嵌入式系统--课件

嵌入式系统什么是嵌入式系统定义特点嵌入式系统是将计算机技术应用于特定应用领域的一种专用计算嵌入式系统通常具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高、实时机系统，它通常包含硬件和软件两个部分，并针对特定任务进行性强等特点，适合应用于各种场景优化设计嵌入式系统的特点体积小功耗低嵌入式系统通常体积小，便于集成到为了延长设备的运行时间，嵌入式系各种设备中统通常具有低功耗设计实时性强嵌入式系统需要对外部事件进行实时响应，例如控制设备的运行或采集数据嵌入式系统的应用场景嵌入式系统无处不在，广泛应用于各种领域，从日常生活中常见的电子产品到工业自动化设备，都离不开嵌入式系统的支持例如，智能手机、平板电脑、智能手表等移动设备，以及汽车电子、航空航天、医疗设备、工业控制、物联网等领域，都广泛应用着嵌入式系统嵌入式系统的分类按应用领域分类按功能分类12消费电子、工业控制、汽车电单片机系统、微处理器系统、子、航空航天等数字信号处理器系统等按性能分类3低端嵌入式系统、中端嵌入式系统、高端嵌入式系统等软硬件架构应用层1用户界面和功能实现操作系统层2管理硬件资源和提供系统服务硬件层3微处理器、存储器、输入输出设备等微处理器核心寄存器执行指令和处理数据的核心部分临时存储数据和指令的快速存储单元算术逻辑单元控制单元ALU执行算术和逻辑运算协调和控制微处理器操作存储器随机存取存储器硬盘驱动器闪存RAM HDDFlashRAM是一种易失性存储器，用于存储正在HDD是一种非易失性存储器，用于存储操闪存是一种非易失性存储器，提供比HDD运行的程序和数据它允许计算机快速访作系统、应用程序和其他数据它提供大更快的访问速度，并且比RAM更耐用问数据，但一旦电源关闭，数据就会丢失量的存储空间，但访问速度比RAM慢它通常用于存储固件和其他关键数据输入输出设备键盘鼠标键盘是用户输入文本、命令和数鼠标用于控制光标、选择对象和据的基本设备进行图形操作显示器显示器显示系统输出的信息，例如文本、图像和视频时钟电路定时器振荡器提供精确的计时功能，用于控制嵌入式系统的操作速度和同步各产生时钟信号，作为嵌入式系统中所有操作的基本时间参考个模块总线系统数据传输通道连接不同硬件组件控制数据流动嵌入式操作系统实时操作系统Linux WindowsEmbedded AndroidRTOS开源、可移植性强，广泛应用微软推出的嵌入式操作系统，基于Linux内核的移动设备操作专为实时应用设计的操作系统于各种嵌入式设备提供图形界面和丰富的应用程系统，拥有庞大的应用生态系，满足严格的时延要求序统实时操作系统实时性确定性12实时操作系统能够在严格的时系统对事件的响应时间是可预间约束内响应事件测的，没有延迟或抖动可靠性3实时操作系统必须可靠运行，即使在高负载或异常情况下多任务调度时间片轮转优先级调度每个任务分配固定的时间片，轮根据任务优先级，优先级高的任流执行，提高系统利用率务优先执行，适合实时性要求高的应用抢占式调度高优先级任务可以打断低优先级任务，保证重要任务及时执行中断处理中断机制中断处理流程中断是外部事件通知CPU的方式，例如键盘输入或网络数据包CPU暂停当前执行的任务，保存上下文，跳转到中断服务程序到达处理事件，最后恢复上下文并继续执行之前的任务设备驱动程序连接硬件和软件之间的桥梁控制和管理设备提供应用程序与设备交互的接口内存管理内存分配内存回收12为程序和数据分配内存空间释放不再使用的内存空间，避免内存泄漏内存保护3防止程序访问未授权的内存区域嵌入式软件开发需求分析1理解系统功能和性能要求软件设计2制定软件架构和模块划分代码编写3使用合适的编程语言实现功能测试与调试4验证软件功能和性能指标嵌入式程序设计开发环境编程语言代码优化选择合适的开发环境和工具，如IDE、编译选择合适的编程语言，如C、C++、汇编语对嵌入式程序进行优化，降低代码的复杂器、调试器等，来提高开发效率言等，满足嵌入式系统的性能和资源限制度，提高执行效率和资源利用率开发工具集成开发环境仿真器调试器分析工具IDE提供代码编辑、编译、调试模拟目标硬件环境，方便程用于跟踪程序执行流程，查帮助分析代码性能、内存使等功能，例如Keil、IAR、序调试和测试，例如JTAG看变量值和内存状态，例如用情况等，例如Valgrind、Eclipse仿真器GDB Doxygen系统测试功能测试验证软件是否满足需求规格说明书中规定的功能性能测试评估软件在特定负载下的性能指标，如响应时间、吞吐量等可靠性测试验证软件在一定时间内正常运行的可靠程度安全性测试测试软件的安全性，例如防止非法访问、数据泄露等调试技术调试器打印语句逻辑分析仪使用调试器可以单步执行代码、设置断点在关键代码段添加打印语句，输出调试信用于观察嵌入式系统中硬件信号的时序和和查看变量值，帮助快速定位和修复程序息，帮助理解程序执行流程和查找问题逻辑关系，帮助分析硬件和软件之间的交错误互问题硬件设计电路设计元器件选择硬件设计的第一步是创建电路图根据功能需求选择合适的微处理，明确各个组件之间的连接方式器、存储器、传感器、执行器等，并设计相应的电路板元器件，确保性能、可靠性和成本平衡设计PCB设计电路板布局，确保元器件的排列合理，电路连接清晰，并考虑信号完整性、EMI/EMC等因素外设接口USB HDMI通用串行总线，用于连接外设高清晰度多媒体接口，用于连接显示器以太网用于网络连接通信协议串行通信并行通信12串行通信是一种逐位传输数据并行通信是一种同时传输多个的通信方式，数据按顺序一个位数据的通信方式，数据以并一个地传送行方式传送网络协议3网络协议是一套规则，用于规范网络设备之间的通信，保证数据传输的可靠性电源管理管理系统功耗，优化电池寿命电源转换效率和稳定性电压和电流监控与保护可靠性设计高可靠性冗余设计嵌入式系统通常用于关键任务通过添加备用组件，即使一个应用，必须确保其可靠性，避组件出现故障，系统也能继续免因故障导致系统瘫痪正常工作，例如采用双重备份、热备等容错机制设计容错机制，能够在出现故障时自动检测、隔离并修复错误，确保系统稳定运行安全性设计数据完整性身份验证访问控制加密防止数据被篡改或丢失确保只有授权用户可以访问限制对敏感信息的访问保护敏感数据系统工程应用案例嵌入式系统在各个领域都有着广泛的应用，例如:•消费电子:智能手机、平板电脑、智能手表等•工业自动化:工业机器人、数控机床、自动控制系统等•汽车电子:汽车导航系统、车身控制系统、安全气囊系统等•医疗设备:心电仪、呼吸机、影像设备等•航空航天:卫星导航系统、飞机控制系统、导弹控制系统等课程总结知识体系实践能力创新思维掌握嵌入式系统的基础知识，包括硬件架具备独立设计、开发和测试嵌入式系统的培养对嵌入式技术前沿的敏感度，鼓励自构、软件开发、应用场景等能力，能够应用所学知识解决实际问题主探索和创新，为未来发展奠定基础。