《嵌入式系统基础教程》课件

嵌入式系统基础教程什么是嵌入式系统定义特点嵌入式系统是指专门针对特定应用而设计的计算机系统，通常集成在更大型的设备或产品中，用于控制和管理设备的功能，例如智能手机、汽车、工业设备等嵌入式系统的发展历程早期1世纪年代，微处理器技术的出现为嵌入式系统的发展奠定了基础2070年代802嵌入式操作系统开始兴起，为系统开发提供了更加便捷的工具年代903互联网技术的普及推动了嵌入式系统的广泛应用，智能手机、网络设备等开始涌现世纪214嵌入式系统的关键特征实时性1嵌入式系统必须在规定的时间内完成特定的任务，即使在资源有限的情况下也能保证系统稳定运行资源受限2嵌入式系统通常拥有有限的内存、存储空间、处理器性能和功耗预算，需要高效利用资源可靠性3嵌入式系统需要具备高可靠性，能够在各种环境下长时间稳定工作，避免系统故障导致设备失效可定制性嵌入式系统的应用领域消费电子工业控制智能手机、平板电脑、电视、游戏机、可穿戴设备等自动化生产线、机器人、机床、工业仪表等汽车电子医疗设备汽车导航、安全系统、娱乐系统、发动机控制系统等医疗影像设备、生命体征监测仪、医疗机器人等嵌入式系统的组成架构硬件软件嵌入式系统的硬件部分包括处理器、存储器、输入输出接口、传感嵌入式系统的软件部分包括操作系统、驱动程序、应用程序等，负器等，负责系统运行的基础设施责管理硬件资源并提供用户交互界面硬件组件详解处理器存储器输入输出接口传感器嵌入式系统的核心组件，负责执用于存储程序代码、数据以及系连接外围设备，实现系统与外部用于采集外部环境信息，例如温行程序指令并控制系统运行统运行时所需的信息世界的交互度、光线、压力等处理器类型及选择2微处理器MPU主要包含处理器核心，需要搭配外部存储器和外围设备，适用于大型嵌入式系统微控制器MCU通常包含处理器核心、存储器、外围设备等1，适用于小型嵌入式系统数字信号处理器DSP专门用于处理数字信号，常用于音频、视频、图像处理等领域3存储器类型ROM RAMFlash只读存储器，用于存储程序代码、数据等随机存取存储器，用于存储程序运行时的闪存，可读写，断电后数据不会丢失，速，内容不可修改数据，内容可读写，但断电后数据丢失度比ROM快，容量比RAM大嵌入式系统的输入输出接口串行通信

1、、等，用于数据传输速率较低的场景UART SPII2C并行通信2用于数据传输速率较高的场景，例如高速数据采集和处理网络通信3以太网、、蓝牙等，用于连接网络，实现数据交互WiFi接口4USB通用串行总线接口，用于连接外围设备，例如鼠标、键盘、打印机等微控制器介绍定义特点微控制器是一种集成了处理器、存储器、输入输出接口等组件于一体积小、功耗低、成本低、易于使用，适用于各种嵌入式系统体的芯片，可用于控制和管理设备的功能架构基础ARM概述优势ARM架构是一种广泛应用于嵌入式系统领域的处理器架构，其特点低功耗、高性能、可扩展性、丰富的生态系统等是功耗低、性能高、指令集简单，适用于各种应用场景常见嵌入式处理器平台嵌入式操作系统概述定义功能嵌入式操作系统是专门针对嵌入式系统设计的操作系统，负责管理任务调度、内存管理、中断处理、设备驱动、通信接口等硬件资源并提供应用程序运行环境实时操作系统RTOS定义应用场景实时操作系统Real-Time工业控制、医疗设备、航空航天、Operating System,RTOS是一种网络设备等专门针对实时应用设计的操作系统，要求系统在规定的时间内响应外部事件，并完成特定的任务特点实时性强、高可靠性、可定制性等在嵌入式系统中的应用Linux优势应用场景开源、免费、可移植性强、功能强大、社区支持完善等网络设备、路由器、机顶盒、智能家居、工业自动化等嵌入式软件开发基础需求分析明确系统功能需求，并进行可行性分析系统设计设计系统架构、模块划分、接口定义等代码实现使用合适的编程语言编写代码，实现系统功能测试与调试对代码进行测试和调试，确保系统功能的正确性部署与维护将系统部署到目标平台，并进行日常维护和更新交叉编译工具链工具链概述交叉编译工具链是指在一种平台上编译运行于另一种平台的程序的工具集合常用工具编译器、汇编器、链接器、调试器等工作原理交叉编译器将源代码转换为目标平台可执行的机器码安装与配置根据目标平台选择合适的交叉编译工具链，并进行安装和配置程序开发流程编辑1使用文本编辑器编写源代码编译2将源代码转换为目标平台可执行的机器码链接3将多个目标文件以及库文件合并成可执行文件下载4将可执行文件下载到目标平台调试5使用调试工具对程序进行调试，解决代码错误嵌入式程序设计语言语言语言C C++嵌入式系统中最常用的编程语言面向对象的编程语言，适用于大，性能高，效率高，可移植性好型复杂嵌入式系统汇编语言直接控制硬件的编程语言，用于底层驱动开发语言在嵌入式系统中的应用C优势应用场景高效、简洁、可移植性强、丰富的库函数支持等驱动程序开发、底层库开发、实时控制应用等汇编语言基础概述应用场景汇编语言是一种低级编程语言，与机器指令一一对应，可以直接控驱动程序开发、底层库开发、性能优化等制硬件调试技术与工具打印调试使用打印语句输出调试信息，方便定位问题断点调试设置断点，暂停程序执行，观察变量值和程序状态单步调试逐行执行代码，逐步跟踪程序执行过程调试工具、调试器、仿真器等GDB JTAG嵌入式系统的性能优化代码优化通过优化代码逻辑和数据结构，提高程序运行效率内存管理优化内存分配和释放策略，减少内存碎片和内存泄漏中断处理优化中断处理程序，减少中断响应时间通信优化优化通信协议和数据传输方式，提高通信效率代码优化策略循环优化1使用更有效的循环结构，减少循环次数数据结构优化2选择合适的数据结构，提高数据访问效率函数调用优化3减少函数调用次数，降低函数调用开销代码重构4对代码进行重构，提高代码可读性和可维护性内存管理内存分配内存碎片内存泄漏根据程序需求，动态分配和释放内存空间内存碎片是指内存中零散的小块空闲空间内存泄漏是指分配的内存空间没有被释放，无法满足较大内存块的分配需求，导致内存空间被浪费中断处理机制中断概述中断是外部事件或内部事件通知处理器进行处理的机制中断处理程序响应中断事件，处理中断请求，完成特定任务中断优先级不同中断事件具有不同的优先级，用于处理紧急事件中断处理技巧尽可能减少中断处理时间，提高系统实时性嵌入式系统通信接口串行通信协议UART RS-232通用异步收发传输器，用于数据传输速率较低的场景，例如人机交一种常用的串行通信标准，使用差分信号传输，具有较强的抗干扰互能力通信I2C概述特点I2C Inter-Integrated Circuit是一种双线式同步串行通信协议，用简单、成本低、功耗低，适用于连接传感器、存储器等外围设备于连接多个设备总线SPI概述特点SPI SerialPeripheral Interface是一种同步串行通信协议，用于高速、灵活、易于使用，适用于连接存储器、传感器等外围设备连接多个设备接口USB概述特点USB UniversalSerial Bus是一种通用的串行总线接口，用于连接速度快、易于使用、可热插拔，适用于连接鼠标、键盘、打印机等外围设备外围设备网络通信以太网WiFi一种常用的网络通信协议，提供高无线局域网协议，使用无线电波进速数据传输行数据传输蓝牙无线个人区域网络协议，用于连接短距离设备嵌入式系统电源管理概述重要性电源管理是指对嵌入式系统供电进行控制和管理，以提高系统效率在移动设备、便携式设备、低功耗设备等应用场景中尤为重要、延长电池寿命低功耗设计选择低功耗处理器1选择功耗更低的处理器，例如处理器ARM优化软件代码2使用更有效的算法和数据结构，减少代码执行时间和功耗使用低功耗外围设备3选择功耗更低的传感器、存储器等外围设备电源管理策略4采用更有效的电源管理策略，例如休眠模式、睡眠模式等电源管理策略休眠模式1将处理器和部分外围设备关闭，降低功耗睡眠模式2将处理器和部分外围设备进入低功耗状态，可快速恢复动态电压和频率调节3根据系统负载动态调整电压和频率，降低功耗电源管理芯片4使用专门的电源管理芯片，集中管理电源供电硬件供电与电源转换电源输入电源转换嵌入式系统需要从外部电源获取电力，例如电池、电源适配器等将外部电源转换为嵌入式系统所需的电压和电流嵌入式系统可靠性设计抗干扰设计设计能够抵抗外部干扰的电路和软件，确保系统稳定运行错误检测与恢复设计能够检测和恢复错误的机制，防止系统故障导致设备失效系统稳定性评估对系统进行稳定性测试和评估，确保系统能够在各种环境下稳定运行抗干扰设计电磁屏蔽滤波器隔离技术使用金属屏蔽罩或导电材料覆盖敏感电路使用滤波器过滤掉高频干扰信号，保证信使用光耦合器或隔离变压器隔离不同电路，防止外部电磁干扰号的纯净度之间，防止干扰信号互相影响错误检测与恢复错误检测使用校验码、奇偶校验等方法检测数据传输过程中的错误错误处理根据错误类型，采取相应的措施，例如重传数据、停止运行等错误恢复尝试恢复系统状态，例如重启系统、恢复备份数据等系统稳定性评估可靠性测试模拟各种环境条件，测试系统长时间运行的可靠性兼容性测试测试系统与不同硬件和软件平台的兼容性性能测试测试系统在不同负载下的性能指标压力测试测试系统在高负载情况下是否能够稳定运行嵌入式系统开发工具仿真器与模拟器仿真器模拟器用于模拟目标平台的硬件环境，方便调试和验证代码用于模拟目标平台的软件环境，方便调试和验证代码逻辑分析仪概述应用场景逻辑分析仪是一种能够捕获和分析数字信号的工具，用于检测信号调试硬件电路、分析信号传输、定位电路故障等状态、时序关系等示波器在嵌入式开发中的应用概述应用场景示波器是一种能够显示信号波形的仪器，用于观察信号的电压、频观察信号波形、分析信号时序、定位电路故障等率、相位等参数嵌入式系统测试方法单元测试1对代码的最小单元进行测试，例如函数或模块集成测试2测试不同模块之间的交互，确保系统功能的正确性系统级测试3测试整个系统的功能和性能，确保系统能够满足需求实时系统性能测试4测试系统在实时性方面的性能指标，例如响应时间、吞吐量等单元测试概述目标工具单元测试是针对代码的最小单元进行的测验证代码的正确性、完整性和健壮性JUnit、CppUnit、Google Test等试，例如函数或模块集成测试概述目标方法集成测试是指测试多个模块之间的交互，验证系统各模块之间的接口是否正确、数自顶向下测试、自底向上测试、增量测试确保系统功能的正确性据是否一致、功能是否完整等系统级测试概述目标方法系统级测试是指对整个系统进行测试，确验证系统是否满足性能、功能、可靠性、黑盒测试、白盒测试、灰盒测试等保系统能够满足需求安全等方面的需求实时系统性能测试响应时间测试吞吐量测试12测试系统对外部事件的响应速度测试系统在单位时间内能够处理的任务数量实时性测试负载测试34测试系统是否能够在规定的时间内完成任务测试系统在不同负载情况下是否能够稳定运行嵌入式系统安全概述重要性嵌入式系统安全是指保护系统免受恶意攻击，确保系统安全可靠地在物联网、智能家居、工业控制等领域尤为重要运行安全通信SSL/TLS VPN安全套接字层协议，用于加密网络通信，保护数据安全虚拟专用网络，建立安全的网络连接，保护数据隐私加密技术对称加密非对称加密使用相同的密钥进行加密和解密，使用不同的密钥进行加密和解密，例如、等例如、等AES DESRSA ECC哈希算法将任意长度的数据转换为固定长度的哈希值，用于验证数据完整性访问控制身份验证授权验证用户的身份，例如密码、指纹、人脸识别等根据用户的身份和权限，控制用户对系统资源的访问权限固件安全固件签名安全启动安全更新机制123使用数字签名验证固件的完整性和真在系统启动时，验证固件的签名，防设计安全的固件更新机制，防止恶意实性止恶意固件的加载固件的攻击嵌入式系统典型应用案例物联网设备概述特点物联网设备是指连接到互联网的设备，例如智能手机、可穿戴设备体积小、功耗低、成本低、可联网，适用于各种应用场景、智能家居设备等智能家居系统概述特点智能家居系统是指使用嵌入式技术控制和管理家居设备的系统，例舒适、便捷、节能，提高家居生活质量如智能照明、智能空调、智能安防等工业控制系统概述特点工业控制系统是指使用嵌入式技术控制和管理工业设备的系统，例实时性强、高可靠性、可定制性，提高生产效率、降低成本如自动化生产线、机器人、机床等课程总结与展望本课程从嵌入式系统的基础知识开始，逐步深入讲解了硬件、软件、开发流程、测试方法以及安全等方面的内容希望通过本课程的学习，您能够对嵌入式系统有一个全面的了解，并具备一定的开发能力未来，随着物联网、人工智能等新兴技术的不断发展，嵌入式系统将扮演更加重要的角色，相信您在嵌入式系统领域能够取得更大的成就。