《嵌入式系统与软件》课件

《嵌入式系统与软件》课程概述课程目标学习内容12本课程旨在帮助学生理解课程内容涵盖嵌入式系统嵌入式系统的基本概念、简介、嵌入式硬件基础、组成、特点和应用领域，嵌入式软件基础、嵌入式掌握嵌入式硬件和软件的软件开发、嵌入式系统设设计方法，培养嵌入式系计以及嵌入式系统应用实统的开发能力，为未来从例等多个方面，并介绍嵌事相关领域的工作打下坚入式系统的新技术与发展实的基础趋势考核方式第一章嵌入式系统简介本章将带领大家走进嵌入式系统的大门我们将从嵌入式系统的定义、特点入手，深入剖析其与通用计算机系统的区别通过学习本章内容，您将对嵌入式系统有一个整体的认识，为后续章节的学习奠定基础让我们开始探索吧！什么是嵌入式系统？定义特点区别嵌入式系统是一种专门设计用于执行嵌入式系统具有专用性强、实时性要与通用计算机系统相比，嵌入式系统特定任务的计算机系统它通常被嵌求高、资源受限和可靠性要求高等特更加注重效率、稳定性和实时性，通入到其他设备或系统中，例如家用电点这些特点决定了嵌入式系统在设常需要在资源有限的条件下完成特定器、工业控制设备和汽车等计和开发上与通用计算机系统存在很的任务通用计算机系统则更加注重大的差异通用性和灵活性，可以运行各种不同的应用程序嵌入式系统的发展历史早期嵌入式系统1早期的嵌入式系统主要采用简单的微控制器，功能较为单一，应用领域也比较有限例如，早期的洗衣机、电饭煲等家用电器中使用的控制芯片现代嵌入式系统2随着微电子技术的不断发展，现代嵌入式系统功能越来越强大，应用领域也越来越广泛例如，智能手机、平板电脑、智能汽车等都采用了复杂的嵌入式系统未来趋势3未来，嵌入式系统将朝着智能化、网络化、低功耗和高可靠性方向发展物联网、人工智能、等新技术将为嵌入式系统的发展带来5G新的机遇和挑战嵌入式系统的应用领域消费电子智能手机、平板电脑、智能电视、可穿戴设备等工业控制工业机器人、数控机床、自动化生产线等医疗设备心电监护仪、呼吸机、扫描仪等CT汽车电子发动机控制系统、安全气囊、车载导航系统等嵌入式系统的组成硬件层包括处理器、存储器、输入输出接口等硬件组件，是嵌入式系统的基础中间层（）BSP/HAL提供硬件抽象层，向上层软件屏蔽底层硬件的差异，方便软件的移植和开发系统软件层包括操作系统、文件系统、网络协议栈等系统软件，提供基本的系统服务应用软件层是用户编写的应用程序，用于实现特定的功能嵌入式系统的特点专用性强1嵌入式系统通常只执行特定的任务，针对性强，效率高实时性要求高2很多嵌入式系统需要实时响应外部事件，对实时性要求很高资源受限3嵌入式系统的硬件资源通常比较有限，需要进行优化设计可靠性要求高4嵌入式系统通常需要在恶劣的环境下工作，对可靠性要求很高第二章嵌入式硬件基础本章将深入探讨嵌入式系统的硬件基础我们将学习各种嵌入式处理器的架构和特点，了解存储器系统、总线系统和输入输出接口的工作原理通过学习本章内容，您将对嵌入式硬件有一个全面的了解，为后续章节的学习做好准备嵌入式处理器概述微控制器（）微处理器（）数字信号处理器（）MCU MPUDSP集成了处理器、存储器和输入输出接只包含处理器核心，需要外接存储器专门用于处理数字信号，具有强大的口等多种功能模块，适用于简单的控和输入输出接口，适用于复杂的计算计算能力，适用于音频、视频和图像制应用应用处理等应用常见嵌入式处理器架构架构架构架构ARM RISC-V x86低功耗、高性能，广泛开源、可定制，新兴的高性能，主要应用于应用于移动设备和嵌入嵌入式处理器架构和服务器领域，也PC式系统有部分嵌入式系统采用存储器系统（只读存储器）（随机访问存储器）存储器ROM RAMFlash用于存储程序代码和常量数据，断电后用于存储程序运行时的临时数据，断电具有和的优点，可以擦除和ROM RAM数据不会丢失后数据会丢失重写，断电后数据不会丢失，常用于存储程序代码和数据总线系统外部总线2用于连接处理器和外部设备内部总线1用于连接处理器内部的各个功能模块常见总线标准、、等3I2C SPICAN总线系统是嵌入式系统中各个组件之间进行数据传输的通道了解不同类型的总线及其标准对于进行硬件设计至关重要选择合适的总线可以提高系统的性能和可靠性输入输出接口（通用输入输出）（通用异步收发GPIO UART12器）可以灵活配置为输入或输出，用于连接各种外部设备用于进行串行通信，常用于连接串口设备（模数数模转换器）ADC/DAC/3用于将模拟信号转换为数字信号，或将数字信号转换为模拟信号定时器和中断系统中断优先级管理1中断系统的工作原理2定时器的作用和类型3定时器和中断系统是嵌入式系统中重要的组成部分，它们可以实现定时、计数和中断处理等功能合理地使用定时器和中断系统可以提高系统的实时性和响应速度中断优先级管理是保证系统稳定运行的关键电源管理低功耗设计电源监控电池管理降低嵌入式系统的功耗，延长电池的使实时监控电源的状态，保证系统的稳定对电池进行充放电管理，延长电池的使用寿命运行用寿命第三章嵌入式软件基础本章将深入探讨嵌入式系统的软件基础我们将学习嵌入式软件的特点，了解嵌入式操作系统的概念和类型，掌握任务管理、进程间通信、内存管理和文件系统等技术通过学习本章内容，您将对嵌入式软件有一个全面的了解，为后续章节的学习做好准备嵌入式软件的特点专用性实时性12嵌入式软件通常只完成特定的任务，针对性强嵌入式软件需要实时响应外部事件，对实时性要求很高可靠性资源受限34嵌入式软件通常需要在恶劣的环境下工作，对可靠性要求嵌入式系统的硬件资源通常比较有限，需要进行优化设很高计嵌入式操作系统概述实时操作系统（）非实时操作系统裸机系统RTOS能够保证任务在规定的时间内完成，不能保证任务在规定的时间内完成，没有操作系统的支持，直接在硬件上适用于对实时性要求较高的应用适用于对实时性要求不高的应用运行应用程序，适用于简单的嵌入式系统常见嵌入式操作系统FreeRTOS RT-ThreadμC/OS免费、开源、小型的实国产、开源、功能丰富商业实时操作系统，可时操作系统的实时操作系统靠性高嵌入式版本Linux功能强大、应用广泛的操作系统任务管理任务的概念嵌入式系统中执行的独立程序单元任务状态和转换运行、就绪、阻塞等状态，以及状态之间的转换任务调度算法决定任务执行顺序的算法，例如优先级调度、时间片轮转调度等进程间通信消息队列2用于在任务之间传递消息信号量1用于控制对共享资源的访问共享内存用于在任务之间共享内存区域3进程间通信（）是嵌入式系统中不同任务之间进行数据交换和同步的重要机制选择合适的方式可以提高系统的效率IPC IPC和可靠性理解各种方式的特点对于进行软件设计至关重要IPC内存管理静态内存分配动态内存分配12在编译时确定内存的大小在运行时根据需要分配内和位置，效率高，但灵活存，灵活性好，但效率较性差低，容易出现内存泄漏内存保护机制3防止任务访问非法内存区域，保证系统的稳定运行文件系统文件系统文件系统FAT JFFS2简单、通用，适用于存储小文适用于存储器，支持擦除Flash件均衡文件系统YAFFS另一种适用于存储器的文件系统，也支持擦除均衡Flash设备驱动程序字符设备驱动以字符流的方式访问设备，例如串口、键盘等块设备驱动以块的方式访问设备，例如硬盘、存储器等Flash网络设备驱动用于控制网络设备，例如网卡、模块等WiFi中断处理中断服务程序（）中断延迟处理ISR12用于处理中断事件的程序将一些耗时的处理放在中断之外进行，减少中断延迟中断嵌套3允许一个中断服务程序被另一个中断打断第四章嵌入式软件开发本章将深入探讨嵌入式软件的开发流程我们将学习如何搭建开发环境，选择合适的编程语言，掌握代码优化技术和调试技术，以及如何进行测试和版本控制通过学习本章内容，您将掌握嵌入式软件开发的基本技能，能够独立完成简单的嵌入式软件项目嵌入式软件开发流程需求分析明确软件需要实现的功能和性能指标系统设计设计软件的整体架构和模块划分编码实现编写代码实现软件的功能测试验证对软件进行测试，验证其是否符合需求开发环境搭建交叉编译工具链集成开发环境（）IDE用于将代码编译成目标平台提供代码编辑、编译、调试可执行的程序等功能的集成开发环境仿真器和调试器用于模拟目标平台的运行环境，方便进行调试编程语言选择语言汇编语言C C++效率高、可移植性好，面向对象编程，代码复可以直接操作硬件，效是嵌入式软件开发中最用性好，适用于复杂的率最高，但可读性和可常用的编程语言嵌入式系统维护性差，通常只用于编写底层驱动程序代码优化技术性能优化内存优化功耗优化提高代码的执行效率，例如减少循环减少代码占用的内存空间，例如使用降低代码的功耗，例如减少的使CPU次数、使用查表法等更小的数据类型、减少全局变量的使用率、使用低功耗模式等用等调试技术串口调试1通过串口输出调试信息，方便进行调试调试JTAG2通过接口进行调试，可以单步执行、查看内存JTAG等日志系统3记录程序运行时的信息，方便进行故障排除测试方法系统测试1集成测试2单元测试3测试是保证软件质量的重要手段单元测试主要测试单个模块的功能，集成测试主要测试模块之间的接口，系统测试主要测试整个系统的功能和性能不同的测试方法适用于不同的测试阶段版本控制基础分支管理Git12是目前最流行的版本使用分支可以同时进行多Git控制系统，可以跟踪代码个功能的开发，互不影的修改历史响代码审查3通过代码审查可以发现代码中的错误和潜在问题第五章嵌入式系统设计本章将深入探讨嵌入式系统的设计过程我们将学习如何进行需求分析，设计系统架构，考虑硬件和软件设计因素，以及如何进行实时性、可靠性、低功耗和安全性设计通过学习本章内容，您将掌握嵌入式系统设计的基本方法，能够独立完成简单的嵌入式系统设计项目需求分析功能需求性能需求可靠性需求123系统需要实现的功能系统需要达到的性能指标，例如响系统需要达到的可靠性指标，例如应时间、吞吐量等平均故障间隔时间（）等MTBF系统架构设计硬件架构确定硬件的组成部分和连接方式软件架构确定软件的模块划分和模块之间的关系接口定义定义硬件和软件之间的接口硬件设计考虑因素处理器选择存储器配置外设接口设计根据系统的需求选择合适的处理器根据系统的需求配置合适的存储器设计合适的外设接口，例如、GPIO、等UART SPI软件设计考虑因素操作系统选择任务划分资源管理123根据系统的需求选择合适的操作系将系统分解成多个任务，每个任务管理系统的资源，例如内存、CPU统完成特定的功能时间等实时性设计任务优先级设置为不同的任务设置不同的优先级，保证重要的任务能够及时执行中断延迟管理减少中断延迟，保证系统能够及时响应外部事件定时器使用使用定时器可以实现定时、计数等功能可靠性设计错误检测与恢复2检测程序中的错误，并进行恢复看门狗机制1防止程序跑飞，保证系统能够自动复位冗余设计采用冗余的硬件和软件，提高系统的3可靠性可靠性设计是嵌入式系统设计中非常重要的一个方面在实际应用中，很多嵌入式系统需要在无人值守的情况下长时间稳定运行因此，必须采取各种措施来提高系统的可靠性，例如看门狗机制、错误检测与恢复和冗余设计等低功耗设计动态频率调节睡眠模式管理外设功耗控制根据系统的负载动态调节的频率，在系统空闲时进入睡眠模式，降低功关闭不使用的外设，降低功耗CPU降低功耗耗安全性设计数据加密访问控制12对敏感数据进行加密，防限制用户对资源的访问权止数据泄露限，防止非法访问安全启动3验证启动代码的合法性，防止恶意代码的执行第六章嵌入式系统应用实例本章将通过实际案例分析，深入了解嵌入式系统在各个领域的应用我们将学习智能家居系统、工业控制系统、车载信息娱乐系统、医疗监护设备和无人机飞控系统的设计和实现通过学习本章内容，您将了解嵌入式系统在实际应用中的具体细节，为未来从事相关领域的工作打下坚实的基础智能家居系统系统架构包括智能网关、传感器、执行器等硬件选型选择合适的处理器、存储器和通信模块软件设计编写控制程序、数据采集程序和通信程序工业控制系统实时要求通信协议12需要实时响应外部事件，对实需要支持各种工业通信协议，时性要求很高例如、等Modbus Profibus安全性考虑3需要考虑系统的安全性，防止恶意攻击车载信息娱乐系统多媒体处理人机交互总线通信CAN需要支持音频、视频和图像的处理需要提供友好的用户界面需要通过总线与车辆的其他系统CAN进行通信医疗监护设备数据采集1采集患者的生理数据，例如心电、血压、血氧等信号处理2对采集到的数据进行处理，提取有用的信息报警系统3当患者的生理数据异常时，发出报警无人机飞控系统姿态控制控制无人机的飞行姿态，例如俯仰、横滚和偏航导航算法实现无人机的自主导航通信链路建立无人机与地面站之间的通信链路第七章嵌入式系统新技术本章将介绍嵌入式系统的新技术，包括物联网与嵌入式系统、人工智能在嵌入式系统中的应用、技术与嵌入式系统、嵌入式系统安全5G和开源硬件平台通过学习本章内容，您将了解嵌入式系统的发展趋势，为未来从事相关领域的研究和开发做好准备物联网与嵌入式系统架构边缘计算低功耗广域网（）IoT LPWAN设备层、网络层、平台层和应用层在设备端进行数据处理，减少数据传适用于低功耗、远距离的物联网应输量用人工智能在嵌入式系统中的应用机器学习算法优化神经网络加速器芯片AI对机器学习算法进行优化，使其能够使用硬件加速器加速神经网络的计专门用于运行人工智能算法的芯片在资源有限的嵌入式系统中运行算技术与嵌入式系统5G模块集成超低延迟应用大规模物联网5G将模块集成到嵌应用于对延迟要求极支持大规模物联网设5G入式系统中，实现高高的应用，例如远程备的接入速无线通信控制、虚拟现实等嵌入式系统安全硬件安全模块（）安全启动远程更新与管理HSM提供硬件级别的安全保护验证启动代码的合法性，防止恶意代码安全地进行远程更新和管理的执行开源硬件平台Arduino RaspberryPi BeagleBone简单易用，适合初学者功能强大，适合开发复杂的应用性能稳定，适合工业应用第八章嵌入式系统发展趋势本章将探讨嵌入式系统的发展趋势，包括异构计算、自主化和智能化以及可重构嵌入式系统通过学习本章内容，您将了解嵌入式系统的未来发展方向，为未来从事相关领域的研究和开发做好准备异构计算CPU+GPU CPU+FPGA12利用的并行计算能力利用的可编程性实GPU FPGA加速图像处理和机器学习现硬件加速等应用专用加速器3使用专门的硬件加速器加速特定的计算任务自主化和智能化自适应系统认知计算自主决策能够根据环境的变化自动调整自身的能够模拟人类的认知能力，例如学能够根据环境的变化自主做出决策参数习、推理和决策可重构嵌入式系统软件定义硬件通过软件配置硬件的功能动态可重构FPGA在运行时动态改变的配置FPGA柔性电子技术将电子元件集成到柔性材料上，实现可弯曲、可折叠的嵌入式系统课程总结知识回顾学习建议12回顾本课程所学的主要知识建议学生在课后多进行实践，点，包括嵌入式系统的概念、例如参与嵌入式系统项目、阅原理、设计和应用读相关书籍和论文等未来展望3展望嵌入式系统的未来发展趋势，鼓励学生积极参与嵌入式系统领域的研究和开发。