 設計實現
首先進行系統設計,劃分各個功能模塊,然后借助于EDA工具進行具體的模塊設計。采用VHDL語言對各模塊進行編程,在MAX+PLUSⅡ環境下對各程序進行編譯和仿真驗證,創建各模塊的器件符號,待建立整體系統頂層文件時調用。
狀態控制器 狀態控制器的功能是根據輸入信號和微波爐所處的狀態控制自身工作狀態的轉換,并輸出相應的控制信號。仿真波形如圖2所示,測試信號TEST=‘1’時,則LD_8888=‘1’,指示數據裝載器裝入用于測試的數據“8888”;置位端SET_T=‘1’時,則LD_CLK=‘1’,指示數據裝載器裝入設置的烹調時間數據;啟動信號START=‘1’時,則COOK=‘1’,指示烹調正在進行之中,并提示計時器進行減計數;直到DONE=‘1’時,則LD_ DONE=‘1’,指示數據裝載器裝入烹調完畢的狀態信息“donE”,才使COOK=‘0’。中間信號量CURR_STATE指示出狀態控制器的5種狀態,分別用0、1、2、3、4來代表。
數據裝載器 數據裝載器的功能是在狀態控制器輸出信號的控制下選擇定時時間、測試數據或烹調完成等信息的裝載。利用3個裝載信號的組合LD_8888&LD_DONE&LD_CLK賦給變量TEMP,巧妙地解決裝載數據的選擇問題。仿真波形如圖3所示,當LD_8888=‘1’時,輸出測試數據,DATA2=“8888”;當LD_CLK=‘1’時,輸出設置的烹調時間數據,DATA2=“2453”;當LD_DONE=‘1’時,輸出烹調完畢的狀態信息數據,DATA2=“ABCD”,將其轉化為數碼管顯示,應為“donE”;當LOAD=‘1’時,表示烹調計時器正處于數據裝入狀態。
烹調計時器 烹調計時器的功能是實現烹調過程中的時間遞減計數,且當計時結束時向狀態控制器提供狀態信號,以便狀態控制器產生烹調完成信號。烹調計時器的內部組成原理圖如圖4所示,利用兩個減法十進制和兩個減法六進制計數器的級聯,可實現59′59″數之間的計時和初始數據的裝載。LOAD=‘1’時完成裝入功能,COOK=‘1’時執行逆計數功能,DATA3為來自于數據裝載器的輸出數據;MIN_H、MIN_L、SEC_H和SEC_L為完成烹調所剩時間,PLUS和MINUS為控制MIN_L進行加‘1’和減‘1’的信號輸入端;當數碼管顯示信息為DONE時,指示烹調完成。
動態顯示電路 動態顯示電路的功能是以動態掃描的方式將各種顯示信息顯示在4個LED數碼管上,4個數碼管的8個數據端是分別并聯的,由片選信號控制各數碼管輪流顯示。該模塊由片選、掃描、顯示譯碼子模塊整合實現。
對整個系統進行方案設計和功能劃分,對各模塊VHDL程序進行編寫、編譯和仿真驗證。根據系統設計的行為要求和功能要求,對各模塊調用各模塊的器件符號,按照圖1所示邏輯功能連接起來,形成整體系統頂層文件;通過編
譯、功能仿真后,設置芯片的管腳位置,最后將執行文件下載到FPGA芯片中,與電路一起構成微波爐定時系統的硬件電路,并進行實際測試。
微波爐定時系統的仿真波形圖如圖5所示。將測試信號TEST置為‘1’時,數碼管上顯示字形“8888”,在置位的過程中,置位端SET_T要始終保持高電平直到置位完成。置入的數為“2828”,當開始信號START為高電平時,整個系統開始工作,進入倒數計時狀態。當PAUSE置為‘1’時,暫停工作,仿真波形圖中系統暫停時的烹調剩余時間是“2821”;PAUSE回到電平時,繼續工作。
5 結語
EDA設計工具和可編程邏輯器件是現代電子技術的基礎。以VHDL硬件描述語言進行設計,將微波爐定時系統的核心部分集成在一片FPGA芯片內,可以通過軟件編程的方法對其硬件結構和工作方式進行重構,使得硬件的設計可以如同軟件設計那樣方便快捷,為電子系統的設計帶來極大的靈活性和通用性。
1.1皮衛星可靠性
單粒子效應對衛星星上電子設備的影響是皮衛星設計必須要面對和解決的另一個重要問題。星上電子設備隨時面臨宇宙射線破壞的威脅,有時單個高能粒子便可導致災難性的后果。有證據表明:衛星或空問飛行器事故中有39%是由電子元器件故障造成的,而各種高能宇宙射線粒子對元器件的福射損傷是造成電子元器件故障的主要原因之一[2]。宇宙射線對電子元器件最常見的影響表現為單粒子翻轉。據有關資料統計,在1971年至1986年間,國外發射的39顆同步衛星中,由各種原因造成的故障統計共1589次,其中與空間福射環境有關的故障有112 9次,占故障總數的71%,由單粒子效應造成的故障有621狀,占空間福射環境有關故障的55%[9]。國內外在這方面都進行了大量的研究,其中最具代表性的是由英國薩瑞大學利用其設計、制造和運營的UoSat系列小衛星。英國薩瑞大學利用其設計、制造和運營的UoSat系列小衛星對單粒子翻轉現象進行了研究,試驗涉及的存儲器包括NMOSDRAMs、CMOS SRAM等。實驗結果表明:幾乎所有存儲器對南大西洋異常區射線中質子都非常敏感;單粒子翻轉率隨著存儲容量增大而增大;所有CMOS SRAM器件上都發現了多位翻轉,較低密度的CMOS SRAM發生多位翻轉的幾率相對較高密度的CMOS SRAM更高[3]。表1. 1和表1. 2分別給出了 UoSat-3衛星和lJoSat-5衛星存儲器在軌單粒子翻轉的情況。
國內利用“實踐四號”和“實踐五號”衛星對空間福射單粒子效應做了一些探索。“實踐四號” [4]從2月8日入軌以后1個月內共檢測到132次單粒子翻轉,總翻轉次數和時間的相對關系如圖1.2所示。從圖1.2的結果可以看出,單粒子翻轉是一個持續頻繁發生的事件,翻轉次數足以對系統運行產生重大的影響。“實踐五號” [5]的系列實驗證明了工業級和商業級器件能在空間環境下可靠運行,但必須經過嚴格而有效的簡選,其檢測到SRAM和DRAM在空間環境下單粒子翻轉發生的概率分別約為0. 5-4次/(Mb*天)和0. 2-1次/(Mb*天)。這證明了單粒子翻轉的頻繁性和普遍性,同時表明,經過嚴格的控制和相應的設計,工業級器件可以在航天上得到應用。
1.2綜合電子系統可靠性
綜合電子系統是以星務計算機為基礎,融合星載其他計算機(如測控與姿軌控計算機等)功能,使用能力較強的商用處理器,通過數據總線連接并管控星載電系統,將傳統意義上各分系統的任務集中處理,為衛星平臺與有效載荷提供可靠的包括測控、數傳、數管、姿軌控等在內的廣義數據采集、處理與交換服務。采用綜合電子系統技術進行皮衛星設計,可大幅度減少電子元器件種類與數量,從而在滿足需求的同時,降低硬件復雜度,提高系統可靠性f6_7]。如1.1節所述,綜合電子系統同樣面臨工作環境復雜和不可維護兩個難題,可靠性無疑是綜合電子系統設計最為關心的指標之一。皮衛星大量使用商用器件,經過輝選,目前商用器件完全可以滿足皮衛星環境溫度變化需求;但商用器件不具備抗福射能力,如何通過設計來降低單粒子效應的影響成為綜合電子系統可靠性研究的重要方面。目前應對單粒子效應的設計措施主要有兩種:第一,通過屏蔽減少單粒子效應發生的概率,但受體積、重量等制約,不能完全消除;第二,通過容錯技術避免或降低單粒子效應對系統的影響。
2基于三模冗余的綜合電子系統方案設計
2.1時鐘同步三模冗余系統的設計要求及其實現
典型三模冗余系統的框架如圖2.1所示,該系統由3個相同的處理器、冗余判定模塊和故障恢復模塊組成。3個相同處理器中運行相同的程序,冗余判定模塊對3個處理器的輸出進行判斷,當其中1個處理器發生故障,產生錯誤的輸出時,冗余判定模塊可屏蔽該處理器輸出,保證系統給出正確的輸出,從而提高系統可靠性。當某個處理器持續出現故障時,可以通過故障恢復模塊來對其進行修復,使系統恢復到三摸冗余狀態。冗余判定模塊要能對3個處理器的輸出進行判定,首先要保證3個處理器運行同步,即在同一時刻3個處理器給出相同程序運行結果,否則冗余判定模塊將給出錯誤判斷。基于時鐘同步的三模冗余系統3個處理器使用相同的時鐘源,并且保持嚴格的同步運行,因此軟件設計中無需作其他的考慮,從而降低軟件的設計要求,增加軟件的通用性。但時鐘同步要求3個處理器使用相同的時鐘源,電路保持硬件高度一致,并且在完成程序加載后3個處理器嚴格同步啟動。這對硬件設計提出了較高的要求。本文在方案設計中,采用3個相同的處理器作為綜合電子系統的運算單元,處理器電路設計完全一致,采用FPGA實現冗余判定模塊,同一個晶振輸出信號經FPG內鎖相環處理后作為同源時鐘提供給3個處理器使用;在PCB布板時,盡量保證3個處理器均勻分布在FPGA周圍,從FPGA輸出的3根時鐘線走線形狀一致。
3 綜合電子系統調試........... 24
3.1 供電鏈路調試........... 24
3.2 關鍵器件調試........... 25
3.2.1 FPGA 調試........... 25
3.2.2 DSP 調試........... 26
3.3 虛擬DMA調試........... 27IV
3.4 綜合電子系統調試 ...........28
3.4.1 溫度傳感器和RTC芯片調試........... 28
3.4.2 復位芯片調試 ...........28
3. 4. 3 EEPROM 和 NAND FLASH 調試........... 29
3.5 整星聯合調試........... 29
3.6 小結 ...........33
4 三棋冗余系統時鐘同步研究 ...........34
4.1 時鐘同步試驗設計 ...........34
4.2 時鐘同步試驗及結果........... 36
4.2.1 DSP程序片內運行時鐘同步試驗........... 36
4.2.2 DSP程序片外運行時鐘同步試驗........... 37
4.3 冗余判定模塊的 實驗驗證........... 38 4.4 時鐘不同步原因探究........... 39
4.5 小結...........41
結論
本文對基于時鐘同步的三模冗余系統進行研究,主要取得以下成果:
1、根據三模冗余系統要求,結合皮衛星工程應用需求,完成了高可靠綜合電子系統方案設計及硬件實現。經測試表明設計的綜合電子系統滿足皮衛星應用需求。
關鍵詞:航空系統工程 航空電子 雙層任務調度模型 分區調度 分區設計
中圖分類號:V247 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2015)04(c)-0094-01
目前,我國航空電子技術中,相關航空電子軟件、機械電子等都有很大的發展,特別是關于航空電子軟件開發和使用,我國航空系統航空電子已經由電子機械相關的技術和系統逐步向著航空電子軟件技術和系統方向過渡發展,比如,在航空電子應用的航空軟件導航系統、雷達等。在航空電子軟件的應用上,根據相關軟件的安全等級的區別,并按照航空軟件的分組策略進行分區。在ARNC 653標準中的規定,MA系統結構,由兩層任務調度的策略,以實現各個分區應用軟件的執行。在這些分區應用的軟件的正常執行工作和使用的過程中,相關的航空電子科技研發人員應當特別需要注意對分區任務調度的研究,為了達到分區應用軟件在執行時的正確性,就需要保證分區任務調度的可行性。根據相關文獻資料和科研資料中,可以了解到,對航空電子雙層任務分區的調度,可以基于單調速率任務分配的調度模型,并通過這一調度模型可以得到航空電子分區設計相關的一些參數或者是一些表達式等重要的數據;還有的是根據最早時限優先調度模型進行分區調度。
1 基于ARNC 653標準,研究航空電子雙層任務分區調度模型設計
在研究航空電子雙層任務分區調度模型設計方面上,提高航空電子系統的精度,航空系統工程相關設計科研人員通常基于ARNC 653標準研究分析,對于分區管理的概念特別強調。
在航空系統上,一般情況下,一個或者多個航空電子應用軟件可以對應一個核心模塊,因此,在這個對應的核心模塊上可以針對多個航空電子應用軟件進行相應的分區處理,通過對分區應用的管理可以提高航空電子系統的容錯能力。在分區處理應用中,一般一個或者多個并發執行的進程組成對應了一個分區。
在航空電子系統的實際操作中,輪轉調度方式的應用可以很好的對分區模塊應用軟件的每一個分區進行全部激活;在航空電子系統航空應用軟件的各個分區中,根據調度策略實現模塊內所有分區之間的互不影響,就應當使激活的分區可以被執行,而沒有激活的分區就不能夠被執行,這樣才能夠滿足航空電子系統核心模塊分區管理的有效性,且保證各個分區之間互不影響與相對獨立。當然,航空系統航空電子相關工作科研設計人員在操作系統層對航空電子雙層任務分區的調度設計不僅僅可以采用輪轉調度策略,還可以采用一些其它方面的調度策略,從有關資料可以了解到相關調度策略,可以采用分層EDF調度方法。分層EDF調度方法在航空電子系統的應用來看,并不算是非常合理有效的調度方法,主要是因為這中調度方法是基于寬帶服務思想、且必須要有非常多的周期任務,周期任務繁多這一特點對于航空電子系統來說就不太實用了。
在航空電子雙層任務分區調度設計中,一般情況下,當采用單處理器系統的時候,在K個不同的分區里,由于所有的分區都有不同的任務,而且在相同的分區里面也會有不同的幾個任務,針對第k個分區其所包含的任務往往使用Γk進行表示,Γk={Τki/1≤i≤nk},其中,Τki中ki的意思指的是在第k個分區里面的第i個任務,這些任務都具有相對的獨立性。對于航空電子系統中所采用的輪轉調度的策略需要一輪Trl時間長度的訪問,任務執行系數αk,αk介于0~1之間,分區Pk的執行時間為Trl*αk,調度模型總結為圖1。
該文就EDF調度策略的調度模型進行相關的探討和研究,對于這種調度策略僅僅憑借函數表達式來進行調度是不夠的,為了能夠實現對不同時間時刻的調度,把Γk中的任務進行合理排序,以實現任務的順利執行。
2 根據分區調度設計,對可調度性進行研究和探討
針對分區Pk,別的分區對Pk分區的阻塞可以理解為周期任務,這個周期任務用Τk0{0,Trl,Trl(1-αk),Trl(1-αk)}對Pk任務搶占造成的,(對Τk0的解釋說明,釋放抖動0,周期Trl,執行和截止時間Trl(1-αk))。按照此模型,Γk中的各任務和Τk0都能夠調度成功,Τk0模擬了別的分區對Pk的周期搶占影響。
3 結語
隨著我國的科學技術的不斷發展,我國航空電子技術中,相關航空電子軟件、機械電子等都有很大的發展,特別是關于航空電子軟件開發和使用,我國航空系統航空電子已經由電子機械相關的技術和系統逐步向著航空電子軟件技術和系統方向過渡發展。在航空電子雙層任務分區調度設計中,一般情況下,往往會參考ARNC 653標準中的規定,根據兩層任務調度的策略,以實現各個分區應用軟件的執行。分區應用的軟件的正常執行工作和使用對分區設計都有很大的影響。在我國的相關的航空電子系統航空電子雙層任務分區調度設計中,相關的航空電子科技研發人員會特別需要注意對分區任務調度的研究,以達到分區應用軟件在執行時的正確性,并保證分區任務調度的可行性。
參考文獻
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在過去的數年里,電子市場,確切地說是存儲器市場,經歷了巨大的變化。在2000年電子工業低迷時期之前,電子系統設計師很少考慮他們下一個設計中元器件的成本,而更關注它們能夠達到的最高性能。
今天,競爭的加劇以及利潤率的下降迫使系統設計師在降低下一代產品成本的同時,保持、甚至提高系統的性能。作為這種轉變的結果,有一個工業部門經歷了實質性的增長,它就是DRAM存儲器,尤其是雙倍數據速率(DDR) SDRAM存儲器。
不同存儲器類型的讀/寫率的比較
DDR存儲器最初是一種高性能、低成本的存儲器解決方案,主要用于個人計算機和其它成本敏感的消費品市場。近來,由于施加在整個電子工業上的經濟壓力,非消費產品也開始采用DDR存儲器了。
DDR是一種基于SDRAM的革命性的存儲器技術。DDR SDRAM的存取速度是SDRAM的兩倍,因為DDR的數據傳送發生在時鐘的所有兩個邊沿。而SDRAM僅在時鐘的上升沿傳送數據。因此,DDR能夠傳送數據的速度高達2133MB/s。與傳統的SDRAM相比,DDR還具有更低的功耗。它的工作電壓是直流2.5V,而SDRAM是直流3.3V。
市場分析表明,在當今所有的電子系統中,超過50%采用了DDR存儲器,并且預計在接下來的幾年中將增長到80%。DDR不是,并且永遠也不會是一種針對所有設計的技術。DDR存儲器非常適用于那些高讀寫比率的設計。而諸如四倍數據速率存儲器,適用于50%讀寫比率的應用。在左圖中確定了多種頂尖的存儲器技術以及它門各自所屬的讀/寫曲線。
關鍵詞:EDA;數字系統;VHDLEDA技術
就是以計算機為工具,通過有關的開發軟件,用VHDL硬件描述語言完成設計,自動完成編譯、分割、布局和仿真等工作,用軟件完成設計電子系統到硬件系統的一門技術。
1電子設計自動化技術的內容及特點
1.1電子設計自動化技術
電子設計自動化(ElectronicsDesignAutomation,EDA)是一門實現電子系統或電子產品自動設計的技術。EDA吸收了計算機科學領域的最新研究成果,以高性能的電子計算機作為工作的平臺,促進電子工程的發展。所以說,EDA是電子產品和系統設計的綜合技術,也是每個電子工程師都應該了解和掌握的一門技術。EDA是在20世紀60年代中期從計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助工程(CAE)的概念發展而來的,用硬件描述語言VHDL完成設計文件,然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真,直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。
1.2EDA技術的基本特征
EDA技術是指以計算機為工作平臺,利用EDA工具,電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統,大量工作可以通過計算機自動處理完成。EDA技術的基本特征:按照“自頂向下”(Top-Down)全新設計方法,對系統進行結構設計和功能劃分,系統的關鍵電路是用印刷電路板或者專用集成電路來實現的,然后采用硬件描述語言(HDL)對系統硬件進行功能的實現,最后用綜合優化工具生成最終的理想器件。以下介紹相關的幾個方面。1.2.1“自頂向下”的設計方法很長一段時間里,電子設計的思路基本就是“自底向上”的設計方法,這種設計方法就好像一塊塊大石頭堆建起來的瓦房,不僅效率低、成本高,而且還非常容易出錯,缺點顯而易見。于是,人們發明了如今所用的一種全新的設計方法“自頂向下”,這種設計方法首先是系統設計,在頂層進行功能方框圖的劃分和結構的設計。自頂向下的設計方法使系統被分解為各個模塊的集合之后,可以對設計的每個獨立模塊指派不同的工作小組,這些小組可以工作在不同的地點,甚至可以分屬不同的單位,最后將不同的模塊集成為最終的系統模型,并對其進行綜合測試和評價。它較先前的“自頂向上”無論是在設計的時間上,還是過程中錯誤的減少,都得到了很大的提升。1.2.2ASIC設計集成電路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC),在集成電路界被認為是一種為專門目的而設計的集成電路。利用EDA技術進行電子系統設計的最后目標是完成專用集成電路ASIC的設計與實現。ASIC分為全定制和半定制,全制定是基于晶體管設計方法,設計成本高,周期長;而半定制則是一種約束性的設計方法,其設計簡化,周期短,提高了芯片的成品率;和通用的集成電路相比,ASIC的體積更小、功耗更低、性能的提升也相當高;從保密性來講,其保密性還是相當高的,而且它還具有成本節約等優點。可編程ASIC是專用集成電路的一種,也是應用最為廣泛的。可編程邏輯器件的密度高、集成度高、生產方便。1.2.3硬件描述語言硬件描述語言(HardwareDescriptionLanguage,HDL)是一種用形式化的方法來描述數字電路和系統的語言,它是EDA開發中的很重要的設計工具,也是EDA技術的重要組成部分。HDL是對電子系統硬件設計的一種高級計算機語言,用HDL語言,數字電路系統的設計可以逐層展示自己的設計思路,一些復雜的數字電路系統可以用一系列分層次的模塊來表達。早期的硬件描述語言,由不同的廠商和開發商開發,彼此之間互不兼容,且不支持多層次的設計,這些層次之間的翻譯工作就要由人工完成。而利用VHDL語言的可讀性強,更加容易修改和發現錯誤。VHDL即超高速集成電路硬件描述語言,它作為IEEE標準的硬件描述語言和EDA的重要組成部分,經過十幾年的發展、應用和完善,正逐漸被眾多設計者所接受,這種高層次的方法已經被廣泛采用。VHDL即超高速集成電路硬件描述語言,是一種面向設計的多領域、多層次的全方位的硬件描述語言,這種語言幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能。VHDL具有以下幾個優點:(1)強大的硬件描述能力。可以用來描述系統級電路,也可以用來描述門級電路,設計描述具有多層次。(2)支持廣泛、易于修改。VHDL已經成為IEEE標準,目前,多數EDA工具都支持VHDL語言,這種高層次的方法已經被廣泛采用。(3)作用強大、設計靈活。它具有作用強大的語言結構,能用簡潔明了的源代碼來描述復雜的邏輯控制。(4)移植能力強。它是一種標準化的硬件描述預言,同樣一個設計描述可是被多種不同的工具所支持,這樣就使得設計描述的移植得以實現。(5)工藝轉換方便。它的設計不依賴于特定的器件,工藝轉換方便。
2、EDA技術的應用
現如今,EDA技術發展迅速,已經在教學應用、科研應用、產品設計與制造等方面占據一席之地,發揮著巨大的作用。
2.1教學應用
大部分理工科院系都開設EDA課程。讓學生在校期間了解EDA技術的基本原理、HDL硬件描述語言描述系統邏輯的方法,模擬仿真電子電路設計,通過實踐提升學生的動手與自主能力,為今后從事的工作打下堅實的基礎。
2.2科研應用
電路設計與模擬仿真主要使用EWB等工具進行,舉個例子,在CDMA無線通信系統中,移動手機和無線基站都工作在相同的頻率,每部手機都有自己唯一的序列碼,用來區分電話的呼叫。而CDMA的BTS必須能識別這些不同的碼序列才能辨別傳呼進程,這是通過在輸入數據流中探測到特定的碼序列來完成的。
2.3產品設計與制造的應用
從電視、冰箱、音響到電子玩具等各種電子產品電路,EDA技術在模擬研制、仿真、生產、調試等方面都有著重要的作用。可以說,EDA已經成為電子工業領域必不可少的技術支持。
3、EDA技術的發展前景
當今社會,電子產品發展日新月異,為了既快又好地設計出新的電子產品,提高設計效率和產品性能,設計師需要更加簡便快捷的EDA工具,這對EDA技術提出了更高的要求。
3.1EDA技術發展的新方向
3.1.1向高密度、高速度、寬頻帶方向發展設計方法的更新得益于電子器件的發展,隨著電子產品的飛速發展,高密度、高速度和寬頻帶的可編程邏輯產品已經成為主流的,這些高密度、大容量的可編程邏輯器件的出現,給現代電子系統(復雜系統)的設計與實現帶來了非常大的幫助。設計方法和設計效率有了新的飛躍,帶來了器件的巨大需求,這種需求又促使器件生產工藝的不斷進步,而每一次工藝的改進,可編程邏輯器件的規模都將有非常大擴展。3.1.2向可預測延時的方向發展現如今的大數據時代,需要處理的數據量越來越大,就需要其具有大的數據吞吐量,而且多媒體技術發展迅速,圖像及影像的實時性要求較高,這就需要有高速的硬件系統。為了可以保證圖像實時性及穩定性,器件的延時可預測性就是一個重要的因素。所以,邏輯器件的可預測延時是非常重要的。3.1.3向低電壓、低能耗方向發展集成技術的飛速發展,工藝水平的日益提升,全世界都掀起了節能的潮流。因此,要適應時代的潮流,半導體工業也必須向低電壓、降低能耗方向發展。
3.2應用前景
在信息通信領域中,需要優先發展高速寬帶信息網、計算機及軟件技術、第三代移動通信技術,積極開拓以數字技術、網絡技術為基礎的新一代信息產品,研發新興的產業。自動化儀表的技術發展趨勢將計算機技術、通信技術進一步的融合,大力地推廣信息化。在電子設計的研發中,它可以代替設計者完成電子系統設計中的絕大部分工作,而且可以直接在程序中修改錯誤,系統功能也不需要硬件電路的支持。隨著EDA技術的發展,EDA技術具有更好的開發手段和性價比,具有廣泛的市場應用前景。
3.3未來展望
從目前的EDA技術來看,其發展趨勢是使用普及、應用廣泛、工具多樣、軟件功能強大。中國EDA市場已經日趨成熟,但是大部分的設計是面向PCB制板和ASIC領域,只有小部分的設計是開發復雜的片上系統器件。EDA技術將在自動化儀表的測試技術、控制技術、計算技術等方面有較大的突破,在ASIC和PLD設計方面,以高速、高密度、低能耗、低電壓等方面發展。
4、結語
EDA技術的應用十分廣泛,現在已涉及電子、通信、機械、航天、醫學、生物、軍事等各個領域。所以無論是生活、學習、還是工作,都離不開EDA。因此,作為一名大專院校電子類專業的學生,我們應該熟練掌握EDA技術用于CPLD/FPGA的開發和知曉EDA技術在未來發展的前景,只有這樣才能去適應激烈競爭的環境,在激烈的競爭環境中取得成績。
[參考文獻]
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關鍵詞:嵌入式系統;應用模式;兩個層次
1 嵌入式系統的發展史
計算機誕生于1946年,在漫長的歷史進程中,計算機始終由于其體積大和不便攜帶而始終擱置在室內,用來完成數值計算的大型設備。隨著20世紀70年代微型機的出現,微型機嵌入式專用化的深化,而進入嵌入式系統獨立的微控制器發展時期,嵌入式處理器與集成電路技術發展成帶處理器內核的單片機,即微控制器智能化電子系統。微型計算機以其小型、價廉、性能可靠的特點,逐步走出機房;快捷高速計算能力的微型機,智能化水平以及專業人士技能的不斷提高,要求將微型機嵌入到一個不同應用實體中,實現其智能化的控制。
在工控機和單板機時期,無法徹底地滿足嵌入式系統小體積,低價位、高可靠性要求,現在我們的日常生活中嵌入式系統無處不在,有著較廣泛的應用領域,如:手機、汽車、家用電器、都有嵌入式系統,隨著互聯網和微處理器的開發研究,將來嵌入式系統在人們日常生活、工業、科技、軍事等領域都會有廣泛地應用。
2 嵌入式的定義和特點
在嵌入式系統應用領域中,現在有許多人對嵌入式系統了解較少。其實單片機就是嵌入式系統的代表;也有些人對嵌入式系統無法給出較完整的定義,而是把嵌入式系統的特點和定義混在一起。因而有必要從計算機的發展歷史,了解嵌入式系統,從科學和專業角度來探討嵌入式系統和特點。
2.1 嵌入式系統要素和定義
按照嵌入式系統開發和應用的要求,嵌入式系統可概括為:“嵌入到對象體系中的專用計算機系統”,“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統”是嵌入式系統三個基本要素。定義是:以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、工耗嚴格要求的專用計算機系統。
2.2 嵌入式系統的特點
嵌入式系統應用軟件是嵌入式系統功能的關鍵,對嵌入式處理器系統軟件和應用軟件的要求也使其具有以下的特點:⑴軟件固態化存儲提高了執行速度和系統可靠性,嵌入式系統軟件一般都固化于存儲器或單片機本身。⑵軟件代碼質量高、半導體和處理器速度可靠性不斷提高、存儲器容量增加,具體應用中存儲空間仍有實時性的要求。
⑶在多任務嵌入式系統中,基本要求是高實時性,保證對重要性不相同的任務合理調度是任務執行的關鍵,單純提高處理器速度無法達到和完成,只能由優化的系統軟件來完成。
⑷嵌入式系統需要開發工具和計算機具有完善的人機接口界面,并增加一些開發應用程序即可進行對自身的開發。
⑸嵌入式系統軟件需要開發平臺具有完善的操作系統和應用程序接口,新開發的軟件應用程序必須在平臺上運行,嵌入式系統的應用程序則可以沒有操作系統直接在芯片上運行。
⑹嵌入式系統開發人員以應用為主,計算機開發人員一般是計算機科學或工程方面的專業人士,而嵌入式系統是各個不同行業的應用相結合,需要的是計算機以外的專業知識,嵌入式系統開發人員都是其他應用領域的優秀人才。
2.3 嵌入式系統的種類與發展
按照上述瞞足嵌入式系統定義及定義中三要素的計算機系統,即可稱為嵌入式系統。嵌入式系統可分為設備級、板級、芯片級。有些從事嵌入式開發的人員把嵌入式處理器當作嵌入式系統,但由于嵌入式系統是一個嵌入式計算機系統,將嵌入式處理器構成計算機系統,并與嵌入式共同應用時,這樣的計算機系統才是嵌入式系統。
嵌入式系統與對象系統密切相關,主要發展方向是滿足嵌入式應用要求,不斷擴展對象系統要求所涉及的電路,夠成滿足對象要求的應用系統。嵌入式系統作為一個專用計算機系統,要不斷向計算機應用系統發展。才可以把定義中的嵌入式系統看成是滿足對象系統要求的計算機應用系統。
3 嵌入式系統的發展前景
3.1 嵌入式系統引入單片機的發展
微型計算機的出現誕生了嵌入式系統,可是微型計算機的體積、價位、可靠性無法滿足對象系統的嵌入式應用要求,為此;嵌入式系統的獨立發展道路就是芯片化道路。把計算機系統設置在芯片上,而進入了單片機時代。
在單片機的發展進程中,有過兩種模式,即本質上的計算機直接芯片化模式,它是將計算機系統的基本單元進行裁剪,設置在一個芯片上,形成單片機,芯片則完全按嵌入式設計出新的嵌入式應用體系結構,微處理器、指令系統、總線方式、管理模式等。才是全面完善的嵌入式系統。芯片化模式是嵌入式系統獨立發展并成為單片嵌入式系統的典型結構體系。
3.2 嵌入式系統發展前景
日益普及的家用電器體現了互聯網時代嵌入式產品,為嵌入式市場展現了美好前景,帶來了新的生命;也對嵌入式系統、軟件技術帶來新的挑戰。包括:支持迅速增長的功能密度、快捷的網絡聯接、小巧的移動應用和多媒體信息處理,因此也帶來了更加激烈的市場競爭。
⑴嵌入式軟件開發需要完備的開發工具和操作系統支持,隨著網絡技術的成熟,網上提供的信息量也越來越大、應用項目像電話、手機、電冰箱等嵌入式設備的功能多樣化。為滿足功能的多樣化,專業人士采用更強大的嵌入式處理器來增強處理能力;同時還應用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能,簡化應用程序、確保軟件質量和開發周期。
⑵隨著嵌入式實時操作系統的國際商品化,已有WindRiver、Microsoft、等產品進入我國市場。自主開發的嵌入式系統軟件產品如科銀公司的嵌入式軟件開發平臺DeltaSystem,它不僅包括嵌入式實時操作系統,而且還包括交叉開發工具套件、測試工具、應用組件等。
⑶互聯網的逐漸普及和迅速發展。嵌入式系統要求配備標準的或多種網絡通信接口。為應對外部聯網要求,嵌入設備必需配有通信接口,由于家用電器相互關聯(如防盜、影視和信息終端交換)及協調工作等要求,新一代嵌入式設備還需具備多種實用或通信接口,也提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。
⑷嵌入式產品設計降低處理器的性能,限制內存容量和復用接口芯片。支持電子設備向小尺寸、微功耗和低成本方向發展。為滿足這種特性,并相應提高了嵌入式軟件設計技術要求。選用最佳的編程模型和不斷改進算法,優化編譯器性能。因此;既要軟件人員經驗豐富,同時需要先進嵌入式軟件技術。
⑸嵌入式設備受眾多家庭和人們喜愛,原因是它們與使用者之間具有親和力,能提供豐富多樣的人機交互界面,如信息終端交互要求以夜景或電子屏幕為中心的多媒體界面。手寫文字輸入、語音撥號、彩色圖形、圖像已取得初步成效。
4 嵌入式系統的兩種應用模式
因嵌入式系統具有多學科交叉的應用特點,則需要計算機領域人員介入其結構體系、軟件技術、工程應用的研究。所以了解對象系統的控制要求,實現系統控制就應具備該領域的專業知識。從嵌入式系統發展的歷史,以及嵌入式應用的多樣性,足以了解到嵌入式系統形成的兩種應用模式。
4.1 現存的兩種應用模式
從微型機出現到獨立發展的單片機時代,嵌入式系統從原器件狀態進入到電子技術領域,從電子技術應用為主體,到電子系統的智能化,計算機專業人員沒有真正進入單片機應用領域。所以電子技術應用專業人員以習慣性的電子技術應用,進入到單片機的應用開發。這種應用模式具有:軟、硬件的低層性和隨意性,缺少計算機工程設計方法。
盡管在單片機時代,計算機專業出現嵌入式系統領域,隨著后微型機時代的到來,網絡、通信技術迅速發展;嵌入式系統軟、硬件技術有了迅猛發展,為計算機專業人員進入嵌入式系統應用另辟了新的空間,使得嵌入式系統應用模式帶有計算機工程應用的特點,即嵌入式系統軟、硬件平臺,以網絡、通信為主的非嵌入式低層次應用。
4.2 兩種模式的并存與互補
由于嵌入式系統最大、最廣、最低層的應用是傳統電子技術領域和智能化改造,以針對專業電子技術隊伍為主,以較少的嵌入式系統軟和硬件成本,使其產品帶有濃重的電子系統設計色彩的電子系統應用模式較長時間存在。也使得計算機專業設計師會愈來愈多地介入嵌入式系統,由于對象專業知識的差別,其應用領域會集中在網絡、電子商務等方面,無法替代電子系統人員在控制、儀器儀表、智能化等方面的嵌入式應用。所以,現存的兩種應用模式會在一定時期并存下去,同時在不同領域相互補充。在嵌入式系統軟和硬件研發過程中,不斷學習計算機工程方法和嵌入式系統軟件技術,在電子系統設計過程中,不斷了解嵌入式系統應用的電路系統特性及電路設計方法和對象系統的設計原則。
4.3 嵌入式系統應用的兩個層次
嵌入式系統有過很長的一段單片機的獨立發展道路,在實現最低層的嵌入式系統應用,使其有著明顯的電子系統設計特點。許多從事單片機研發人員,都是電子系統設計的專業人士,由于單片機的出現,部分人員脫離了計算機領域,另辟途徑而進入電子系統領域,且沒有帶入嵌入式系統理念。所以:許多從事單片機應用的人,沒有真正了解單片機與嵌入式系統,在涉及嵌入式系統時,往往理解成計算機專業:從事網絡、通信等的應用。從而形成了“單片機”與“嵌入式系統”兩個獨立的名詞。因為“單片機”是獨立產生的嵌入式系統,應該把它統一歸結到嵌入式系統。也可以把嵌入式系統按應用對象分成高層次與低層次,把原來的單片機應用理解成嵌入式系統的低層次應用。
5 結束語
由于嵌入式系統的市場巨大、潛力無限,全球的生產商都非常看好這一領域,且投入了許多人力物力,而圍繞嵌入式系統的研究、設計和研發正成為計算機發展方向。筆者結合自身的學習和積累以及網站資料的搜索與分析,對嵌入式系統發展及應用進行了概述,希望能同從事嵌入式開發的人員共同探討,為使嵌入式系統在未來的發展,能給人們的工作、學習、生活帶來更多的便利而共同努力。
[參考文獻]
[1]ARM嵌入式技術實踐教程.http://.cn/buaa.
[2]姚正.計算機發展趨勢展望[J].《商情(教育經濟研究)》2008年第1期.
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