浙江大学嵌入式课件--嵌入式系统

嵌入式系统概述嵌入式系统无处不在，从智能手机到汽车，再到工业设备它们通常是专门为特定任务而设计的，并且与外部世界进行交互嵌入式系统的定义专用硬件专用软件应用广泛嵌入式系统通常具有专门设计的硬件，以满嵌入式系统运行的软件通常被定制，以执行从智能手机和汽车到工业设备和医疗器械，足特定应用的需求特定的任务，例如控制设备或收集数据嵌入式系统几乎无处不在嵌入式系统的特点专用性实时性嵌入式系统通常针对特定应用场嵌入式系统需要对外部事件进行景而设计，例如汽车、手机、工及时响应，并按时完成任务，例业控制等如自动驾驶系统资源受限可靠性高嵌入式系统通常具有有限的计算嵌入式系统需要在各种环境下可能力、内存和存储空间，需要进靠运行，因此需要进行严格的测行资源优化试和质量控制嵌入式系统的组成硬件软件12嵌入式系统通常包含处理器、内存、存软件包含操作系统、设备驱动程序、应储器、接口等硬件组件用软件等，负责控制硬件并实现特定功I/O能固件外围设备34固件是嵌入式系统中存储在非易失性存传感器、显示器、电机等设备扩展了系储器中的程序，启动硬件并控制基本功统功能，与硬件和软件协同工作能嵌入式系统的软硬件结构嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，两者紧密配合，共同完成特定任务硬件部分包括处理器、存储器、外设等软件部分包括操作系统、驱动程序、应用程序等嵌入式系统软硬件结构的核心是处理器，它负责执行指令和处理数据存储器用于存储程序和数据外设是与外部世界交互的接口，例如传感器、显示器、通信模块等嵌入式软件负责控制硬件，管理资源，并执行用户的应用程序操作系统是软件的基础，它提供系统管理和资源管理功能驱动程序是连接硬件和软件的桥梁，负责控制外设嵌入式硬件技术发展历程早期阶段1嵌入式硬件技术起源于世纪年代，主要使用分立元件，集成度较低2070微处理器时代2随着微处理器的出现，嵌入式系统开始快速发展，集成度提高，功能更强大现代嵌入式系统3现代嵌入式系统采用高性能处理器、先进的存储器技术，功能更加强大，应用范围更加广泛常见的嵌入式硬件平台树莓派Arduino微控制器STM32开发板TI LaunchPad是一款开源硬件平台树莓派是一种小型、低成本的Arduino微控制器是意法半导体STM32开发板是德州TI LaunchPad，以其易用性和丰富的扩展性单板计算机它是一款功能强的系列微控制ARM Cortex-M仪器推出的低成本、高性能的而闻名它广泛用于电子大的开发平台，支持多种编程DIY器，以其高性能、低功耗和丰微控制器开发套件，提供丰富、原型设计和嵌入式系统开发语言和操作系统富的功能而受到青睐的示例代码和开发工具嵌入式软件技术概述嵌入式软件是控制和管理嵌入式硬件的软件，它赋予硬件生命嵌入式软件技术涵盖了从操作系统、驱动程序、应用软件到实时软件等多个方面嵌入式软件的种类和特点系统软件应用软件中间件测试软件操作系统，驱动程序，实时操根据特定应用需求开发，例如连接应用程序和硬件之间的软用于验证嵌入式软件质量和功作系统（）等，为应用程工业控制，智能家居，移动设件层，提供通信，数据管理等能，包括单元测试，集成测试RTOS序提供底层服务备等功能，系统测试等嵌入式软件开发流程嵌入式软件开发流程是一个严谨的步骤，需要经过多个阶段，才能最终将软件应用到硬件平台上需求分析1明确系统功能和性能要求系统设计2架构设计、模块划分、接口定义代码实现3编写代码并进行单元测试软件集成4将各个模块集成到一起并进行系统测试软件部署5将软件部署到目标硬件平台每个阶段都至关重要，需要进行严格的测试和验证，确保软件质量和可靠性嵌入式软件开发工具集成开发环境交叉编译器调试器仿真器IDE提供代码编辑、编译、调试等将目标平台的代码编译成目标帮助开发人员发现和解决嵌入模拟目标平台的硬件环境，方功能，方便开发人员进行嵌入平台可执行的二进制代码式软件中的错误便开发人员进行软件测试式软件开发嵌入式实时操作系统实时性资源管理实时操作系统专门为需要实时响应的应用程序而设计它管理有限的嵌入式系统资源，例如内存、处理器时间和外围RTOS RTOS们具有严格的定时要求，确保及时完成任务设备例如，在工业自动化系统中，可以确保机器在预定的时间范它们提供任务调度、中断处理和内存分配等功能，以优化系统性RTOS围内执行操作，从而保证生产效率和可靠性能和效率嵌入式网络技术网络协议网络接口嵌入式系统通常使用各种网络协议进行通信嵌入式系统可以集成不同的网络接口，例如以是使用最广泛的协议之一，它支持互联太网、和蓝牙，用于连接到网络TCP/IP Wi-Fi网通信网络安全网络管理嵌入式系统中的网络安全非常重要它需要保嵌入式系统需要管理网络连接，包括配置网络护设备免受网络攻击，并确保数据传输的完整参数、监控网络流量和处理网络故障性和机密性嵌入式系统中的通信协议串行通信协议网络通信协议

1.

2.12串行通信协议，例如、以太网、和蓝牙协议用于UART Wi-Fi和，通常用于在嵌入式连接嵌入式系统到网络，实现SPI I2C系统中连接外围设备，例如传数据传输和远程控制感器和显示器无线通信协议专用协议

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4.

34、和等协一些嵌入式系统使用特定应用Zigbee LoRaNB-IoT议适用于低功耗和长距离无线程序的协议，例如总线用CAN通信，例如智能家居和工业自于汽车，用于工业控制RS-485动化嵌入式系统中的电源管理节能设计电源管理策略嵌入式系统通常需要在有限的能电源管理策略旨在根据系统工作源下运行，因此节能设计至关重状态动态调整电源消耗，例如在要通过优化硬件和软件，可以空闲状态下降低功耗最大限度地延长电池寿命电源管理芯片电池管理电源管理芯片是专门用于管理电嵌入式系统通常使用电池供电，源分配和转换的专用集成电路，因此需要对电池的充电、放电和可以有效地控制电源效率剩余电量进行有效管理嵌入式系统中的存储管理存储器类型存储器分配嵌入式系统通常使用多种存储器存储器管理涉及分配和释放存储类型，包括、、闪存和资源，以确保不同模块和程序之ROM RAM磁盘等，以满足不同需求间不会相互干扰存储器保护存储器优化为了防止程序错误导致的存储器为了提高系统性能，需要进行存访问冲突或损坏，需要进行存储储器优化，例如内存缓存、页面器保护，例如内存访问权限控制置换算法等等嵌入式系统中的内存管理内存分配内存回收12动态分配内存空间，满足程序释放不再使用的内存空间，避运行需求免内存泄漏内存碎片内存保护34内存分配和回收过程中产生的防止程序访问非授权的内存区零散空间，影响内存效率域，保证系统稳定性嵌入式系统中的处理器架构架构架构架构架构ARM x86MIPS PowerPC架构因其低功耗、高性架构主要应用于和服架构在网络路由器、嵌架构主要应用于高ARM x86PC MIPSPowerPC能而广泛应用于嵌入式系统务器，但也有一些嵌入式系统入式系统等领域应用广泛，其端嵌入式系统、服务器和工作它采用精简指令集设采用架构，如工业控制系特点是指令集简单，执行效率站，它具有高性能、高可靠性RISCx86计，指令集简洁，执行效率高统、网络设备等架构指高，支持多种操作系统和软件等特点x86令集较为复杂，但性能强大嵌入式系统中的外围设备接口摄像头接口触摸屏接口传感器接口网络接口摄像头接口是嵌入式系统常用触摸屏接口允许用户通过触摸传感器接口用于连接各种传感网络接口使嵌入式系统能够连的接口之一，用于连接摄像头屏幕与嵌入式系统进行交互，器，采集环境信息，如温度、接到网络，实现数据传输和远并获取图像数据为用户提供更加直观的操控体湿度、光线等程控制验嵌入式系统中的设备驱动程序硬件抽象层软件接口设备驱动程序类型设备驱动程序为应用程序提供硬件访问接口驱动程序通过操作系统的与应用程序交常见的驱动程序类型包括字符设备、块设备API互、网络设备和输入输出设备/嵌入式系统中的安全性与可靠性安全漏洞防范数据完整性和机密性嵌入式系统容易受到攻击，例如缓冲区溢出、代码注入和网络攻击嵌入式系统通常处理敏感数据，例如个人信息或财务数据确保这因此，需要采取措施来防止这些漏洞些数据的完整性和机密性至关重要系统稳定性和容错能力安全机制和协议嵌入式系统通常需要长时间稳定运行，并能够应对各种故障提高使用安全机制和协议来保护嵌入式系统，例如加密、身份验证和访系统稳定性和容错能力是关键问控制嵌入式系统中的测试与调试硬件测试1验证硬件功能，例如、内存、外设CPU软件测试2验证软件功能，例如操作系统、驱动程序集成测试3验证软硬件之间的交互，确保系统正常运行系统测试4评估整个嵌入式系统的性能和稳定性嵌入式系统测试与调试非常重要，它确保系统能够在目标环境中正常工作测试方法包括硬件测试、软件测试、集成测试和系统测试，每个阶段都有其特定的目标和方法嵌入式系统中的性能优化代码优化硬件优化系统架构优化优化代码以减少指令周期和内存访问次数，选择合适的处理器和外设，并使用高效的硬设计合理的系统架构，减少资源竞争和数据提升系统执行效率件设计，提高系统性能冗余，提升系统性能嵌入式系统中的功耗管理电池寿命热量管理延长电池寿命是嵌入式系统的重要设计目标嵌入式系统产生的热量会影响其性能和可靠性低功耗设计可以最大限度地延长电池寿命高效的热量管理可以防止系统过热硬件优化软件优化选择低功耗组件，并优化硬件设计可以有效降使用低功耗算法和数据结构，并优化代码可以低功耗提高系统效率嵌入式系统中的实时性保证实时性要求实时性指标嵌入式系统必须在规定的时间内完成任务，否则会导致系统故障实时性指标包括时间延迟、任务执行时间、中断响应时间等不例如，汽车的系统必须在刹车信号发出后立即响应，否则会同的应用场景对实时性指标的要求不同例如，工业控制系统对ABS导致事故实时性保证是嵌入式系统开发的关键问题之一时间延迟的要求非常严格，而家用电器对时间延迟的要求相对宽松嵌入式系统中的实时调度算法固定优先级调度动态优先级调度

1.

2.12这种算法根据任务的优先级来分配处理器时间，优先级高的这种算法根据任务的动态属性，例如截止时间或资源需求，任务优先执行来调整任务优先级基于时间片轮转调度事件驱动调度

3.

4.34这种算法将处理器时间分配给每个任务，每个任务在规定的这种算法根据发生的事件来触发任务执行，例如硬件中断或时间片内执行软件信号嵌入式系统中的实时任务管理时间调度优先级分配资源分配任务同步实时操作系统需要精确地管理不同的任务可能具有不同的优实时系统需要有效地分配系统多个任务可能需要访问共享资任务执行时间，保证任务在规先级，实时系统需要根据任务资源，例如时间、内存源或进行数据交换，实时系统CPU定的时间内完成，满足实时性优先级进行调度，确保高优先和外设，以保证任务顺利执行需要提供机制来协调任务之间要求级任务优先执行的同步和通信，避免冲突和错误嵌入式系统中的故障诊断和预防故障诊断故障预防通过监测系统运行状态，分析异常行为，定位采取措施降低故障发生概率，提高系统可靠性问题根源实时监控故障修复持续跟踪系统运行参数，及时发现潜在问题采取措施恢复系统正常功能，减少故障影响嵌入式系统的典型应用领域消费电子产品工业自动化智能手机、平板电脑、智能手表机器人、自动化生产线、工业控等，嵌入式系统提供核心功能制系统，嵌入式系统负责控制和管理汽车电子医疗设备汽车导航、安全气囊、发动机控医疗仪器、可穿戴设备，嵌入式制系统，嵌入式系统提升汽车性系统提供准确可靠的医疗服务能嵌入式系统的发展趋势智能家居的普及自动驾驶汽车的发展可穿戴设备的兴起工业自动化和机器人嵌入式系统在智能家居设备中自动驾驶汽车依赖于嵌入式系智能手表、智能手环等可穿戴嵌入式系统是工业自动化和机发挥着关键作用，例如智能音统进行传感器数据处理、路径设备广泛应用嵌入式系统，实器人技术的重要组成部分，应箱、智能照明、智能家电等规划、车辆控制等现健康监测、信息交互等功能用于生产线控制、机器人操作等领域总结与展望嵌入式系统在现代社会中扮演着至关重要的角色它将继续发展，并将在更多领域得到应用随着人工智能、物联网和云计算等技术的不断发展，嵌入式系统将变得更加智能、互联和强大。