嵌入式系统--课件

嵌入式系统课件简介本课件旨在帮助学习者了解嵌入式系统基础知识，并掌握实际开发技能内容涵盖硬件设计、软件开发、系统集成等关键环节什么是嵌入式系统？专用性实时性嵌入式系统通常是为特定应用而许多嵌入式系统需要在特定时间设计的，例如智能手机、汽车或内完成任务，因此实时性能至关工业设备重要资源受限硬件软件集成嵌入式系统通常具有有限的内存嵌入式系统通常涉及紧密的硬件、存储空间和处理能力和软件集成，以优化性能和效率嵌入式系统的特点专用性实时性资源受限可靠性嵌入式系统通常针对特定应用嵌入式系统需要及时响应外部嵌入式系统通常受限于硬件资嵌入式系统需要在恶劣的环境设计，例如智能手机、汽车控事件，并做出相应的处理源，例如内存、处理器速度等中可靠地运行，并提供稳定的制系统等性能嵌入式系统的组成结构嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成，其中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、应用程序等硬件是嵌入式系统的基础，软件则是赋予硬件生命力的关键嵌入式系统的组成结构会因其应用场景和功能需求而有所不同例如，一个简单的智能家居设备可能只包含一个微处理器、少量内存和一些基本的外设接口；而一个工业控制系统则可能包含多个处理器、大量的内存和复杂的网络连接芯片技术的发展CPU晶体管时代1世纪年代，晶体管问世，取代了笨重的真空管，极大地提高2050了的性能和集成度CPU集成电路时代2世纪年代，集成电路技术出现，将多个晶体管集成在一个芯2060片上，进一步提升了的性能和可靠性微处理器时代CPU3世纪年代，第一个微处理器诞生，标志着芯片技术进2070CPU入了一个新的阶段超大规模集成电路时代4世纪年代，超大规模集成电路技术发展迅速，的性能2080CPU和集成度得到大幅提高多核时代5世纪初，多核开始普及，通过多个核心并行工作来提升性21CPU能人工智能芯片时代6近年来，人工智能芯片技术蓬勃发展，为嵌入式系统提供了更强大的处理能力，满足了对数据处理、机器学习等需求微处理器发展历程第一代晶体管1体积庞大，功耗高，性能有限第二代集成电路2体积缩小，功耗降低，性能提升第三代大规模集成电路3性能显著提高，体积进一步缩小第四代超大规模集成电路4性能更强，体积更小，功耗更低位、位、位81632CPU的位数是指在一次操作中能处理的数据位数位、位和位都是常见的类型，它们在性能CPU CPU81632CPU、功耗和成本方面存在差异8位8位处理能力有限，主要应用于低成本、低功耗的嵌入式系统，例如微控制器8CPU16位16位比位性能更强，应用于更复杂的嵌入式系统，例如一些工业控制系统和汽车电子系统16CPU8CPU32位32位是目前最常见的类型，性能强大，应用范围广泛，包括个人电脑、服务器和智能手机32CPU CPU随着技术的发展，位已经成为主流，但在嵌入式系统中，位仍然占有重要地位64CPU32CPU架构的特点ARM低功耗高性能

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2.12架构专为移动设备和嵌入处理器可以实现高性能，ARM ARM式系统设计，功耗低，非常适即使在低功耗模式下，也能提合电池供电的设备供出色的处理能力可扩展性广泛的生态系统

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4.34架构可以扩展到各种应用拥有庞大的开发者社区，ARM ARM，从简单的微控制器到高性能提供广泛的开发工具、软件库的服务器和支持嵌入式操作系统概述什么是嵌入式操作系统？嵌入式操作系统内核嵌入式系统应用程序嵌入式操作系统是专门为嵌入式系统设计的嵌入式操作系统内核是系统的核心，负责管应用程序是运行在嵌入式操作系统上的软件软件，它管理和控制硬件资源，提供应用程理系统资源，包括内存、处理器、外设等，，负责完成特定任务，例如控制设备、收集序执行环境，并负责处理各种任务和事件为应用程序提供服务数据、处理信息等内核在嵌入式系统中的应用Linux广泛应用性能优势内核广泛应用于嵌入式系统，例如智能家内核提供优秀的性能和可靠性，适用于资Linux Linux居、工业控制、医疗设备等源受限的嵌入式系统开源优势活跃社区开源代码库允许开发者定制和扩展内核功能，活跃的社区提供丰富的文档和支持，帮助开发满足特定需求者解决问题操作系统介绍FreeRTOS简介主要特性FreeRTOS是一个开源的实时操作系统，专为资源受限•多任务管理FreeRTOS RTOS的嵌入式系统设计•实时内核非常轻量级，可以在只有几内存的系统上运行，•中断管理FreeRTOS KB并提供实时任务调度、中断处理和同步机制•内存管理•时间管理驱动程序的编写技巧代码规范调试技巧文档编写性能优化遵循代码规范，提高代码可读使用调试工具进行代码调试，编写详细的驱动程序文档，包优化驱动程序性能，减少代码性，方便维护和调试采用清找出程序错误所在，定位问题括接口定义、使用方法、注意冗余，提升程序效率，降低系晰的变量命名、注释等方式，，解决问题事项等，方便其他开发者使用统资源占用提高代码可理解性和理解嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统硬件设计需要考虑多种因素，包括选择、存储器类型、外设接CPU口、电源管理、电路板布局等等其中，的选择是核心，需要根据系统功CPU能需求、性能指标和成本预算综合考虑存储器方面，需要根据系统数据量、访问速度、成本等因素选择合适的存储器类型，例如、、等外设接口设计需要考虑与各种外设的兼容RAM ROMFlash性，例如串口、并口、、、等等USB I2C SPI电源管理单元设计电池充电管理电源转换低功耗管理电路板设计电源管理单元负责控制电池的电源管理单元包含电源转换电通过电源管理单元可以实现各电源管理单元通常以独立的电充电和放电过程，确保电池的路，将外部电源转换为嵌入式种低功耗模式，例如睡眠模式路板形式存在，需要仔细设计寿命和安全系统所需的电压和电流和休眠模式，以延长电池续航电路板的布局和布线，以确保时间可靠性和稳定性存储器接口设计存储器类型选择存储器地址映射

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2.12根据嵌入式系统应用需求，选择合适的存储器类型，例如在嵌入式系统中，存储器地址空间需要合理分配，确保CPU、、、等能够访问所有存储器SRAM DRAMFlash EEPROM存储器控制逻辑设计存储器接口协议

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4.34设计存储器控制电路，实现存储器读写操作的控制，包括读选择合适的存储器接口协议，例如、、等，SPI I2C UART写信号控制、数据传输等并进行接口电路设计外设接口电路设计串行接口并行接口串行接口用于传输数据流，例如并行接口同时传输多个数据位，、、它们成本低例如并行总线它们速度快，但UART SPII2C，但速度较慢成本较高网络接口其他接口网络接口连接到网络，例如以太其他接口包括用于传感器、显示网接口或模块，用于与其器、存储器等设备的专用接口WiFi他设备通信它们的设计取决于特定应用电路板设计注意事项元件布局电源设计信号完整性散热设计考虑元件尺寸、形状、引脚数选择合适的电源方案，确保供考虑信号传输过程中的噪声、根据元件发热情况，设计合适量等，合理布局，避免元件过电稳定反射等问题，采取措施保证信的散热方案密或过疏号完整性电源线路应独立布局，远离敏选择合适的散热器，确保元件合理规划走线，避免交叉和短感信号线路使用合适的阻抗匹配技术，确工作温度在安全范围内路保信号顺利传输原型机的制作选择合适的硬件平台根据项目需求选择合适的微处理器、存储器和外设要考虑成本、性能和功耗等因素设计电路板使用软件进行电路板设计，包括元件布局、走线和信号完整性分析EDA制作电路板使用制造工艺制作电路板，并进行焊接和测试PCB编写嵌入式软件使用语言或汇编语言编写嵌入式软件，包括驱动程序、应用程序和操作系统C测试和调试使用仿真器、逻辑分析仪和示波器等工具对原型机进行测试和调试嵌入式系统软件开发流程嵌入式系统软件开发是一个复杂而细致的过程它需要一个完善的流程来保证软件质量和效率需求分析1明确系统功能和性能要求系统设计2设计系统架构和模块划分编码实现3编写代码并进行单元测试集成测试4测试各个模块之间的协作系统测试5验证系统整体功能整个流程需要反复迭代，直到最终实现满足需求的嵌入式系统软件软件开发工具链介绍编译器链接器将高级语言源代码转换为目标机将多个目标文件和库文件组合成器代码，例如、编可执行文件，例如、GCC KeilC GNUld AR译器等调试器集成开发环境IDE用于调试程序，例如、提供代码编辑、编译、调试等功GDB调试器能，例如、JTAG EclipseIAREmbedded Workbench编译链接调试方法编译1将高级语言代码转换成机器代码，生成可执行文件链接2将多个目标文件和库文件组合成一个可执行文件调试3使用调试器查找和修复软件错误，包括单步执行、断点设置和变量查看实时性能分析技巧时间分析内存分析使用性能分析工具，例如性能计数器和剖析器分析内存使用情况，包括内存泄漏、内存碎片，可以测量代码执行时间和资源消耗和缓存性能网络分析性能优化评估网络带宽使用率、延迟和数据包丢失情况根据分析结果，优化代码、算法、数据结构和，优化网络性能系统配置，提升性能系统测试与调试功能测试验证系统是否满足设计要求例如，测试传感器数据采集功能、控制模块指令执行效果等性能测试评估系统在实际使用场景下的性能表现例如，测试系统响应时间、吞吐量、功耗等指标可靠性测试验证系统在各种异常情况下的稳定性和可靠性例如，测试系统抗干扰能力、容错能力、数据丢失率等安全性测试评估系统是否能抵御攻击和恶意行为例如，测试系统身份验证机制、数据加密、访问控制等接口在调试中的应用JTAG硬件调试软件调试测试与验证接口可以用来读写目标芯片的内部接口可以用来下载程序到目标芯片接口可以用来对嵌入式系统进行测JTAG JTAGJTAG寄存器，观察芯片运行状态，从而进行硬件，设置断点，单步执行程序，进行软件调试试与验证，例如进行边界测试、压力测试、调试功能测试等嵌入式系统的安全性设计保护关键数据防止非法访问

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2.12密码学技术，比如对称加密、身份验证机制，例如密码、生非对称加密和哈希函数，可以物识别或多因素认证，可以防用来保护存储在嵌入式系统中止未经授权的用户访问系统或的敏感信息数据抵御攻击安全更新

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4.34入侵检测和预防系统，可以识定期更新系统软件和固件，以别和阻止潜在的恶意行为，例修复漏洞和加强安全性，避免如拒绝服务攻击、缓冲区溢出黑客利用已知漏洞和代码注入攻击固件升级机制设计在线升级离线升级设备运行期间进行升级，无需断设备通过或卡等介质USB SD电通过网络连接，接收新的固，接收新的固件版本，然后进行件版本，并进行更新升级需要设备断电进行升级操作增量升级版本管理仅更新固件中的部分代码或数据记录每个固件版本的更新内容，，减少升级所需的时间和带宽方便追溯问题，并确保升级的安全性工业现场总线技术数据传输现场总线用于工厂自动化设备之间的数据通信，例如传感器、执行器和控制系统实时性实时数据传输对于工业应用至关重要，以确保及时响应和控制标准化采用标准化协议，如、和，确保互操作性PROFIBUS CANbus EtherCAT无线通信技术在嵌入式系统中的应用物联网应用数据采集与传输嵌入式系统通过无线网络连接，例如嵌入式系统可以利用无线通信技术，实时Wi-、蓝牙和蜂窝网络，实现设备之间的互采集传感器数据，并将其传输到云端或其Fi联互通他数据中心例如，智能家居系统、智慧城市、工业物例如，环境监测、农业物联网、远程控制联网等等智能家居案例分析智能家居通过嵌入式系统，整合了各种智能设备，实现了家居环境的自动化控制和信息交互，提升了生活便利性和安全性例如，智能照明系统可根据光线强度和时间自动调节灯光亮度；智能门锁支持指纹、密码、手机解锁；智能空调可根据温度和湿度自动调节温度；智能家居安全系统能够监测异常情况并及时报警总结与展望智能家居汽车工业自动化嵌入式系统正在改变我们的生活方式它为嵌入式系统在汽车行业中扮演着重要角色，嵌入式系统在工业自动化领域中得到广泛应智能家居、可穿戴设备和物联网带来了无限推动着自动驾驶、车联网和智能交通的发展用，提升生产效率、降低成本，并推动工业的可能性的实现

4.0嵌入式系统领域发展迅速，未来将更加智能化、小型化和高效化未来将更加关注网络安全、人工智能和边缘计算等关键技术。