嵌入式系統概論

嵌入式系統是一種以應用為中心，以計算機技術為基礎，可以適應不同應用對功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的要求，集可配置，可裁減的軟、硬件于一體的專用計算機系統。
它具有很強的靈活性，主要由嵌入式硬件平臺、相關支撐硬件、嵌入式操作系統、支撐軟件以及應用軟件組成。

其中，“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統” 是嵌入式系統的三個基本的核心要素：

• 嵌入性：指計算機計算機嵌入到對象系統中，且滿足對象系統的環境要求。
• 專用性：指軟、硬件的裁剪性，滿足對象要求的最小軟、硬件配置等。
• 計算機系統：指嵌入式系統必須是一個能滿足對象系統控制要求的計算機系統。

嵌入式系統特點：

• 系統專用性強： 針對具體應用的專門系統。
• 系統實時性強： 嵌入式系統中有相當一部分系統要求對外來事件在限定的時間內及時做出響應，具有實時性。
• 軟、硬件依賴性強： 嵌入式系統的專用性決定了其軟、硬件之間具有很強的互相依賴性。
• 處理器專用：嵌入式系統的處理器通常具有功耗低、體積小、集成度高等優點，能夠把許多在通用計算機上需要由板卡完成的任務和功能集成到芯片內部，從而有利于嵌入式系統的小型化和移動能力的增強。
• 多種技術緊密結合
• 系統透明性
• 系統資源受限： 其存儲容量、輸入/輸出設備的數量和處理器的處理能力都比較有限。

嵌入式系統的組成

嵌入式系統一般都由軟件和硬件兩個部分組成，其中嵌入式處理器、存儲器和外部設備構成整個系統的硬件基礎。嵌入式系統的軟件部分可以分為 3 個層次：系統軟件、應用支撐軟件和應用軟件。

硬件架構

1．嵌入式處理器

• 嵌入式微處理器（EMPU）：由通用計算機中的 CPU 演變而來
• 嵌入式微控制器（單片機）：整個計算機系統都集成到一塊芯片中
• 嵌入式數字信號處理器：專門用于信號處理的處理器，DSP 芯片內部采用程序和數據分開的哈佛結構
• 嵌入式片上系統：在一塊芯片上集成很多功能模塊的復雜系統，如微處理器內核、USB、Bluetooth 等。

2．總線
嵌入式系統的總線一般分為片內總線和片外總線。片內總線是指嵌入式微處理器內的CPU 與片內其他部件連接的總線；片外總線是指總線控制器集成在微處理器內部或外部芯片上的用于連接外部設備的總線。

3．存儲器
嵌入式系統的存儲器主要包括主存和外存，主要分為三種：高速緩存（Cache）、片內主存和片外主存以及外存(Flash 存儲器)。

4．I/O 設備與接口

軟件架構

（1）操作系統：只負責進程的調度、進程間的通信、內存分配及異常與中斷管理最基本的任務，其他大部分的功能則由支撐軟件完成。
（2）應用支撐軟件：一般用于一些淺度嵌入的系統中，如智能手機、個人數字助理等。
（3）應用軟件：系統整體功能的集中體現。

嵌入式開發平臺與調試環境

嵌入式系統軟件開發平臺

1．交叉平臺開發環境（CPD）：軟件在一個通用的平臺上開發，而在另一個嵌入式目標平臺上運行。

這個用于開發嵌入式軟件的通用平臺通常叫作宿主機系統，被開發的嵌入式系統稱為目標機系統。而當軟件執行環境和開發環境一致時的開發過程則稱為本地開發（ND）。

2.交叉編譯環境：宿主機提供的基本開發工具是交叉編譯器、交叉鏈接器和源代碼調試器。

嵌入式開發調試

• 直接調試法：將目標代碼下載到目標機上，讓其執行，通過觀察指示燈來判斷程序的運行狀態。
• 調試監控法：（插樁法）
• 在線仿真法：ICE 是一種用于替代目標機上 CPU 的設備。對目標機來說，在線仿真器就相當于它的CPU
• 片上調試法：（ICD）是 CPU 芯片內部的一種用于支持調試的功能模塊。
• 模擬器法：運行于宿主機上的一個純軟件工具，它通過模擬目標機的指令系統或目標機操作系統的系統調用來達到在宿主機上運行和調試嵌入式應用程序的目的。

嵌入式數據庫管理系統

嵌入式數據庫管理系統就是在嵌入式設備上使用的數據庫管理系統。
嵌入式數據庫也稱為移動數據庫或嵌入式移動數據庫。其作用主要是解決移動計算環境下數據的管理問題，移動數據庫是移動計算環境中的分布式數據庫。

使用環境

嵌入式數據庫系統是一個包含嵌入式數據庫管理系統在內的跨越移動通信設備、工作站或臺式機及數據服務器的綜合系統，使用環境的特點：
（1）設備隨時移動性
（2）網絡頻繁斷接
（3）網絡條件多樣化
（4）通信能力不對稱

系統組成

一個完整的嵌入式數據庫管理系統(廣義)由若干子系統組成，包括主數據庫管理系統、同步服務器、嵌入式數據庫管理系統、連接網絡等幾個子系統

嵌入式系統的實時概念

（1）邏輯（或功能）正確：是指系統對外部事件的處理能夠產生正確的結果。
（2）時間正確：是指系統對外部事件的處理必須在預定的周期內完成。
（3）死線（Deadline）或時限、死限、截止時間：是指系統必須對外部事件進行處理的最遲時間界限，錯過此界限可能產生嚴重的后果。
（4）實時系統，是指功能正確和時間正確同時滿足的系統，二者同等重要。

根據實時性的強弱，即系統必須對外部事件做出響應的時間長短，將實時系統分為：

• 強實時系統：通常在毫秒或微秒級。
• 一般實時系統： 通常在秒級。
• 弱實時系統：其系統響應時間隨系統負載的輕重而變化。

根據對錯失時限的容忍程度或后果的嚴重性，可以將實時系統分為軟實時系統和硬實時系統。

• 硬實時系統：指系統必須滿足其靈活性接近零時限要求的實時系統。
• 軟實時系統：指必須滿足時限的要求，但是有一定靈活性的實時系統。

嵌入式操作系統的特點

• 微型化
• 代碼質量高
• 專業化
• 實時性強
• 可裁減、可配置

實時嵌入式操作系統

一個嵌入式系統的實時性能是由硬件、實時操作系統及應用程序共同決定的，其中，嵌入式實時操作系統內核的性能起著關鍵的作用。通常，有兩種類型的實時嵌入式操作系統：實時內核型的 RTEOS 與通用型的 RTEOS。

• 實時內核型的 RTEOS：這類操作系統，驅動程序傳統嵌在內核之中，應用程序和中間件實現在標準的應用程序接口之上。
• 實時通用型的 RTEOS：這類操作系統，驅動程序在內核之上實現，并且僅包含少數必要的驅動程序，應用程序和中間件可以直接在驅動程序之上實現，而不必在標準的 APIs 實現。
  

嵌入式實時操作系統的關鍵特性：

• 滿足嵌入式應用的高可靠性；
• 滿足應用需要的可裁減能力；
• 內存需求少；
• 運行的可預測性；
• 采用實時調度策略；
• 系統的規模緊湊；
• 支持從 ROM 或 RAM 上引導和運行；
• 對不同的硬件平臺均有更好的可移植性。

嵌入式實時操作系統的實時性能指標在評估實時操作系統設計性能時，時間性能指標是最重要的一個性能指標，常用的時間性能指標主要有如下幾個：

• 任務切換時間：指 CPU 控制權由運行態的任務轉移給另外一個就緒任務所需要的時間
• 中斷處理相關的時間指標：
  • 中斷延遲時間，是指從中斷發生到系統獲知中斷的時間；
  • 中斷處理執行時間，該時間由具體的應用決定；
  • 中斷響應時間，是指從中斷發生到開始執行用戶中斷服務例程的時間；
  • 中斷恢復時間，是指用戶中斷服務例程結束回到被中斷的代碼之間的時間；
  • 最大關中斷時間，包含兩個方面：一是內核最大關中斷時間，即內核在執行臨界區代碼時關中斷；二是應用關中斷時間，關中斷最大時間是這兩種關中斷時間的最大值；
  • 任務響應時間：是指從任務對應的中斷產生到該任務真正開始運行的時間；
• 系統響應時間：指系統在發出處理請求到系統做出應答的時間，即調度延遲

總結

以上是生活随笔為你收集整理的系统架构师（十二）嵌入式系统设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。