《嵌入式系统Cha》课件

《嵌入式系统》PPT课件本课程介绍嵌入式系统基础知识，涵盖硬件架构、软件开发、应用案例等内容。by嵌入式系统定义专用性针对特定应用而设计，通常用于特定设备或系统。资源受限与通用计算机相比，嵌入式系统通常具有有限的内存、处理能力和存储空间。实时性许多嵌入式系统需要实时响应事件，并以特定的时间限制执行操作。嵌入式系统特点体积小嵌入式系统通常设计为紧凑的尺寸，以适合特定的应用场景。低功耗嵌入式系统优化功耗以延长电池寿命，适用于便携式设备。高性能嵌入式系统通常针对特定任务进行优化，提供高效的性能。实时性嵌入式系统需要对事件做出快速响应，确保关键任务的及时完成。嵌入式系统分类按应用领域分类消费类电子、工业自动化、医疗设备、汽车电子、航空航天等。按功能分类控制类、网络类、数据处理类、多媒体类、混合类等。按处理器类型分类微处理器（MPU）、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）等。硬件架构概述嵌入式系统硬件架构是整个系统的基础，它决定了系统的性能、功能和成本。常见的嵌入式系统硬件架构包括处理器、内存、输入/输出系统、总线等。处理器是嵌入式系统的核心，负责执行指令和控制整个系统。内存用于存储程序和数据，分为RAM和ROM两种类型。输入/输出系统负责与外部世界进行交互，包括各种传感器、显示器、键盘、网络接口等。总线是连接各个硬件组件的通道，负责传输数据和控制信号。处理器介绍中央处理器(CPU)嵌入式系统的核心，负责执行指令、处理数据、控制系统运行。微处理器(MPU)通常用于单片机系统，将CPU、内存、I/O等集成到一个芯片上。数字信号处理器(DSP)专门设计用于处理信号，例如音频、视频和图像。常见处理器及其应用ARM处理器广泛应用于移动设备、嵌入式系统、物联网等领域。Intel处理器主要应用于台式机、笔记本电脑、服务器等领域。MCU处理器常用于控制、监测等应用，例如家电、汽车电子等。内存系统RAM随机存取存储器，用于存储程序和数据，速度快但容量有限。ROM只读存储器，用于存储系统引导程序和固件，数据不可修改。Flash闪存，用于存储系统配置信息，可以反复擦写，速度较慢。输入输出系统输入设备键盘、鼠标、触摸屏、麦克风等输出设备显示器、打印机、扬声器等中断机制事件驱动中断是硬件或软件事件通知CPU的机制，改变程序执行流程。提高效率中断机制允许CPU处理多个任务，提高系统效率。优先级管理不同的中断可以设置优先级，保证重要事件及时处理。总线协议1数据传输标准定义了数据在系统不同组件间传输的规则，确保信息传递的准确性与效率。2常见总线类型包括地址总线、数据总线和控制总线，分别用于传递地址信息、数据信息和控制信号。3协议规范规定了数据传输的时序、信号类型、数据格式等，例如SPI、I2C、UART等。实时操作系统及时响应实时操作系统能够在严格的时间约束内完成任务，确保系统对外部事件的快速响应。确定性行为实时操作系统具有可预测性，能够在预定的时间内完成特定操作，不会出现随机延迟或不确定性。资源管理实时操作系统需要高效地管理系统资源，例如内存、CPU、中断和外设，以满足实时应用的严格要求。实时操作系统特点快速响应能力是实时操作系统的核心，需要及时处理来自外部的事件和任务。实时操作系统能够保证对事件的处理时间，从而满足系统对时间的要求。实时操作系统对安全性和可靠性有严格的要求，确保系统稳定运行。实时调度算法先到先服务最简单的调度算法，按照进程到达时间的先后顺序进行调度。优先级调度根据进程优先级进行调度，优先级高的进程优先执行。最短剩余时间优先选择剩余执行时间最短的进程优先执行。轮转调度将时间分成时间片，每个进程轮流执行一个时间片。进程与线程1进程一个独立运行的程序，具有自己的内存空间和资源。2线程进程中的一个执行单元，共享进程的资源，但有独立的执行栈和上下文。3区别进程独立性强，线程共享进程资源，线程更轻量级。内存管理内存分配操作系统负责管理内存空间，为进程分配和回收内存。内存保护防止进程访问其他进程的内存区域，确保系统安全稳定运行。虚拟内存使用硬盘空间扩展物理内存，提高系统效率和可用内存。设备驱动程序连接硬件与软件设备驱动程序是软件组件，允许操作系统与特定硬件设备进行通信。抽象硬件差异驱动程序隐藏硬件细节，提供统一的接口，方便应用软件访问设备。管理硬件资源驱动程序负责分配和释放硬件资源，例如内存、中断和I/O端口。电源管理电池管理优化电池使用寿命，延长设备运行时间。电源适配器提供稳定的电源输入，确保设备正常工作。节能模式降低功耗，延长电池续航时间，减少能源消耗。安全性与可靠性安全嵌入式系统通常运行在关键任务环境中，因此安全性至关重要。这涉及保护系统免受未经授权的访问，防止恶意软件感染，并确保数据机密性和完整性。可靠性可靠性意味着系统能够在各种条件下持续运行，并提供预期的性能。嵌入式系统需要能够在各种恶劣环境中正常运行，并具备故障容错能力。系统启动流程1加电自检(POST)检查硬件2引导加载程序加载操作系统3操作系统初始化启动内核和服务4用户登录进入系统BIOS与引导加载程序BIOS基本输入输出系统(BIOS)，是计算机启动时首先运行的程序，负责初始化硬件并加载操作系统。引导加载程序引导加载程序(Bootloader)是介于BIOS和操作系统之间的程序，负责加载操作系统内核和相关文件到内存中。软件开发流程1需求分析明确项目目标、功能需求、性能需求、用户需求等。2系统设计设计系统架构、模块划分、数据库设计、接口设计等。3编码实现根据设计文档编写代码，并进行单元测试。4测试进行系统测试、集成测试、验收测试，确保软件质量。5部署将软件部署到目标环境，并进行必要的配置。6维护定期维护软件，修复bug，更新功能，并提供技术支持。开发工具简介集成开发环境(IDE)提供代码编辑、编译、调试等功能，方便开发者进行项目管理和开发。仿真器用于模拟硬件环境，方便开发者测试和调试代码，减少实际硬件测试成本。示波器用于观察硬件信号波形，帮助分析硬件问题和调试代码。测试及调试技术硬件测试确保硬件组件正常工作，包括处理器、内存、存储器等。软件测试验证软件代码功能和性能，包括单元测试、集成测试、系统测试等。系统测试验证整个嵌入式系统的功能和性能，包括系统集成测试、性能测试等。调试工具使用调试器、示波器、逻辑分析仪等工具帮助定位和解决问题。嵌入式系统案例分析学习嵌入式系统案例，可以帮助我们更好地理解理论知识，并能提高实际开发能力。以下是一些常见嵌入式系统案例:智能手机智能家居工业自动化汽车电子医疗设备基于ARM的嵌入式系统ARM架构是嵌入式系统中最常用的处理器架构之一，以其高性能、低功耗和低成本的特点而闻名。ARM处理器广泛应用于各种嵌入式设备，如智能手机、平板电脑、物联网设备和汽车电子等。基于MCU的嵌入式系统基于MCU的嵌入式系统，以微控制器（MCU）为核心，通常用于小型、低功耗、实时性要求高的应用场景。MCU通常集成有处理器、内存、外设等模块，提供多种接口，方便连接传感器、执行器等外部设备，满足各种控制和数据处理需求。基于FPGA的嵌入式系统FPGA（现场可编程门阵列）是一种可重新配置的硬件设备，允许用户根据需要重新定义其功能。在嵌入式系统中，FPGA可以用于实现自定义硬件逻辑，例如数据处理、图像处理或通信协议。FPGA可以提供高性能、低延迟和灵活性，使其成为需要高性能计算和定制硬件的嵌入式系统的理想选择。它们广泛应用于航空航天、医疗保健和工业自动化等领域。嵌入式系统发展趋势1物联网(IoT)嵌入式系统是物联网的核心，连接各种设备，实现信息交互和数据共享。2人工智能(AI)嵌入式系统与人工智能相结合，赋予设备更智能的功能，例如图像识别和语音控制。3边缘计算(EdgeComputing)边缘计算将数据处理靠近数据源，提高响应速度和数据安全性。嵌入式系统前景展望物联网的快速发展，为嵌入式系统提供了广阔的应用空间。人工智能和机器