《嵌入式总复习》课件

《嵌入式系统总复习》全面掌握嵌入式系统的核心概念和基础知识,为后续更深入的学习和应用打下坚实基础课程目标掌握嵌入式系统的基本概念和熟悉常见的嵌入式处理器架构12特点重点分析ARM架构及其主要内核，如了解嵌入式系统的定义、应用领域以Cortex-A、Cortex-M等及硬件和软件结构掌握嵌入式操作系统的基本原理解嵌入式系统的关键技术34理如中断管理、存储系统、输入输出接包括实时操作系统和Linux操作系统在口、通信总线及电源管理等嵌入式领域的应用嵌入式系统概述嵌入式系统是专门设计用于执行特定功能的计算机系统它由硬件和软件两部分组成,广泛应用于工业控制、通信设备、交通运输等领域与通用计算机系统相比,嵌入式系统通常体积小巧、功耗低、性能优异,能够快速、高效地完成特定任务嵌入式系统概述定义特点嵌入式系统是融合硬件和软件的集•专用性强,针对特定应用需求进成电子系统,专门为某些特定应用而行开发设计,具有高度集成化和定制化的特•资源受限,包括CPU性能、存储空点间等•实时性要求高,能够快速响应外部事件•可靠性要求高,需要抗干扰和故障保护嵌入式硬件和软件嵌入式硬件嵌入式软件嵌入式硬件包括微处理器、存嵌入式软件包括操作系统、驱储器、I/O设备等它们能够执动程序和应用程序它们能够行特定的功能,满足嵌入式系统控制和管理嵌入式硬件,完成各的需求种功能硬件软件协同设计嵌入式系统的硬件和软件需要紧密协作,才能发挥最大的性能和功能嵌入式处理器架构CPU嵌入式处理器具有多种不同的CPU架构,如CISC、RISC和DSP这些架构在指令集、内存访问方式和性能特点等方面各有不同开发人员需要针对具体应用场景选择合适的处理器架构概述ARMARM是一种广泛应用于嵌入式系统的RISC架构,以其低功耗、高性能和成本效益等优势而广受欢迎ARM拥有丰富的内核系列,可满足不同性能和功耗需求架构CPU通用处理器专用处理器指令集架构流水线设计通用CPU架构设计灵活、功专用处理器针对特定应用进CPU指令集体系结构定义了流水线技术可以提高CPU的能强大,广泛应用于各类计行优化设计,具有更高的能处理器能识别和执行的指令吞吐率,将指令执行过程分算设备其核心采用经典的效和运算性能嵌入式系统集,如CISC和RISC不同架构为多个阶段,各阶段并行执冯·诺伊曼结构,包括运算器常采用专用处理器,如数字在复杂度、执行效率等方面行这增加了电路复杂度但、控制器和存储设备信号处理器DSP和图形处有所差异提高了性能理器GPU架构概述ARMARM芯片架构ARM内核系列ARM架构优势ARM架构是一种广泛应用于嵌入式系统ARM内核包括Cortex-A应用、Cortex-R•低功耗设计的精简指令集计算机RISC体系结构它实时和Cortex-M微控制器等不同系列,•高性能处理能力以低功耗、高性能和低成本著称,广泛应针对不同的应用场景提供优化的处理能•广泛的应用领域用于智能手机、平板电脑和物联网设备力和性能•丰富的生态系统常见内核ARM系列系列Cortex-M Cortex-A主要应用于低功耗微控制器和提供更强大的计算性能,常用于嵌入式系统,提供强大的实时响智能手机、平板电脑等高性能应能力嵌入式设备系列、系列Cortex-R ARM11ARM9专注于实时性要求非常高的应是较早期的ARM内核,较Cortex用,例如工业自动化和汽车电子系列有更低功耗和成本,广泛应系统用于低端嵌入式设备嵌入式操作系统实时操作系统Linux操作系统常见嵌入式操作系统实时操作系统能快速响应时间关键的任Linux是一种开源、免费的操作系统,在除了实时操作系统和Linux,Windows务,确保关键功能的及时执行,广泛应用于嵌入式领域备受青睐,具有高度的灵活性Embedded、VxWorks、QNX等也是常见工业控制、汽车电子等领域和可定制性的嵌入式操作系统选择实时操作系统概述定义特点实时操作系统是一种能够在确定的时间内完成特定任务的操作实时操作系统具有快速响应、确定性、可靠性等特点,广泛应系统它要求系统响应时间和确定性更强,能够满足实时应用用于工业自动化、航空航天、医疗设备等领域的时间要求操作系统Linux开源免费高度定制化12Linux是一种开源的操作系统,具有免费使用和修改的特点,非Linux内核及其衍生版本可以根据嵌入式系统的特点进行定常适合嵌入式系统制优化,实现高度定制丰富的驱动支持广泛的应用领域34Linux拥有大量的外围设备驱动程序,可以方便地集成到嵌入Linux被广泛应用于嵌入式系统、服务器、桌面等各种计算式系统中机领域常见嵌入式操作系统Linux操作系统实时操作系统开源、免费、高度可定制的嵌入式操作系统针对时间关键任务的实时性要求而开发的操，广泛应用于工业控制、通信设备和物联网作系统,如VxWorks、QNX和FreeRTOS设备Android其他系统基于Linux内核的开源移动操作系统,广泛应包括微软Windows Embedded、eCos、用于智能手机、平板电脑和智能家居设备Integrity等各种针对嵌入式系统的专用操作系统中断机制中断概述中断是嵌入式系统中非常重要的特性中断可以及时响应外部设备或内部状态的变化,提高系统的实时性和交互性中断机制确保了系统的高效工作和快速响应中断管理中断管理包括中断的优先级管理、嵌套中断处理、中断屏蔽等合理的中断管理可以确保系统在关键事件发生时能够及时响应常见中断源常见的中断源包括定时器中断、串口中断、I/O中断等这些中断源涵盖了系统的各个关键模块,确保了系统的稳定运行中断概述中断的定义中断的作用中断是指当外部事件或内部事中断可以提高系统响应速度,实件发生时，CPU暂时中断当前现异步输入输出,增强系统的实执行的程序,转而处理中断服务时性和可靠性程序的过程中断的类型中断可分为硬件中断和软件中断,硬件中断由外围设备发出,软件中断由程序指令引发中断管理中断控制器中断优先级中断屏蔽中断控制器负责接收和管理来自多个外中断控制器会根据中断源的重要程度分通过中断屏蔽机制,可以暂时禁止特定中围设备的中断请求,并根据预先设置的优配不同的优先级,确保关键中断得到及时断源的中断请求,防止当前任务被过多中先级决定中断的处理顺序处理断打断常见中断源定时器中断外部硬件中断12用于程序周期性执行任务或如按键、传感器等周边设备操作系统调度等触发的中断内部软件中断DMA中断34如除零错误、访问非法地址由直接存储器访问控制器产等CPU内部产生的中断生的数据传输完成中断嵌入式系统存储嵌入式系统需要各种类型的存储器来满足不同的功能需求内存系统是嵌入式系统的核心,负责存储代码和数据,同时也为系统提供临时存储空间存储器的选择和接口设计直接影响了嵌入式系统的性能和功能除了主存储器外,嵌入式系统还需要非易失性存储器来保存关键数据和系统固件不同存储器的性能、容量和成本特点决定了它们在嵌入式系统中的应用场景存储器分类根据存储内容根据存储方式根据存储介质根据存储特性存储器可分为程序存储器和存储器可分为随机存取存储存储器可分为半导体存储器存储器可分为易失性存储器数据存储器前者用于存放器RAM和只读存储器、磁性存储器和光学存储器和非易失性存储器前者断程序指令代码，后者用于存ROMRAM可读写，ROM半导体存储器集成度高，电后数据丢失，后者断电后放运算数据仅可读磁性存储器容量大，光学存数据保留储器再写次数多存储器接口地址总线用于传输存储器地址，决定数据访问的具体位置数据总线用于双向传输数据，读写操作都要通过它进行控制总线用于传输控制信号，包括读写使能、时序控制等常见存储器类型存储器SRAM DRAMFlash ROM静态随机存取存储器,读取动态随机存取存储器,结构非易失性存储器,可电子擦只读存储器,内容固定不可和写入速度快,但功耗高,通简单,集成度高,但需要定期除和重写,存储容量大,访问更改,通常用于存储操作系常用于缓存和高速存储.刷新,通常用于主存储器.速度较慢,常用于嵌入式系统或固件程序.统的存储.输入输出接口接口概述I/O嵌入式系统中的输入输出接口负责与外部设备进行数据交换它包括各种硬件和软件层面的接口标准和设计串行接口常见的串行接口包括UART、SPI、I2C等,用于低速、长距离通信它们通常采用异步通信,具有简单、可靠的特点并行接口并行接口如通用并行端口Centronics、总线接口等,用于高速、短距离通信并行接口传输效率高,但线路复杂接口概述I/OI/O接口功能I/O接口用于连接嵌入式系统和外部设备，实现数据输入输出和控制功能I/O接口特点I/O接口需要考虑传输速率、兼容性、可靠性等关键指标I/O接口管理需要有合适的I/O管理机制来分配、控制和协调I/O资源串行接口串行接口概述UART接口SPI接口串行接口是一种常见的嵌入式系统通信通用异步收发传输器UART是最常见的串行外设接口SPI是另一种流行的同步方式,通过串行数据传输线实现数据交换串行接口协议,广泛应用于嵌入式设备之串行总线,常用于连接微控制器和外围设与并行接口相比,串行接口具有较低的间的数据通信UART提供全双工、异步备SPI采用主从结构,支持高速数据传输成本和布线复杂度通信能力并行接口数据传输速度快简单易实现12并行接口可以同时传输多个并行接口的电路设计和软件数据位,相比串行接口具有更编程相对简单,实现起来也更高的数据传输速度加容易适用范围广线缆较复杂34并行接口常用于外部设备的并行接口需要更多的线缆来连接,如打印机、扫描仪等,传输数据,线缆设计和布线较应用非常广泛为复杂通信总线通信总线是嵌入式系统中连接各个模块的重要部件之一它提供了数据、地址和控制信号的传输通道,确保系统各部件之间的高效协作常见的总线类型包括内存总线、外设总线以及系统总线等总线具有不同的仲裁机制,如固定优先级、循环优先级和动态优先级等,确保多个设备访问总线的公平性和实时性总线设计的优化对整个嵌入式系统的性能和可靠性至关重要总线概述数据传输通道多元化结构总线是计算机系统中负责数据总线可分为地址总线、数据总传输的通道,连接各个部件并协线和控制总线,结构和功能各不调它们之间的通信相同但相互配合传输效率总线宽度、频率和仲裁机制等特性直接影响着系统的数据传输效率和性能常见通信总线总线总线PCI CAN12用于连接外围设备和主处理适用于汽车、工厂自动化等器,传输数据和地址信息广对实时性要求高的领域,提供泛应用于PC和工业设备高可靠的通信总线总线I2C SPI34一种简单且低成本的两线式全双工的串行总线,采用主从串行总线,常用于连接微控制架构,用于连接微控制器和外器和外围设备围设备通信总线总线仲裁机制仲裁问题与解决性能优化策略总线通信需要一个仲裁机制来协调多个总线上的多个设备如何避免总线冲突和为了提高总线通信的性能,可以采用流水设备对总线资源的争用,确保公平高效的数据丢失是仲裁机制需要解决的关键问线技术、缓存机制、总线分层等方法访问常见的仲裁算法包括集中式仲裁题通过合理的仲裁算法可以实现公平同时需要考虑功耗、实时性等因素进行、分布式仲裁和优先级仲裁高效的总线资源分配全面的性能优化硬件电源管理电源管理概念电源管理是嵌入式系统中非常重要的一环通过合理的电源管理设计可以有效降低系统功耗,延长系统运行时间这包括电源供给方案、动态电源控制、降压/关断未使用外设等技术常见电源管理技术•动态电压频率调节DVFS•电源休眠与唤醒•热量管理与动态散热电源管理概念节能优化热量管理可靠性保障功能优化电源管理系统通过动态调整合理的电源管理可以有效控精准的电源监控和故障预警根据用户需求和使用场景,处理器、内存和外围设备的制设备温度,防止过热导致机制,能够提高嵌入式系统灵活调整电源管理策略,为功耗,有效降低整体系统的的性能下降或硬件损坏的可靠性和稳定性用户提供更优质的使用体验能耗,提高电池使用时间常见电源管理技术动态电压与频率调整休眠模式DVFS当系统闲置时,将其切换到休眠根据系统负载调整CPU频率和状态以降低功耗,并在需要时快电压,以达到最佳功耗和性能平速唤醒衡电源管理IC电源关闭策略专门的电源管理芯片可以精确根据系统使用情况,采用有选择控制和监控系统的电源供给,以性地关闭无用外设电源的策略实现更高效的电源管理电源管理方案设计电源优化设计热量管理多电源模式针对嵌入式系统的特点进行电源消耗分合理布局电路板件,采用散热设计,降低芯根据应用场景和工作负载动态调整系统析,采用有效的电源管理策略,优化系统整片工作温度,提高系统可靠性的工作模式,采用休眠、待机等措施降低体功耗功耗实时性分析实时性分析是嵌入式系统设计中的关键环节它涉及对系统的响应时间、任务执行时间、资源利用率等指标进行严格的评估和测试通过实时性分析，可以确保嵌入式系统能够在严格的时间约束下完成各项任务,满足实时性要求这对于关键任务型嵌入式应用至关重要实时性概念实时性实时性是指系统能在严格的时间约束内完成任务的能力它确保系统能在期望的时间内做出响应，满足用户需求时间约束实时系统需要遵循严格的时间约束,在最大响应时间内完成任务否则会造成系统失效或产生严重后果性能要求实时系统需要高度的性能和可靠性,确保在任何情况下都能按时完成任务,满足用户需求任务调度算法基于优先级的调度时间片轮转调度12根据任务的优先级动态分配CPU资源,给每个就绪任务分配一个固定的时间保证高优先级任务优先执行片,循环执行,保证公平性最短作业优先调度最短剩余时间优先调度34选择执行时间最短的任务,提高整体系选择剩余执行时间最短的任务,减少平统吞吐量均等待时间时间性能分析响应时间分析处理时间分析评估嵌入式系统响应外部事件测量执行特定任务或功能所需的时间延迟,确保满足实时性要的处理时间,优化系统性能求资源占用分析分析系统资源如CPU、内存的使用情况,预防资源瓶颈发生嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发包括需求分析、设计与实现、测试与调试等多个步骤首先深入理解用户需求,确定系统功能和性能目标然后进行详细设计并开发原型最后通过全面测试验证系统是否满足需求,修复缺陷并优化性能这一过程需要反复迭代,确保最终产品质量可靠需求分析深入理解需求文档化需求规范需求优先排序仔细收集用户需求,了解系统的功能、性将需求信息系统地记录下来,形成详细的根据需求的重要性和紧迫性,对需求进行能、可靠性等各方面要求,并对需求进行需求规范文档,为后续的设计、实现和测优先级排序,确定开发的侧重点,提高开发全面分析,确保设计满足实际需求试提供依据效率设计与实现系统设计软件开发硬件研发系统集成基于需求分析制定详细的系依据设计蓝图进行模块化编根据系统要求设计电路原理将硬件和软件部分集成在一统架构和功能模块设计确码实现采用结构化和模块图和PCB布线选择合适的起,进行系统级的功能测试定合适的硬件平台、关键软化的编程方法,确保代码的芯片和外围电子元器件,并和性能调优确保各子系统件组件和通信协议可维护性进行可靠性测试之间的协同工作测试与调试单元测试集成测试12针对每个模块或组件进行独立测试,确保其功能正常使用模将各个模块组合在一起,验证整个系统是否按预期工作关注拟工具模拟输入输出模块间的接口和数据传输系统测试调试技巧34在真实环境下对整个系统进行测试,验证系统是否满足需求使用断点调试、输出打印、软件日志等方式,定位并解决各类包括功能、性能、可靠性等软硬件问题案例分析与小结案例分析知识总结应用实践未来展望通过分析具体的嵌入式系统梳理本课程涵盖的核心知识将理论知识转化为实际应用展望嵌入式技术的发展趋势案例,学习如何将所学知识点,包括嵌入式系统概述、能力,通过动手实践巩固所,包括新兴处理器架构、操应用到实际项目中关注系处理器架构、操作系统、存学内容设计并实现简单的作系统、通信技术等为后统的整体架构、硬件选型、储系统、通信接口等确保嵌入式系统原型,验证所学续学习和发展奠定基础软件设计等关键点掌握嵌入式系统的关键技术知识的适用性。