天大嵌入式系統(tǒng)課件-0-介紹

天大嵌入式系統(tǒng)課程介紹課件內(nèi)容概覽基礎(chǔ)知識(shí)什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的分類(lèi)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程嵌入式硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)軟件工程嵌入式軟件開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)編程語(yǔ)言嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)是指專(zhuān)門(mén)為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通常由硬件和軟件組成，并與外部環(huán)境交互。它與通用計(jì)算機(jī)相比，具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性，以及更低的成本和功耗。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)體積小巧嵌入式系統(tǒng)通常體積小巧，可以嵌入到各種設(shè)備中，例如手機(jī)、汽車(chē)、家電等。低功耗嵌入式系統(tǒng)通常需要在有限的電源下運(yùn)行，因此需要采用低功耗的設(shè)計(jì)和技術(shù)。高可靠性嵌入式系統(tǒng)通常需要在惡劣的環(huán)境下可靠地運(yùn)行，例如高溫、高濕、振動(dòng)等。實(shí)時(shí)性嵌入式系統(tǒng)通常需要在特定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)事件，例如控制設(shè)備的運(yùn)動(dòng)、處理傳感器數(shù)據(jù)等。嵌入式系統(tǒng)的分類(lèi)1微控制器(MCU)系統(tǒng)用于控制簡(jiǎn)單設(shè)備，例如家用電器和汽車(chē)。2微處理器(MPU)系統(tǒng)用于執(zhí)行更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，例如智能手機(jī)和筆記本電腦。3數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用于處理音頻、視頻和其他信號(hào)。4系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)系統(tǒng)將多個(gè)組件集成在一個(gè)芯片上，用于構(gòu)建高性能、低功耗的設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域消費(fèi)電子智能手機(jī)、平板電腦、智能手表等。汽車(chē)電子汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)、安全氣囊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等。工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)等。醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療影像設(shè)備、生命體征監(jiān)測(cè)儀、醫(yī)療機(jī)器人等。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)嵌入式系統(tǒng)通常涉及硬件和軟件的緊密耦合，這使得開(kāi)發(fā)變得更加復(fù)雜。嵌入式系統(tǒng)通常具有嚴(yán)格的性能和實(shí)時(shí)性要求，需要開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行精細(xì)的優(yōu)化和調(diào)試。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)通常面臨著資源受限的挑戰(zhàn)，例如內(nèi)存、存儲(chǔ)空間和處理能力有限。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程需求分析確定系統(tǒng)功能，性能，資源需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件，軟件架構(gòu)，功能模塊設(shè)計(jì)。代碼實(shí)現(xiàn)編寫(xiě)嵌入式軟件代碼，驅(qū)動(dòng)程序。測(cè)試驗(yàn)證功能，性能，可靠性測(cè)試。系統(tǒng)集成將硬件，軟件，驅(qū)動(dòng)整合。部署與維護(hù)部署到目標(biāo)平臺(tái)，持續(xù)維護(hù)更新。嵌入式硬件組成微控制器(MCU)嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理控制和數(shù)據(jù)操作。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，分為閃存(Flash)、SRAM和DRAM。外設(shè)傳感器、顯示器、通信模塊等，擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)的功能。嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性嵌入式系統(tǒng)通常需要實(shí)時(shí)響應(yīng)事件，操作系統(tǒng)必須提供高效的調(diào)度和資源管理機(jī)制。內(nèi)存管理嵌入式系統(tǒng)通常運(yùn)行在資源受限的環(huán)境中，操作系統(tǒng)需要有效管理內(nèi)存資源，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。任務(wù)管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和調(diào)度多個(gè)應(yīng)用程序的任務(wù)，確保不同任務(wù)之間能夠協(xié)調(diào)工作。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榍度胧接布M件提供軟件接口，使它們能夠與操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序交互。中間件提供應(yīng)用程序和硬件之間的抽象層，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，并提高代碼的可移植性。應(yīng)用程序針對(duì)特定嵌入式設(shè)備的功能，提供用戶(hù)界面或?qū)崿F(xiàn)特定任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)編程語(yǔ)言C語(yǔ)言廣泛用于嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)樗男矢撸刂颇芰?qiáng)，并且有豐富的庫(kù)和工具。C++語(yǔ)言提供面向?qū)ο缶幊痰墓δ?，可以提高代碼的可重用性和可維護(hù)性，適用于更復(fù)雜的任務(wù)。匯編語(yǔ)言直接控制硬件，可以?xún)?yōu)化性能，但代碼復(fù)雜難懂，通常只用于關(guān)鍵部分的優(yōu)化。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)例如：Keil、IAR、Eclipse等，提供代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。仿真器模擬目標(biāo)硬件環(huán)境，幫助開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行代碼測(cè)試和調(diào)試，避免實(shí)際硬件的損壞。調(diào)試器用于在目標(biāo)硬件上調(diào)試程序，例如：JTAG調(diào)試器，通過(guò)連接目標(biāo)硬件，觀(guān)察程序運(yùn)行狀態(tài)。傳感器與驅(qū)動(dòng)器傳感器傳感器是將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，例如溫度傳感器、壓力傳感器、光傳感器等。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理量輸出的器件，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)器、繼電器驅(qū)動(dòng)器等。作用傳感器和驅(qū)動(dòng)器是嵌入式系統(tǒng)中必不可少的組件，它們負(fù)責(zé)采集外部環(huán)境信息并控制執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界環(huán)境的交互。數(shù)字電路設(shè)計(jì)邏輯門(mén)數(shù)字電路的基本單元，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算集成電路將多個(gè)邏輯門(mén)集成到一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能電路板將多個(gè)集成電路和其它電子元件連接在一起，構(gòu)成完整的數(shù)字系統(tǒng)模擬電路設(shè)計(jì)模擬信號(hào)處理模擬電路設(shè)計(jì)處理連續(xù)信號(hào)，例如電壓和電流，用于各種應(yīng)用，例如傳感器接口、音頻放大和電源管理。關(guān)鍵組件模擬電路使用各種元件，例如電阻器、電容器、電感器、晶體管和運(yùn)算放大器，來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的電路功能。電源管理電路1電源轉(zhuǎn)換將外部電源轉(zhuǎn)換為嵌入式系統(tǒng)所需的電壓和電流。2電源管理控制電源分配，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并提高能效。3電源監(jiān)控監(jiān)測(cè)電源電壓和電流，并提供過(guò)壓、欠壓、過(guò)電流等保護(hù)功能。通信協(xié)議協(xié)議定義通信協(xié)議定義了數(shù)據(jù)交換的規(guī)則和格式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。常見(jiàn)協(xié)議常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)通信協(xié)議包括SPI、I2C、UART、CAN、Ethernet等，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。性能評(píng)估通信協(xié)議的選擇需要考慮傳輸速度、可靠性、功耗、成本等因素。調(diào)試與測(cè)試硬件調(diào)試驗(yàn)證硬件組件正常工作，例如處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備等。軟件調(diào)試通過(guò)代碼分析、斷點(diǎn)、日志等方式找出軟件錯(cuò)誤并進(jìn)行修復(fù)。系統(tǒng)測(cè)試模擬真實(shí)環(huán)境，驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)整體功能和性能是否符合預(yù)期。功耗管理節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化硬件和軟件，降低功耗。動(dòng)態(tài)功耗管理根據(jù)需求調(diào)整功耗，例如，在空閑狀態(tài)下降低功耗。電源管理芯片使用專(zhuān)門(mén)的芯片來(lái)管理電源和功耗。安全與可靠性1數(shù)據(jù)安全嵌入式系統(tǒng)通常處理敏感信息，例如用戶(hù)數(shù)據(jù)、身份驗(yàn)證憑據(jù)和機(jī)密信息。2系統(tǒng)穩(wěn)定性嵌入式系統(tǒng)需要可靠地執(zhí)行任務(wù)，避免故障或錯(cuò)誤，確保系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行。3攻擊防護(hù)嵌入式系統(tǒng)可能面臨各種攻擊，包括惡意軟件、黑客攻擊和數(shù)據(jù)竊取。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式MVC模式分離用戶(hù)界面、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)模型。單例模式確保一個(gè)類(lèi)只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)全局訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。工廠(chǎng)模式創(chuàng)建對(duì)象的最佳實(shí)踐，隱藏對(duì)象的創(chuàng)建邏輯。嵌入式系統(tǒng)性能優(yōu)化代碼優(yōu)化高效算法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)存占用系統(tǒng)配置優(yōu)化中斷處理，緩存管理，內(nèi)存分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化協(xié)議選擇，數(shù)據(jù)壓縮，減少網(wǎng)絡(luò)延遲嵌入式系統(tǒng)可擴(kuò)展性硬件可擴(kuò)展性模塊化設(shè)計(jì)，易于添加新組件或升級(jí)現(xiàn)有組件。軟件可擴(kuò)展性可重用代碼和模塊化設(shè)計(jì)，方便添加新功能或修改現(xiàn)有功能。系統(tǒng)可擴(kuò)展性能夠適應(yīng)不斷變化的需求，例如增加數(shù)據(jù)量或處理能力。嵌入式系統(tǒng)安全性數(shù)據(jù)保護(hù)保護(hù)敏感數(shù)據(jù)免遭未經(jīng)授權(quán)的訪(fǎng)問(wèn)、使用或泄露。代碼安全防止惡意軟件或攻擊者利用漏洞，以獲取控制權(quán)或竊取數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)安全確保嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性時(shí)間敏感性嵌入式系統(tǒng)通常需要在特定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。例如，在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，設(shè)備必須在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)事件。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，能夠提供精確的時(shí)間控制和任務(wù)調(diào)度。實(shí)時(shí)任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中的任務(wù)可以分為實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)需要在特定時(shí)間內(nèi)完成，而非實(shí)時(shí)任務(wù)則沒(méi)有時(shí)間限制。嵌入式系統(tǒng)實(shí)用案例嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，從智能家居到工業(yè)自動(dòng)化，再到航空航天。以下是一些常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)用案例：智能手機(jī)智能手表無(wú)人機(jī)汽車(chē)電子工業(yè)控制嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的融合，推動(dòng)邊緣計(jì)算和云端協(xié)同發(fā)展。人工智能技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，如語(yǔ)音識(shí)別、圖像處理等。嵌入式系統(tǒng)安全性越來(lái)越重要，需要應(yīng)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)。嵌入式系統(tǒng)人才需求軟件開(kāi)發(fā)人員嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)人才，掌握C、C++、Python等編程語(yǔ)言，熟悉操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)。硬件工程師嵌入式系統(tǒng)硬件工程師，熟悉電路設(shè)計(jì)、數(shù)字/模擬電路、傳感器、電源管理等技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師精通系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、功耗管理、安全可靠性等，具備解決復(fù)雜問(wèn)