《嵌入式系統(tǒng)Cha》課件

《嵌入式系統(tǒng)》PPT課件本課程介紹嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，涵蓋硬件架構(gòu)、軟件開發(fā)、應(yīng)用案例等內(nèi)容。by嵌入式系統(tǒng)定義專用性針對特定應(yīng)用而設(shè)計，通常用于特定設(shè)備或系統(tǒng)。資源受限與通用計算機相比，嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的內(nèi)存、處理能力和存儲空間。實時性許多嵌入式系統(tǒng)需要實時響應(yīng)事件，并以特定的時間限制執(zhí)行操作。嵌入式系統(tǒng)特點體積小嵌入式系統(tǒng)通常設(shè)計為緊湊的尺寸，以適合特定的應(yīng)用場景。低功耗嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化功耗以延長電池壽命，適用于便攜式設(shè)備。高性能嵌入式系統(tǒng)通常針對特定任務(wù)進行優(yōu)化，提供高效的性能。實時性嵌入式系統(tǒng)需要對事件做出快速響應(yīng)，確保關(guān)鍵任務(wù)的及時完成。嵌入式系統(tǒng)分類按應(yīng)用領(lǐng)域分類消費類電子、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子、航空航天等。按功能分類控制類、網(wǎng)絡(luò)類、數(shù)據(jù)處理類、多媒體類、混合類等。按處理器類型分類微處理器（MPU）、微控制器（MCU）、數(shù)字信號處理器（DSP）、專用集成電路（ASIC）等。硬件架構(gòu)概述嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它決定了系統(tǒng)的性能、功能和成本。常見的嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)包括處理器、內(nèi)存、輸入/輸出系統(tǒng)、總線等。處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和控制整個系統(tǒng)。內(nèi)存用于存儲程序和數(shù)據(jù)，分為RAM和ROM兩種類型。輸入/輸出系統(tǒng)負(fù)責(zé)與外部世界進行交互，包括各種傳感器、顯示器、鍵盤、網(wǎng)絡(luò)接口等。總線是連接各個硬件組件的通道，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)和控制信號。處理器介紹中央處理器(CPU)嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)運行。微處理器(MPU)通常用于單片機系統(tǒng)，將CPU、內(nèi)存、I/O等集成到一個芯片上。數(shù)字信號處理器(DSP)專門設(shè)計用于處理信號，例如音頻、視頻和圖像。常見處理器及其應(yīng)用ARM處理器廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。Intel處理器主要應(yīng)用于臺式機、筆記本電腦、服務(wù)器等領(lǐng)域。MCU處理器常用于控制、監(jiān)測等應(yīng)用，例如家電、汽車電子等。內(nèi)存系統(tǒng)RAM隨機存取存儲器，用于存儲程序和數(shù)據(jù)，速度快但容量有限。ROM只讀存儲器，用于存儲系統(tǒng)引導(dǎo)程序和固件，數(shù)據(jù)不可修改。Flash閃存，用于存儲系統(tǒng)配置信息，可以反復(fù)擦寫，速度較慢。輸入輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、麥克風(fēng)等輸出設(shè)備顯示器、打印機、揚聲器等中斷機制事件驅(qū)動中斷是硬件或軟件事件通知CPU的機制，改變程序執(zhí)行流程。提高效率中斷機制允許CPU處理多個任務(wù)，提高系統(tǒng)效率。優(yōu)先級管理不同的中斷可以設(shè)置優(yōu)先級，保證重要事件及時處理?？偩€協(xié)議1數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)不同組件間傳輸?shù)囊?guī)則，確保信息傳遞的準(zhǔn)確性與效率。2常見總線類型包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，分別用于傳遞地址信息、數(shù)據(jù)信息和控制信號。3協(xié)議規(guī)范規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序、信號類型、數(shù)據(jù)格式等，例如SPI、I2C、UART等。實時操作系統(tǒng)及時響應(yīng)實時操作系統(tǒng)能夠在嚴(yán)格的時間約束內(nèi)完成任務(wù)，確保系統(tǒng)對外部事件的快速響應(yīng)。確定性行為實時操作系統(tǒng)具有可預(yù)測性，能夠在預(yù)定的時間內(nèi)完成特定操作，不會出現(xiàn)隨機延遲或不確定性。資源管理實時操作系統(tǒng)需要高效地管理系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存、CPU、中斷和外設(shè)，以滿足實時應(yīng)用的嚴(yán)格要求。實時操作系統(tǒng)特點快速響應(yīng)能力是實時操作系統(tǒng)的核心，需要及時處理來自外部的事件和任務(wù)。實時操作系統(tǒng)能夠保證對事件的處理時間，從而滿足系統(tǒng)對時間的要求。實時操作系統(tǒng)對安全性和可靠性有嚴(yán)格的要求，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。實時調(diào)度算法先到先服務(wù)最簡單的調(diào)度算法，按照進程到達時間的先后順序進行調(diào)度。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進程優(yōu)先級進行調(diào)度，優(yōu)先級高的進程優(yōu)先執(zhí)行。最短剩余時間優(yōu)先選擇剩余執(zhí)行時間最短的進程優(yōu)先執(zhí)行。輪轉(zhuǎn)調(diào)度將時間分成時間片，每個進程輪流執(zhí)行一個時間片。進程與線程1進程一個獨立運行的程序，具有自己的內(nèi)存空間和資源。2線程進程中的一個執(zhí)行單元，共享進程的資源，但有獨立的執(zhí)行棧和上下文。3區(qū)別進程獨立性強，線程共享進程資源，線程更輕量級。內(nèi)存管理內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理內(nèi)存空間，為進程分配和回收內(nèi)存。內(nèi)存保護防止進程訪問其他進程的內(nèi)存區(qū)域，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。虛擬內(nèi)存使用硬盤空間擴展物理內(nèi)存，提高系統(tǒng)效率和可用內(nèi)存。設(shè)備驅(qū)動程序連接硬件與軟件設(shè)備驅(qū)動程序是軟件組件，允許操作系統(tǒng)與特定硬件設(shè)備進行通信。抽象硬件差異驅(qū)動程序隱藏硬件細(xì)節(jié)，提供統(tǒng)一的接口，方便應(yīng)用軟件訪問設(shè)備。管理硬件資源驅(qū)動程序負(fù)責(zé)分配和釋放硬件資源，例如內(nèi)存、中斷和I/O端口。電源管理電池管理優(yōu)化電池使用壽命，延長設(shè)備運行時間。電源適配器提供穩(wěn)定的電源輸入，確保設(shè)備正常工作。節(jié)能模式降低功耗，延長電池續(xù)航時間，減少能源消耗。安全性與可靠性安全嵌入式系統(tǒng)通常運行在關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境中，因此安全性至關(guān)重要。這涉及保護系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問，防止惡意軟件感染，并確保數(shù)據(jù)機密性和完整性?？煽啃钥煽啃砸馕吨到y(tǒng)能夠在各種條件下持續(xù)運行，并提供預(yù)期的性能。嵌入式系統(tǒng)需要能夠在各種惡劣環(huán)境中正常運行，并具備故障容錯能力。系統(tǒng)啟動流程1加電自檢(POST)檢查硬件2引導(dǎo)加載程序加載操作系統(tǒng)3操作系統(tǒng)初始化啟動內(nèi)核和服務(wù)4用戶登錄進入系統(tǒng)BIOS與引導(dǎo)加載程序BIOS基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)，是計算機啟動時首先運行的程序，負(fù)責(zé)初始化硬件并加載操作系統(tǒng)。引導(dǎo)加載程序引導(dǎo)加載程序(Bootloader)是介于BIOS和操作系統(tǒng)之間的程序，負(fù)責(zé)加載操作系統(tǒng)內(nèi)核和相關(guān)文件到內(nèi)存中。軟件開發(fā)流程1需求分析明確項目目標(biāo)、功能需求、性能需求、用戶需求等。2系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)、模塊劃分、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、接口設(shè)計等。3編碼實現(xiàn)根據(jù)設(shè)計文檔編寫代碼，并進行單元測試。4測試進行系統(tǒng)測試、集成測試、驗收測試，確保軟件質(zhì)量。5部署將軟件部署到目標(biāo)環(huán)境，并進行必要的配置。6維護定期維護軟件，修復(fù)bug，更新功能，并提供技術(shù)支持。開發(fā)工具簡介集成開發(fā)環(huán)境(IDE)提供代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能，方便開發(fā)者進行項目管理和開發(fā)。仿真器用于模擬硬件環(huán)境，方便開發(fā)者測試和調(diào)試代碼，減少實際硬件測試成本。示波器用于觀察硬件信號波形，幫助分析硬件問題和調(diào)試代碼。測試及調(diào)試技術(shù)硬件測試確保硬件組件正常工作，包括處理器、內(nèi)存、存儲器等。軟件測試驗證軟件代碼功能和性能，包括單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試等。系統(tǒng)測試驗證整個嵌入式系統(tǒng)的功能和性能，包括系統(tǒng)集成測試、性能測試等。調(diào)試工具使用調(diào)試器、示波器、邏輯分析儀等工具幫助定位和解決問題。嵌入式系統(tǒng)案例分析學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)案例，可以幫助我們更好地理解理論知識，并能提高實際開發(fā)能力。以下是一些常見嵌入式系統(tǒng)案例:智能手機智能家居工業(yè)自動化汽車電子醫(yī)療設(shè)備基于ARM的嵌入式系統(tǒng)ARM架構(gòu)是嵌入式系統(tǒng)中最常用的處理器架構(gòu)之一，以其高性能、低功耗和低成本的特點而聞名。ARM處理器廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備，如智能手機、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和汽車電子等?；贛CU的嵌入式系統(tǒng)基于MCU的嵌入式系統(tǒng)，以微控制器（MCU）為核心，通常用于小型、低功耗、實時性要求高的應(yīng)用場景。MCU通常集成有處理器、內(nèi)存、外設(shè)等模塊，提供多種接口，方便連接傳感器、執(zhí)行器等外部設(shè)備，滿足各種控制和數(shù)據(jù)處理需求?；贔PGA的嵌入式系統(tǒng)FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種可重新配置的硬件設(shè)備，允許用戶根據(jù)需要重新定義其功能。在嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA可以用于實現(xiàn)自定義硬件邏輯，例如數(shù)據(jù)處理、圖像處理或通信協(xié)議。FPGA可以提供高性能、低延遲和靈活性，使其成為需要高性能計算和定制硬件的嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。它們廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療保健和工業(yè)自動化等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1物聯(lián)網(wǎng)(IoT)嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心，連接各種設(shè)備，實現(xiàn)信息交互和數(shù)據(jù)共享。2人工智能(AI)嵌入式系統(tǒng)與人工智能相結(jié)合，賦予設(shè)備更智能的功能，例如圖像識別和語音控制。3邊緣計算(EdgeComputing)邊緣計算將數(shù)據(jù)處理靠近數(shù)據(jù)源，提高響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)安全性。嵌入式系統(tǒng)前景展望物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，為嵌入式系統(tǒng)提供了廣闊的應(yīng)用空間。人工智能和機器