嵌入式系統(tǒng)-課件

嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于特定應(yīng)用領(lǐng)域的一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它通常包含硬件和軟件兩個(gè)部分，并針對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)通常具有體積小、功耗低、成本低、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于各種場(chǎng)景。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)體積小嵌入式系統(tǒng)通常體積小，便于集成到各種設(shè)備中。功耗低為了延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，嵌入式系統(tǒng)通常具有低功耗設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)性強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)需要對(duì)外部事件進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，例如控制設(shè)備的運(yùn)行或采集數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，從日常生活中常見(jiàn)的電子產(chǎn)品到工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，都離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)的支持。例如，智能手機(jī)、平板電腦、智能手表等移動(dòng)設(shè)備，以及汽車電子、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，都廣泛應(yīng)用著嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的分類1按應(yīng)用領(lǐng)域分類消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車電子、航空航天等。2按功能分類單片機(jī)系統(tǒng)、微處理器系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理器系統(tǒng)等。3按性能分類低端嵌入式系統(tǒng)、中端嵌入式系統(tǒng)、高端嵌入式系統(tǒng)等。軟硬件架構(gòu)1應(yīng)用層用戶界面和功能實(shí)現(xiàn)2操作系統(tǒng)層管理硬件資源和提供系統(tǒng)服務(wù)3硬件層微處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等微處理器核心執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)的核心部分寄存器臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令的快速存儲(chǔ)單元算術(shù)邏輯單元(ALU)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算控制單元協(xié)調(diào)和控制微處理器操作存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)RAM是一種易失性存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。它允許計(jì)算機(jī)快速訪問(wèn)數(shù)據(jù)，但一旦電源關(guān)閉，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)HDD是一種非易失性存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和其他數(shù)據(jù)。它提供大量的存儲(chǔ)空間，但訪問(wèn)速度比RAM慢。閃存(Flash)閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，提供比HDD更快的訪問(wèn)速度，并且比RAM更耐用。它通常用于存儲(chǔ)固件和其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)。輸入輸出設(shè)備鍵盤鍵盤是用戶輸入文本、命令和數(shù)據(jù)的基本設(shè)備。鼠標(biāo)鼠標(biāo)用于控制光標(biāo)、選擇對(duì)象和進(jìn)行圖形操作。顯示器顯示器顯示系統(tǒng)輸出的信息，例如文本、圖像和視頻。時(shí)鐘電路定時(shí)器提供精確的計(jì)時(shí)功能，用于控制嵌入式系統(tǒng)的操作速度和同步各個(gè)模塊。振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，作為嵌入式系統(tǒng)中所有操作的基本時(shí)間參考?？偩€系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通道連接不同硬件組件控制數(shù)據(jù)流動(dòng)嵌入式操作系統(tǒng)Linux開(kāi)源、可移植性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備。WindowsEmbedded微軟推出的嵌入式操作系統(tǒng)，提供圖形界面和豐富的應(yīng)用程序。Android基于Linux內(nèi)核的移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)，擁有龐大的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)專為實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，滿足嚴(yán)格的時(shí)延要求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)1實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠在嚴(yán)格的時(shí)間約束內(nèi)響應(yīng)事件。2確定性系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)時(shí)間是可預(yù)測(cè)的，沒(méi)有延遲或抖動(dòng)。3可靠性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須可靠運(yùn)行，即使在高負(fù)載或異常情況下。多任務(wù)調(diào)度時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)任務(wù)分配固定的時(shí)間片，輪流執(zhí)行，提高系統(tǒng)利用率。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，適合實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用。搶占式調(diào)度高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以打斷低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，保證重要任務(wù)及時(shí)執(zhí)行。中斷處理中斷機(jī)制中斷是外部事件通知CPU的方式，例如鍵盤輸入或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)。中斷處理流程CPU暫停當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，保存上下文，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序處理事件，最后恢復(fù)上下文并繼續(xù)執(zhí)行之前的任務(wù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序連接硬件和軟件之間的橋梁控制和管理設(shè)備提供應(yīng)用程序與設(shè)備交互的接口內(nèi)存管理1內(nèi)存分配為程序和數(shù)據(jù)分配內(nèi)存空間。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)存保護(hù)防止程序訪問(wèn)未授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)1需求分析理解系統(tǒng)功能和性能要求2軟件設(shè)計(jì)制定軟件架構(gòu)和模塊劃分3代碼編寫使用合適的編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)功能4測(cè)試與調(diào)試驗(yàn)證軟件功能和性能指標(biāo)嵌入式程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇合適的開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具，如IDE、編譯器、調(diào)試器等，來(lái)提高開(kāi)發(fā)效率。編程語(yǔ)言選擇合適的編程語(yǔ)言，如C、C++、匯編語(yǔ)言等，滿足嵌入式系統(tǒng)的性能和資源限制。代碼優(yōu)化對(duì)嵌入式程序進(jìn)行優(yōu)化，降低代碼的復(fù)雜度，提高執(zhí)行效率和資源利用率。開(kāi)發(fā)工具集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)提供代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能，例如Keil、IAR、Eclipse。仿真器模擬目標(biāo)硬件環(huán)境，方便程序調(diào)試和測(cè)試，例如JTAG仿真器。調(diào)試器用于跟蹤程序執(zhí)行流程，查看變量值和內(nèi)存狀態(tài)，例如GDB。分析工具幫助分析代碼性能、內(nèi)存使用情況等，例如Valgrind、Doxygen。系統(tǒng)測(cè)試功能測(cè)試驗(yàn)證軟件是否滿足需求規(guī)格說(shuō)明書中規(guī)定的功能。性能測(cè)試評(píng)估軟件在特定負(fù)載下的性能指標(biāo)，如響應(yīng)時(shí)間、吞吐量等。可靠性測(cè)試驗(yàn)證軟件在一定時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行的可靠程度。安全性測(cè)試測(cè)試軟件的安全性，例如防止非法訪問(wèn)、數(shù)據(jù)泄露等。調(diào)試技術(shù)調(diào)試器使用調(diào)試器可以單步執(zhí)行代碼、設(shè)置斷點(diǎn)和查看變量值，幫助快速定位和修復(fù)程序錯(cuò)誤。打印語(yǔ)句在關(guān)鍵代碼段添加打印語(yǔ)句，輸出調(diào)試信息，幫助理解程序執(zhí)行流程和查找問(wèn)題。邏輯分析儀用于觀察嵌入式系統(tǒng)中硬件信號(hào)的時(shí)序和邏輯關(guān)系，幫助分析硬件和軟件之間的交互問(wèn)題。硬件設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)的第一步是創(chuàng)建電路圖，明確各個(gè)組件之間的連接方式，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路板。元器件選擇根據(jù)功能需求選擇合適的微處理器、存儲(chǔ)器、傳感器、執(zhí)行器等元器件，確保性能、可靠性和成本平衡。PCB設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電路板布局，確保元器件的排列合理，電路連接清晰，并考慮信號(hào)完整性、EMI/EMC等因素。外設(shè)接口USB通用串行總線，用于連接外設(shè)。HDMI高清晰度多媒體接口，用于連接顯示器。以太網(wǎng)用于網(wǎng)絡(luò)連接。通信協(xié)議1串行通信串行通信是一種逐位傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，數(shù)據(jù)按順序一個(gè)一個(gè)地傳送。2并行通信并行通信是一種同時(shí)傳輸多個(gè)位數(shù)據(jù)的通信方式，數(shù)據(jù)以并行方式傳送。3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一套規(guī)則，用于規(guī)范網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴ｋ娫垂芾砉芾硐到y(tǒng)功耗，優(yōu)化電池壽命電源轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性電壓和電流監(jiān)控與保護(hù)可靠性設(shè)計(jì)高可靠性嵌入式系統(tǒng)通常用于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，必須確保其可靠性，避免因故障導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。冗余設(shè)計(jì)通過(guò)添加備用組件，即使一個(gè)組件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也能繼續(xù)正常工作，例如采用雙重備份、熱備等。容錯(cuò)機(jī)制設(shè)計(jì)容錯(cuò)機(jī)制，能夠在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)檢測(cè)、隔離并修復(fù)錯(cuò)誤，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。安全性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完整性防止數(shù)據(jù)被篡改或丟失。身份驗(yàn)證確保只有授權(quán)用戶可以訪問(wèn)系統(tǒng)。訪問(wèn)控制限制對(duì)敏感信息的訪問(wèn)。加密保護(hù)敏感數(shù)據(jù)。工程應(yīng)用案例嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，例如:消費(fèi)電子:智能手機(jī)、平板電腦、智能手表等工業(yè)自動(dòng)化:工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)控制系統(tǒng)等汽車電子:汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)等醫(yī)療設(shè)備:心電儀、呼吸機(jī)、影