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2，嵌入式基础

2024-10-17 11:09:40   0  举报

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AI智能生成

嵌入式基础知识

软考

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嵌入式基础

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大纲/内容

嵌入式系统

组成

定义：嵌入式系统（Embedded System）是以特定应用为中心、以计算机技术为基础，并将可配置与可裁剪的软、硬件集成于一体的专用计算机系统。

嵌入式系统的组成结构是：

嵌入式处理器

除满足低功耗、体积小等需求外，工艺可分为民用、工业和军用等三个档次

民用级器件的工作温度范围是 0～70℃

工业级的是−40～85℃

军用级的是−55～150℃

相关支撑硬件

如存储器、定时器、总线等

嵌入式操作系统

具备实时性、可裁剪性和安全性等特征

支撑软件

其中的公共服务通常运行在操作系统之上，以库的方式被应用软件所引用

应用软件

是指为完成嵌入式系统的某一专用目标所开发的软件

特点

专用性强，常常面向特定应用需求，配备多种传感器。

技术融合，将先进的计算机技术、通信技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用紧密结合难以拆分。

软硬一体软件为主，在通用的嵌入式系统版本基础上裁剪冗余，高效设计。

资源受限，由于低功耗、体积小和集成度高等要求，系统的资源非常少。

程序代码固化在 ROM 中，以提高执行速度和系统可靠性。

需专门开发工具和环境

体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强

对安全性和可靠性的要求高

分类

根据不同用途分类：

嵌入式实时系统

定义：实时系统（Real-Time System，RTS）是指能够在规定的时间内完成系统功能和做出响应的系统

分类：

强实时（Hard Real-Time）系统

弱实时（Weak Real-Time）系统

嵌入式非实时系统

从安全性分类：

安全攸关（Safety-Critical 或 Life-Critical）系统

是指其不正确的功能或者失效会导致人员伤亡、财产损失等严重后果的计算机系统。

非安全攸关系统

嵌入式软件

基本概念

大多数嵌入式系统都具备实时特征，这种嵌入式系统的典型架构可概括为两种模式，即层次化模式架构和递归模式架构。

嵌入式系统的最大特点就是系统的运行和开发是在不同环境中进行的，通常将运行环境称为“目标机”环境，称开发环境为“宿主机”环境，宿主机与目标机之间通过串口、网络或 JTAG 接口连接。

由于宿主机和目标机的指令往往是不同的，嵌入式系统的开发通常需要交叉平台开发环境支持。

基本开发工具是交叉编译器、交叉链接器和源代码调试器。

还需要注意实时性、安全性和可靠性、代码规模、软/硬件协同工作的效率和稳定性、特定领域的需求等

组成

硬件层，包括处理器、存储器、总线、I/O 接口及电源、时钟等

抽象层，包括硬件抽象层（HAL），为上层应用（操作系统）提供虚拟的硬件资源；板级支持包（BSP），是一种硬件驱动软件，为上层操作系统提供对硬件进行管理的支持。

操作系统层，由嵌入式操作系统、文件系统、图形用户接口、网络系统和通用组件等可配置模块组成。

中间件层，是连接两个独立应用的桥梁，常用的有嵌入式数据库、OpenGL、消息中间件、Java 中间件、虚拟机（VM）、DDS/CORBA 和 Hadoop 等

应用层，包括不同的应用软件

特点

可剪裁性：设计方法包括静态编译、动态库和控制函数流程实现功能控制等

可配置性：设计方法包括数据驱动、静态编译和配置表等

强实时性：设计方法包括表驱动、配置、静/动态结合、汇编语言等

安全性（Safety）：设计方法包括编码标准、安全保障机制、FMECA（故障模式、影响及危害性分析）

可靠性：设计方法包括容错技术、余度技术和鲁棒性设计等

高确定性：设计方法包括静态分配资源、越界检查、状态机、静态任务调度等

嵌入式软件的开发也与传统的软件开发方法差异较大。在嵌入式系统设计时，要进行低功耗设计。主要技术有编译优化技术、软硬件协同设计、算法优化

嵌入式系统硬件体系结构

组成结构

传统的嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、存储器、总线逻辑、定时/计数器、看门狗电路、I/O 接口和外部设备等部件组成

嵌入式微处理器分类

微处理器（Microprocessor Unit，MPU）：微处理器+专门设计的电路板，集成度低、可靠性高，主要有：Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM 系列等

微控制器（Microcontroller Unit，MCU）：又称单片机，把核心存储器和部分外设封装在片内。优点是单片化、体积小、功耗和成本下降，可靠性提高。包括 8501，P5IXA，MCS-251，MCS-96/196/296，C166/167，MC68HC05/11/12/16，68300 和数目众多的 ARM 系列

数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）：采用哈佛结构，对系统结构和指令进行了特殊设计，适合执行大量数据处理。包括 TMS320 系列（含 C2000、C5000、C6000、C8000系列）、DSP56000 系列、实时 DSP 处理器等

图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）：与 CPU 相比大幅加强了浮点运算能力和多核并行计算能力，因此常用于 AI 技术的深度学习的数据运算

片上系统（System on Chip，SoC）：由多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统，如处理器、IP（Intellectual Property）核、存储器等及其承载的嵌入式软件，如操作系统和定制的用户软件

存储器分类

随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）

动态随机存取存储器（Dynamic RAM，DRAM）

静态随机存取存储器（Static RAM，SRAM）

只读存储器（Read Only Memory，ROM）

掩膜型只读存储器（Mask Programmed ROM，MROM）

游戏卡

嵌入式系统

可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）