嵌入式基础

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一.嵌入式系统的组成

1、嵌入式系统是以特定应用为中心、以计算机技术为基础，并将可配置与可裁剪的软、硬件集成于一体的专用计算机系统。

2、嵌入式系统的组成结构是：
嵌入式处理器：除满足低功耗、体积小等需求外，工艺可分为民用、工业和军用等三个档次，民用级器件的工作温度范围是 0～70℃、工业级的是−40～85℃、军用级的是−55～150℃。
相关支撑硬件：除处理器以外的其他硬件，如存储器、定时器、总线等。
嵌入式操作系统：嵌入式操作系统应具备实时性、可裁剪性和安全性等特征。
支撑软件：其中的公共服务通常运行在操作系统之上，以库的方式被应用软件所引用。
应用软件：是指为完成嵌入式系统的某一专用目标所开发的软件。

3、嵌入式系统的特点：专用性强、技术融合、软硬一体软件为主、资源受限、程序代码固化在 ROM 中、需专门开发工具和环境、体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强、对安全性和可靠性的要求高。

二.嵌入式系统的分类

1、嵌入式系统分为嵌入式实时系统和嵌入式非实时系统两种。而实时系统又可分为强实时系统和弱实时系统。从安全性要求看，嵌入式系统还可分为安全攸关系统和非安全攸关系统。

2、实时系统（RTS）是指能够在规定的时间内完成系统功能和做出响应的系统。

3、安全攸关系统（Safety-Critical System）是指其不正确的功能或者失效会导致人员伤亡、财产损失等严重后果的计算机系统。

三.嵌入式软件的组成

1、嵌入式系统的最大特点就是系统的运行和开发是在不同环境中进行的，通常将运行环境称为目标机环境，称开发环境为宿主机环境，宿主机与目标机之间通过串口、网络或 JTAG 接口连接。

2、由于宿主机和目标机的指令往往是不同的，嵌入式系统的开发通常需要交叉平台开发环境支持，基本开发工具是交叉编译器、交叉链接器和源代码调试器。还需要注意实时性、安全性和可靠性、代码规模、软/硬件协同工作的效率和稳定性、特定领域的需求等。

3、嵌入式系统可以分为：
硬件层：包括处理器、存储器、总线、I/O 接口及电源、时钟等
抽象层：包括硬件抽象层（HAL）、板级支持包（BSP）
操作系统层：由嵌入式操作系统、文件系统、图形用户接口、网络系统和通用组件等可配置模块组成
中间件层：是连接两个独立应用的桥梁，常用的有嵌入式数据库、OpenGL、消息中间件、Java 中间件等
应用层：包括不同的应用软件

4、嵌入式软件的主要特点有：
可剪裁性：设计方法包括静态编译、动态库和控制函数流程实现功能控制等。
可配置性：设计方法包括数据驱动、静态编译和配置表等。
强实时性：设计方法包括表驱动、配置、静/动态结合、汇编语言等。
安全性：设计方法包括编码标准、安全保障机制、FMECA（故障模式、影响及危害性分析）。
可靠性：设计方法包括容错技术、余度技术和鲁棒性设计等。
高确定性：设计方法包括静态分配资源、越界检查、状态机、静态任务调度等。

5、在嵌入式系统设计时，要进行低功耗设计。主要技术有编译优化技术、软硬件协同设计、算法优化。

四.嵌入式系统硬件

1、嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、存储器、总线逻辑、定时/计数器、看门狗电路、I/O接口和外部设备等部件组成

2、嵌入式微处理器分为：微处理器（MPU）、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、图形处理器（GPU）、片上系统（SoC）

3、随机存取存储器（RAM）工作需要持续电力提供，可随机读写。分为：
动态随机存取存储器（DRAM）：采用电容存储信息，优点是集成度高、容量大、成本低，缺点是访问速度较慢、需要定期刷新。常作主存（即内存）。
静态随机存取存储器（SRAM）：采用多个晶体管自锁的方式保存状态，优点是访问速度快、不需要刷新，缺点是集成度低、容量小、成本高。常用作高速缓存。

4、只读存储器（ROM），存储的数据不会因掉电而丢失，读取的速度比 RAM 快。分为：
掩膜型只读存储器（MROM）：优点是通过掩膜大批量制造、成本低，缺点是同批数据全部一致且不可修改，只适合大批量生产。
可编程只读存储器（PROM）：可以用专用编程设备一次性烧录数据，适合少量制造。
可擦可编程只读存储器（EPROM）：优点是写入的数据可以通过紫外线擦除重写。
电可擦可编程只读存储器（EEPROM）：优点是写入的数据可以通过电压来清除，但是清除的速度很慢。
快闪存储器（Flash）：优点是可以联机擦写数据且擦写的次数多、速度快，缺点是读取的速度慢（相对其他 ROM 的速度而言）。

3、根据传输的信息种类分类，总线可分为：数据总线、地址总线、控制总线

4、根据连接部件分类，可分为：片内总线、系统总线或板级总线、局部总线、通信总线

5、按照数据传输的方向，总线可以分为：单工总线和双工总线。双工总线又分为半双工总线和全双工总线

6、按照总线使用的信号类型，总线可以分为：并行总线和串行总线。并行总线包含多位传输线，在同一时刻可以传输多位数据，但一致性要求高，传输距离较近；而串行总线只使用一位传输线，同一时刻只传输一位数据，但距离可以较远

7、看门狗电路由输入端、寄存器、计数器和狗叫模块构成。通过寄存器对看门狗进行基本设置，计数器计算狗叫时间，狗叫模块决定看门狗超时后发出的中断或复位方式。程序正常运行时 MCU 会在输入端定期喂狗，超时不喂狗就会触发狗叫模块，一般是重启 MCU。

五.安全攸关软件

1、IEEE 定义安全攸关软件是用于一个系统中，可能导致不可接受的风险的软件

2、DO-178B 标准将软件生命周期分为软件计划过程、软件开发过程和软件综合过程”，其中软件开发过程细分为软件需求过程、软件设计过程、软件编码过程和集成过程共4个子过程；软件综合过程细分为软件验证过程、软件配置管理过程、软件质量保证过程、审定联络过程4个子过程。

3、DO-178B 根据软件在系统中的重要程度将软件的安全等级分为A～E 五级，分别对应灾难级（A）、危害级（B）、严重级（C）、不严重级（D）和没有影响级（E）。