浙江大學(xué)嵌入式課件-嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)無處不在，從智能手機到汽車，再到工業(yè)設(shè)備。它們通常是專門為特定任務(wù)而設(shè)計的，并且與外部世界進行交互。嵌入式系統(tǒng)的定義專用硬件嵌入式系統(tǒng)通常具有專門設(shè)計的硬件，以滿足特定應(yīng)用的需求。專用軟件嵌入式系統(tǒng)運行的軟件通常被定制，以執(zhí)行特定的任務(wù)，例如控制設(shè)備或收集數(shù)據(jù)。應(yīng)用廣泛從智能手機和汽車到工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療器械，嵌入式系統(tǒng)幾乎無處不在。嵌入式系統(tǒng)的特點專用性嵌入式系統(tǒng)通常針對特定應(yīng)用場景而設(shè)計，例如汽車、手機、工業(yè)控制等。實時性嵌入式系統(tǒng)需要對外部事件進行及時響應(yīng)，并按時完成任務(wù)，例如自動駕駛系統(tǒng)。資源受限嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的計算能力、內(nèi)存和存儲空間，需要進行資源優(yōu)化?？煽啃愿咔度胧较到y(tǒng)需要在各種環(huán)境下可靠運行，因此需要進行嚴(yán)格的測試和質(zhì)量控制。嵌入式系統(tǒng)的組成1硬件嵌入式系統(tǒng)通常包含處理器、內(nèi)存、存儲器、I/O接口等硬件組件。2軟件軟件包含操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件等，負責(zé)控制硬件并實現(xiàn)特定功能。3固件固件是嵌入式系統(tǒng)中存儲在非易失性存儲器中的程序，啟動硬件并控制基本功能。4外圍設(shè)備傳感器、顯示器、電機等設(shè)備擴展了系統(tǒng)功能，與硬件和軟件協(xié)同工作。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，兩者緊密配合，共同完成特定任務(wù)。硬件部分包括處理器、存儲器、外設(shè)等。軟件部分包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序等。嵌入式系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)的核心是處理器，它負責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)。外設(shè)是與外部世界交互的接口，例如傳感器、顯示器、通信模塊等。嵌入式軟件負責(zé)控制硬件，管理資源，并執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)是軟件的基礎(chǔ)，它提供系統(tǒng)管理和資源管理功能。驅(qū)動程序是連接硬件和軟件的橋梁，負責(zé)控制外設(shè)。嵌入式硬件技術(shù)發(fā)展歷程1早期階段嵌入式硬件技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，主要使用分立元件，集成度較低。2微處理器時代隨著微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)開始快速發(fā)展，集成度提高，功能更強大。3現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)采用高性能處理器、先進的存儲器技術(shù)，功能更加強大，應(yīng)用范圍更加廣泛。常見的嵌入式硬件平臺樹莓派樹莓派是一種小型、低成本的單板計算機。它是一款功能強大的開發(fā)平臺，支持多種編程語言和操作系統(tǒng)。ArduinoArduino是一款開源硬件平臺，以其易用性和豐富的擴展性而聞名。它廣泛用于電子DIY、原型設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。STM32微控制器STM32微控制器是意法半導(dǎo)體的ARMCortex-M系列微控制器，以其高性能、低功耗和豐富的功能而受到青睞。TILaunchPad開發(fā)板TILaunchPad開發(fā)板是德州儀器推出的低成本、高性能的微控制器開發(fā)套件，提供豐富的示例代碼和開發(fā)工具。嵌入式軟件技術(shù)概述嵌入式軟件是控制和管理嵌入式硬件的軟件，它賦予硬件生命。嵌入式軟件技術(shù)涵蓋了從操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件到實時軟件等多個方面。嵌入式軟件的種類和特點系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)，驅(qū)動程序，實時操作系統(tǒng)（RTOS）等，為應(yīng)用程序提供底層服務(wù)。應(yīng)用軟件根據(jù)特定應(yīng)用需求開發(fā)，例如工業(yè)控制，智能家居，移動設(shè)備等。中間件連接應(yīng)用程序和硬件之間的軟件層，提供通信，數(shù)據(jù)管理等功能。測試軟件用于驗證嵌入式軟件質(zhì)量和功能，包括單元測試，集成測試，系統(tǒng)測試等。嵌入式軟件開發(fā)流程嵌入式軟件開發(fā)流程是一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟襟E，需要經(jīng)過多個階段，才能最終將軟件應(yīng)用到硬件平臺上。1需求分析明確系統(tǒng)功能和性能要求。2系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)設(shè)計、模塊劃分、接口定義。3代碼實現(xiàn)編寫代碼并進行單元測試。4軟件集成將各個模塊集成到一起并進行系統(tǒng)測試。5軟件部署將軟件部署到目標(biāo)硬件平臺。每個階段都至關(guān)重要，需要進行嚴(yán)格的測試和驗證，確保軟件質(zhì)量和可靠性。嵌入式軟件開發(fā)工具集成開發(fā)環(huán)境(IDE)提供代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能，方便開發(fā)人員進行嵌入式軟件開發(fā)。交叉編譯器將目標(biāo)平臺的代碼編譯成目標(biāo)平臺可執(zhí)行的二進制代碼。調(diào)試器幫助開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)和解決嵌入式軟件中的錯誤。仿真器模擬目標(biāo)平臺的硬件環(huán)境，方便開發(fā)人員進行軟件測試。嵌入式實時操作系統(tǒng)實時性實時操作系統(tǒng)(RTOS)專門為需要實時響應(yīng)的應(yīng)用程序而設(shè)計。它們具有嚴(yán)格的定時要求，確保及時完成任務(wù)。例如，在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，RTOS可以確保機器在預(yù)定的時間范圍內(nèi)執(zhí)行操作，從而保證生產(chǎn)效率和可靠性。資源管理RTOS管理有限的嵌入式系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存、處理器時間和外圍設(shè)備。它們提供任務(wù)調(diào)度、中斷處理和內(nèi)存分配等功能，以優(yōu)化系統(tǒng)性能和效率。嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議嵌入式系統(tǒng)通常使用各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行通信。TCP/IP是使用最廣泛的協(xié)議之一，它支持互聯(lián)網(wǎng)通信。網(wǎng)絡(luò)接口嵌入式系統(tǒng)可以集成不同的網(wǎng)絡(luò)接口，例如以太網(wǎng)、Wi-Fi和藍牙，用于連接到網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)安全嵌入式系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)安全非常重要。它需要保護設(shè)備免受網(wǎng)絡(luò)攻擊，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜋C密性。網(wǎng)絡(luò)管理嵌入式系統(tǒng)需要管理網(wǎng)絡(luò)連接，包括配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量和處理網(wǎng)絡(luò)故障。嵌入式系統(tǒng)中的通信協(xié)議11.串行通信協(xié)議串行通信協(xié)議，例如UART、SPI和I2C，通常用于在嵌入式系統(tǒng)中連接外圍設(shè)備，例如傳感器和顯示器。22.網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以太網(wǎng)、Wi-Fi和藍牙協(xié)議用于連接嵌入式系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制。33.無線通信協(xié)議Zigbee、LoRa和NB-IoT等協(xié)議適用于低功耗和長距離無線通信，例如智能家居和工業(yè)自動化。44.專用協(xié)議一些嵌入式系統(tǒng)使用特定應(yīng)用程序的協(xié)議，例如CAN總線用于汽車，RS-485用于工業(yè)控制。嵌入式系統(tǒng)中的電源管理節(jié)能設(shè)計嵌入式系統(tǒng)通常需要在有限的能源下運行，因此節(jié)能設(shè)計至關(guān)重要。通過優(yōu)化硬件和軟件，可以最大限度地延長電池壽命。電源管理策略電源管理策略旨在根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)動態(tài)調(diào)整電源消耗，例如在空閑狀態(tài)下降低功耗。電源管理芯片電源管理芯片是專門用于管理電源分配和轉(zhuǎn)換的專用集成電路，可以有效地控制電源效率。電池管理嵌入式系統(tǒng)通常使用電池供電，因此需要對電池的充電、放電和剩余電量進行有效管理。嵌入式系統(tǒng)中的存儲管理存儲器類型嵌入式系統(tǒng)通常使用多種存儲器類型，包括ROM、RAM、閃存和磁盤等，以滿足不同需求。存儲器分配存儲器管理涉及分配和釋放存儲資源，以確保不同模塊和程序之間不會相互干擾。存儲器保護為了防止程序錯誤導(dǎo)致的存儲器訪問沖突或損壞，需要進行存儲器保護，例如內(nèi)存訪問權(quán)限控制等。存儲器優(yōu)化為了提高系統(tǒng)性能，需要進行存儲器優(yōu)化，例如內(nèi)存緩存、頁面置換算法等。嵌入式系統(tǒng)中的內(nèi)存管理1內(nèi)存分配動態(tài)分配內(nèi)存空間，滿足程序運行需求。2內(nèi)存回收釋放不再使用的內(nèi)存空間，避免內(nèi)存泄漏。3內(nèi)存碎片內(nèi)存分配和回收過程中產(chǎn)生的零散空間，影響內(nèi)存效率。4內(nèi)存保護防止程序訪問非授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。嵌入式系統(tǒng)中的處理器架構(gòu)ARM架構(gòu)ARM架構(gòu)因其低功耗、高性能而廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。它采用RISC(精簡指令集)設(shè)計，指令集簡潔，執(zhí)行效率高。x86架構(gòu)x86架構(gòu)主要應(yīng)用于PC和服務(wù)器，但也有一些嵌入式系統(tǒng)采用x86架構(gòu)，如工業(yè)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。x86架構(gòu)指令集較為復(fù)雜，但性能強大。MIPS架構(gòu)MIPS架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)路由器、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其特點是指令集簡單，執(zhí)行效率高，支持多種操作系統(tǒng)和軟件。PowerPC架構(gòu)PowerPC架構(gòu)主要應(yīng)用于高端嵌入式系統(tǒng)、服務(wù)器和工作站，它具有高性能、高可靠性等特點。嵌入式系統(tǒng)中的外圍設(shè)備接口攝像頭接口攝像頭接口是嵌入式系統(tǒng)常用的接口之一，用于連接攝像頭并獲取圖像數(shù)據(jù)。觸摸屏接口觸摸屏接口允許用戶通過觸摸屏幕與嵌入式系統(tǒng)進行交互，為用戶提供更加直觀的操控體驗。傳感器接口傳感器接口用于連接各種傳感器，采集環(huán)境信息，如溫度、濕度、光線等。網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口使嵌入式系統(tǒng)能夠連接到網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制。嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動程序硬件抽象層設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序提供硬件訪問接口。軟件接口驅(qū)動程序通過操作系統(tǒng)的API與應(yīng)用程序交互。設(shè)備驅(qū)動程序類型常見的驅(qū)動程序類型包括字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和輸入/輸出設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)中的安全性與可靠性安全漏洞防范嵌入式系統(tǒng)容易受到攻擊，例如緩沖區(qū)溢出、代碼注入和網(wǎng)絡(luò)攻擊。因此，需要采取措施來防止這些漏洞。數(shù)據(jù)完整性和機密性嵌入式系統(tǒng)通常處理敏感數(shù)據(jù)，例如個人信息或財務(wù)數(shù)據(jù)。確保這些數(shù)據(jù)的完整性和機密性至關(guān)重要。系統(tǒng)穩(wěn)定性和容錯能力嵌入式系統(tǒng)通常需要長時間穩(wěn)定運行，并能夠應(yīng)對各種故障。提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和容錯能力是關(guān)鍵。安全機制和協(xié)議使用安全機制和協(xié)議來保護嵌入式系統(tǒng)，例如加密、身份驗證和訪問控制。嵌入式系統(tǒng)中的測試與調(diào)試1硬件測試驗證硬件功能，例如CPU、內(nèi)存、外設(shè)2軟件測試驗證軟件功能，例如操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序3集成測試驗證軟硬件之間的交互，確保系統(tǒng)正常運行4系統(tǒng)測試評估整個嵌入式系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性嵌入式系統(tǒng)測試與調(diào)試非常重要，它確保系統(tǒng)能夠在目標(biāo)環(huán)境中正常工作。測試方法包括硬件測試、軟件測試、集成測試和系統(tǒng)測試，每個階段都有其特定的目標(biāo)和方法。嵌入式系統(tǒng)中的性能優(yōu)化代碼優(yōu)化優(yōu)化代碼以減少指令周期和內(nèi)存訪問次數(shù)，提升系統(tǒng)執(zhí)行效率。硬件優(yōu)化選擇合適的處理器和外設(shè)，并使用高效的硬件設(shè)計，提高系統(tǒng)性能。系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計合理的系統(tǒng)架構(gòu)，減少資源競爭和數(shù)據(jù)冗余，提升系統(tǒng)性能。嵌入式系統(tǒng)中的功耗管理電池壽命延長電池壽命是嵌入式系統(tǒng)的重要設(shè)計目標(biāo)。低功耗設(shè)計可以最大限度地延長電池壽命。熱量管理嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量會影響其性能和可靠性。高效的熱量管理可以防止系統(tǒng)過熱。硬件優(yōu)化選擇低功耗組件，并優(yōu)化硬件設(shè)計可以有效降低功耗。軟件優(yōu)化使用低功耗算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化代碼可以提高系統(tǒng)效率。嵌入式系統(tǒng)中的實時性保證實時性要求嵌入式系統(tǒng)必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)，否則會導(dǎo)致系統(tǒng)故障。例如，汽車的ABS系統(tǒng)必須在剎車信號發(fā)出后立即響應(yīng)，否則會導(dǎo)致事故。實時性保證是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題之一。實時性指標(biāo)實時性指標(biāo)包括時間延遲、任務(wù)執(zhí)行時間、中斷響應(yīng)時間等。不同的應(yīng)用場景對實時性指標(biāo)的要求不同。例如，工業(yè)控制系統(tǒng)對時間延遲的要求非常嚴(yán)格，而家用電器對時間延遲的要求相對寬松。嵌入式系統(tǒng)中的實時調(diào)度算法11.固定優(yōu)先級調(diào)度這種算法根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級來分配處理器時間，優(yōu)先級高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。22.動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度這種算法根據(jù)任務(wù)的動態(tài)屬性，例如截止時間或資源需求，來調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級。33.基于時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度這種算法將處理器時間分配給每個任務(wù)，每個任務(wù)在規(guī)定的時間片內(nèi)執(zhí)行。44.事件驅(qū)動調(diào)度這種算法根據(jù)發(fā)生的事件來觸發(fā)任務(wù)執(zhí)行，例如硬件中斷或軟件信號。嵌入式系統(tǒng)中的實時任務(wù)管理時間調(diào)度實時操作系統(tǒng)需要精確地管理任務(wù)執(zhí)行時間，保證任務(wù)在規(guī)定的時間內(nèi)完成，滿足實時性要求。優(yōu)先級分配不同的任務(wù)可能具有不同的優(yōu)先級，實時系統(tǒng)需要根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級進行調(diào)度，確保高優(yōu)先級任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。資源分配實時系統(tǒng)需要有效地分配系統(tǒng)資源，例如CPU時間、內(nèi)存和外設(shè)，以保證任務(wù)順利執(zhí)行。任務(wù)同步多個任務(wù)可能需要訪問共享資源或進行數(shù)據(jù)交換，實時系統(tǒng)需要提供機制來協(xié)調(diào)任務(wù)之間的同步和通信，避免沖突和錯誤。嵌入式系統(tǒng)中的故障診斷和預(yù)防故障診斷通過監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，分析異常行為，定位問題根源。故障預(yù)防采取措施降低故障發(fā)生概率，提高系統(tǒng)可靠性。實時監(jiān)控持續(xù)跟蹤系統(tǒng)運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題。故障修復(fù)采取措施恢復(fù)系統(tǒng)正常功能，減少故障影響。嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用領(lǐng)域消費電子產(chǎn)品智能手機、平板電腦、智能手表等，嵌入式系統(tǒng)提供核心功能。工業(yè)自動化機器人、自動化生產(chǎn)線、工業(yè)控制系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)負責(zé)控制和管理。汽車電子汽車導(dǎo)航、安全氣囊、發(fā)動機控制系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)提升汽車性能。醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療儀器、可穿戴設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)提供準(zhǔn)確可靠的醫(yī)療服務(wù)。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢智能家居的普及嵌入式系統(tǒng)在智能家