嵌入式系统-课件

嵌入式系统什么是嵌入式系统定义嵌入式系统是将计算机技术应用于特定应用领域的一种专用计算机系统，它通常包含硬件和软件两个部分，并针对特定任务进行优化设计。特点嵌入式系统通常具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高、实时性强等特点，适合应用于各种场景。嵌入式系统的特点体积小嵌入式系统通常体积小，便于集成到各种设备中。功耗低为了延长设备的运行时间，嵌入式系统通常具有低功耗设计。实时性强嵌入式系统需要对外部事件进行实时响应，例如控制设备的运行或采集数据。嵌入式系统的应用场景嵌入式系统无处不在，广泛应用于各种领域，从日常生活中常见的电子产品到工业自动化设备，都离不开嵌入式系统的支持。例如，智能手机、平板电脑、智能手表等移动设备，以及汽车电子、航空航天、医疗设备、工业控制、物联网等领域，都广泛应用着嵌入式系统。嵌入式系统的分类1按应用领域分类消费电子、工业控制、汽车电子、航空航天等。2按功能分类单片机系统、微处理器系统、数字信号处理器系统等。3按性能分类低端嵌入式系统、中端嵌入式系统、高端嵌入式系统等。软硬件架构1应用层用户界面和功能实现2操作系统层管理硬件资源和提供系统服务3硬件层微处理器、存储器、输入输出设备等微处理器核心执行指令和处理数据的核心部分寄存器临时存储数据和指令的快速存储单元算术逻辑单元(ALU)执行算术和逻辑运算控制单元协调和控制微处理器操作存储器随机存取存储器(RAM)RAM是一种易失性存储器，用于存储正在运行的程序和数据。它允许计算机快速访问数据，但一旦电源关闭，数据就会丢失。硬盘驱动器(HDD)HDD是一种非易失性存储器，用于存储操作系统、应用程序和其他数据。它提供大量的存储空间，但访问速度比RAM慢。闪存(Flash)闪存是一种非易失性存储器，提供比HDD更快的访问速度，并且比RAM更耐用。它通常用于存储固件和其他关键数据。输入输出设备键盘键盘是用户输入文本、命令和数据的基本设备。鼠标鼠标用于控制光标、选择对象和进行图形操作。显示器显示器显示系统输出的信息，例如文本、图像和视频。时钟电路定时器提供精确的计时功能，用于控制嵌入式系统的操作速度和同步各个模块。振荡器产生时钟信号，作为嵌入式系统中所有操作的基本时间参考。总线系统数据传输通道连接不同硬件组件控制数据流动嵌入式操作系统Linux开源、可移植性强，广泛应用于各种嵌入式设备。WindowsEmbedded微软推出的嵌入式操作系统，提供图形界面和丰富的应用程序。Android基于Linux内核的移动设备操作系统，拥有庞大的应用生态系统。实时操作系统(RTOS)专为实时应用设计的操作系统，满足严格的时延要求。实时操作系统1实时性实时操作系统能够在严格的时间约束内响应事件。2确定性系统对事件的响应时间是可预测的，没有延迟或抖动。3可靠性实时操作系统必须可靠运行，即使在高负载或异常情况下。多任务调度时间片轮转每个任务分配固定的时间片，轮流执行，提高系统利用率。优先级调度根据任务优先级，优先级高的任务优先执行，适合实时性要求高的应用。抢占式调度高优先级任务可以打断低优先级任务，保证重要任务及时执行。中断处理中断机制中断是外部事件通知CPU的方式，例如键盘输入或网络数据包到达。中断处理流程CPU暂停当前执行的任务，保存上下文，跳转到中断服务程序处理事件，最后恢复上下文并继续执行之前的任务。设备驱动程序连接硬件和软件之间的桥梁控制和管理设备提供应用程序与设备交互的接口内存管理1内存分配为程序和数据分配内存空间。2内存回收释放不再使用的内存空间，避免内存泄漏。3内存保护防止程序访问未授权的内存区域。嵌入式软件开发1需求分析理解系统功能和性能要求2软件设计制定软件架构和模块划分3代码编写使用合适的编程语言实现功能4测试与调试验证软件功能和性能指标嵌入式程序设计开发环境选择合适的开发环境和工具，如IDE、编译器、调试器等，来提高开发效率。编程语言选择合适的编程语言，如C、C++、汇编语言等，满足嵌入式系统的性能和资源限制。代码优化对嵌入式程序进行优化，降低代码的复杂度，提高执行效率和资源利用率。开发工具集成开发环境(IDE)提供代码编辑、编译、调试等功能，例如Keil、IAR、Eclipse。仿真器模拟目标硬件环境，方便程序调试和测试，例如JTAG仿真器。调试器用于跟踪程序执行流程，查看变量值和内存状态，例如GDB。分析工具帮助分析代码性能、内存使用情况等，例如Valgrind、Doxygen。系统测试功能测试验证软件是否满足需求规格说明书中规定的功能。性能测试评估软件在特定负载下的性能指标，如响应时间、吞吐量等。可靠性测试验证软件在一定时间内正常运行的可靠程度。安全性测试测试软件的安全性，例如防止非法访问、数据泄露等。调试技术调试器使用调试器可以单步执行代码、设置断点和查看变量值，帮助快速定位和修复程序错误。打印语句在关键代码段添加打印语句，输出调试信息，帮助理解程序执行流程和查找问题。逻辑分析仪用于观察嵌入式系统中硬件信号的时序和逻辑关系，帮助分析硬件和软件之间的交互问题。硬件设计电路设计硬件设计的第一步是创建电路图，明确各个组件之间的连接方式，并设计相应的电路板。元器件选择根据功能需求选择合适的微处理器、存储器、传感器、执行器等元器件，确保性能、可靠性和成本平衡。PCB设计设计电路板布局，确保元器件的排列合理，电路连接清晰，并考虑信号完整性、EMI/EMC等因素。外设接口USB通用串行总线，用于连接外设。HDMI高清晰度多媒体接口，用于连接显示器。以太网用于网络连接。通信协议1串行通信串行通信是一种逐位传输数据的通信方式，数据按顺序一个一个地传送。2并行通信并行通信是一种同时传输多个位数据的通信方式，数据以并行方式传送。3网络协议网络协议是一套规则，用于规范网络设备之间的通信，保证数据传输的可靠性。电源管理管理系统功耗，优化电池寿命电源转换效率和稳定性电压和电流监控与保护可靠性设计高可靠性嵌入式系统通常用于关键任务应用，必须确保其可靠性，避免因故障导致系统瘫痪。冗余设计通过添加备用组件，即使一个组件出现故障，系统也能继续正常工作，例如采用双重备份、热备等。容错机制设计容错机制，能够在出现故障时自动检测、隔离并修复错误，确保系统稳定运行。安全性设计数据完整性防止数据被篡改或丢失。身份验证确保只有授权用户可以访问系统。访问控制限制对敏感信息的访问。加密保护敏感数据。工程应用案例嵌入式系统在各个领域都有着广泛的应用，例如:消费电子:智能手机、平板电脑、智能手表等工业自动化:工业机器人、数控机床、自动控制系统等汽车电子:汽车导航系统、车身控制系统、安全气囊系统等医疗设备:心电仪、呼吸机、影