《嵌入式复习课》课件

嵌入式系统复习本课程旨在帮助您全面复习嵌入式系统相关的知识点，为考试做好准备。我们将涵盖微处理器架构、内存管理、外设接口、操作系统、嵌入式软件开发等关键主题。什么是嵌入式系统？智能手表智能手表内置处理器、传感器、操作系统，用于数据收集、处理和显示。汽车仪表盘仪表盘显示车辆状态信息，如速度、里程、油量等，通过传感器和微处理器控制。智能音箱智能音箱集成了语音识别、联网功能，可控制家电设备，提供信息和娱乐服务。工业自动化系统工业控制系统负责控制生产流程，例如机器臂控制、生产线监控，需要高可靠性和实时性。嵌入式系统的特点专用性嵌入式系统通常针对特定应用场景，具备高度定制化的硬件和软件设计，以满足特定功能需求。例如，汽车上的车载导航系统、智能手机的触摸屏控制器、工业自动化设备的控制系统等。实时性嵌入式系统需要对外部事件及时响应，并完成相应的操作，以满足实时性要求。例如，在工业控制系统中，需要实时监控设备运行状态，并及时做出调整，以保证生产过程的正常进行。硬件系统的构成微处理器嵌入式系统的核心，负责执行指令和控制整个系统。存储器存储程序、数据和系统配置信息，包括ROM、RAM、Flash等。外设与外界交互，包括传感器、显示屏、按键、网络接口等。常见的嵌入式处理器11.ARM处理器ARM处理器以其低功耗、高性能和低成本而闻名，广泛应用于各种嵌入式系统。22.MIPS处理器MIPS处理器以其高性能和易于编程的特点而著称，常用于网络设备和路由器。33.x86处理器x86处理器在PC和服务器领域占据主导地位，也应用于一些高性能嵌入式系统。44.AVR处理器AVR处理器以其低功耗、高性价比和易于使用而闻名，适合小型嵌入式项目。嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统是一种专门为嵌入式系统设计的软件系统，它管理硬件资源并为应用程序提供运行环境。嵌入式操作系统通常具有实时性强、体积小、资源占用少等特点，以满足嵌入式系统对性能和效率的要求。常见嵌入式操作系统包括：Linux、uCOS、FreeRTOS、VxWorks等。Linux操作系统概述开源Linux内核是开源软件，开发者可以自由地使用、修改和发布。多任务Linux支持多任务处理，允许多个程序同时运行。多用户Linux允许多个用户同时使用系统资源。跨平台Linux可以运行在各种硬件平台上，从嵌入式系统到大型服务器。Linux内核体系结构1内核层最底层，直接与硬件交互，提供基础服务，如内存管理、进程调度、中断处理。2系统调用层提供用户程序与内核之间的接口，允许用户程序访问内核资源。3用户空间用户程序运行的区域，包括应用程序、库函数、系统工具。Linux进程管理进程概念进程是正在运行的程序的一个实例，它拥有独立的地址空间和系统资源。进程是操作系统资源分配的基本单位。进程状态进程在运行过程中会处于不同的状态，例如运行状态、就绪状态、阻塞状态和终止状态。进程控制Linux系统提供了一组系统调用，用于创建、终止、挂起、恢复和等待进程。进程间通信进程间通信是指多个进程之间相互交换数据和信息，常见的通信方式包括管道、消息队列、共享内存和信号量等。Linux内存管理Linux内存管理是嵌入式系统中至关重要的组成部分，负责管理系统资源，提高系统效率，确保程序正常运行。1虚拟内存虚拟内存技术将物理内存扩展到磁盘空间，使程序能够使用比物理内存更大的内存空间。2页面分配页面分配算法负责将进程的虚拟内存空间映射到物理内存，并进行页面置换操作。3内存区域Linux系统将内存空间划分为不同的区域，例如内核空间、用户空间和设备空间。4内存管理机制Linux内核提供了一系列内存管理机制，例如内存分配、回收、共享和保护。Linux内存管理机制确保系统资源得到高效利用，并有效地防止程序之间相互干扰。Linux设备驱动1设备驱动程序概述连接硬件和软件桥梁2设备驱动分类字符设备，块设备，网络设备3驱动程序结构核心代码，平台相关代码4驱动程序开发步骤探测硬件，初始化设备，处理设备请求Linux设备驱动程序是连接硬件和软件的桥梁，为应用程序提供访问硬件设备的接口。设备驱动程序通常分为字符设备、块设备和网络设备等，它们在功能和实现上有所区别。驱动程序开发通常需要进行硬件探测、设备初始化和处理设备请求等步骤，以便应用程序能够正常使用设备。Linux文件系统1根文件系统包含内核，系统库，基本命令2用户空间用户程序和数据3设备文件代表硬件设备Linux使用树状结构组织文件，根文件系统是所有文件系统的顶层目录。用户空间用于存放用户程序，而设备文件提供对硬件的访问接口。交叉编译环境搭建1安装编译器首先，需要安装交叉编译器，例如GCC。2配置编译环境配置交叉编译工具链，包括目标平台、编译器选项等。3测试编译环境编写一个简单的程序并进行交叉编译，验证环境是否正确。交叉编译工具链简介1目标平台与宿主平台交叉编译工具链是运行在一个平台上，用于为另一个平台生成可执行代码的软件工具集合。2工具链组成通常包含编译器、汇编器、链接器、库文件等，这些工具协同工作才能最终生成目标平台的可执行程序。3选择工具链选择合适的交叉编译工具链取决于目标平台的处理器架构、操作系统以及开发需求。4常用工具链常见的交叉编译工具链包括GCC、ARMGCC、CrossGCC等。嵌入式开发板介绍嵌入式开发板是学习和实践嵌入式系统设计的理想工具。这些板卡通常包含了微处理器、内存、外设接口、以及其他必要的硬件组件。不同的开发板针对不同的应用场景，例如，一些板卡专为物联网应用设计，而另一些板卡则更加适合工业控制领域。GPIO接口编程GPIO概述GPIO是通用输入输出引脚，是嵌入式系统中连接外部设备的重要接口。GPIO引脚可以被配置为输入或输出，用于控制外部设备或获取外部设备状态。GPIO配置GPIO引脚需要进行配置，包括方向设置、电平设置以及上拉下拉配置等，以满足具体的应用需求。GPIO编程在嵌入式系统中，通过GPIO编程可以控制GPIO引脚的状态，实现对外部设备的控制或数据的采集。GPIO应用GPIO应用广泛，例如控制LED灯、读取按键状态、采集传感器数据等，是嵌入式系统编程的重要组成部分。定时器和中断编程1定时器定时器用于精确计时2中断中断用于处理外部事件3组合应用定时器和中断共同使用，实现特定功能4案例LED闪烁、按键检测、数据采集串口通信编程1串口基础串口是嵌入式系统常用的通信接口，用于设备之间的数据传输。2串口配置配置波特率、数据位、校验位等参数，确保发送和接收数据的正确性。3数据发送使用库函数将数据写入串口缓冲区，发送至接收设备。4数据接收读取串口缓冲区中的数据，并进行解析和处理。串口通信编程涉及串口基础知识、配置方法、数据收发等步骤。通过库函数和驱动程序，实现串口通信功能，用于设备之间的交互和数据传输。I2C总线编程I2C总线是一种双向串行通信协议，用于微控制器和外围设备之间的数据传输。1I2C协议概述了解I2C协议的基本概念，包括时序、地址和数据传输机制。2I2C硬件接口熟悉I2C接口的硬件连接方式，包括SDA和SCL引脚。3I2C驱动程序学习编写I2C驱动程序，实现与I2C设备的通信。4应用案例通过实际案例，了解I2C总线在嵌入式系统中的应用。SPI总线编程SPI总线简介SPI是一种同步串行通信协议，在嵌入式系统中广泛应用，用于设备之间的数据传输。SPI协议SPI协议定义了数据传输的时序，使用四条信号线进行通信：SCK、MOSI、MISO、SS。SPI设备SPI设备可以是各种传感器、存储器、显示器等，它们与主控芯片通过SPI总线进行通信。SPI编程SPI编程需要配置SPI控制器，设置时钟频率、数据传输模式等参数。SPI应用SPI总线用于各种应用，例如读取传感器数据、控制显示器、访问外部存储器。CAN总线编程1CAN总线简介控制器局域网络(CAN)是一种用于实时应用的串行通信协议。它具有高可靠性、实时性和抗干扰性。2CAN总线数据帧数据帧包含首部、控制字段、数据字段和校验和等部分，用于传输数据。3CAN总线编程步骤包括初始化CAN控制器、配置CAN通信参数、发送和接收数据等。RTOS基本概念实时性RTOS能够及时响应事件，以满足时间敏感的应用需求。多任务处理RTOS允许同时运行多个任务，提高系统效率。资源管理RTOS提供资源管理机制，如内存管理、设备驱动等。通信机制RTOS提供通信机制，方便不同任务之间进行数据交互。uCOS-II实时操作系统概述uCOS-II是一个广泛使用的实时操作系统，专为嵌入式系统设计，提供高效的任务管理、内存管理和通信机制。任务管理uCOS-II支持多任务并行运行，并提供优先级调度算法来确保重要任务优先执行。同步与通信uCOS-II提供信号量、互斥量等机制，用于协调不同任务之间的访问和同步。内存管理uCOS-II提供内存分配和释放功能，允许任务根据需要动态分配和使用内存。任务管理与调度1任务创建创建任务，分配内存和资源，初始化任务状态。2任务调度根据优先级、时间片等因素，选择下一个要执行的任务。3任务切换保存当前任务的上下文，恢复下一个任务的上下文，切换到新任务执行。4信号量和互斥量信号量信号量用于控制对共享资源的访问。它是一个计数器，表示可用资源的数量。当一个任务需要访问资源时，它会尝试获取信号量。如果计数器大于零，则任务可以获取信号量并使用资源。否则，任务必须等待其他任务释放信号量。互斥量互斥量用于确保一次只有一个任务可以访问共享资源。它是一个二元信号量，表示资源是否被占用。当一个任务需要访问资源时，它会尝试获取互斥量。如果互斥量可用，则任务可以获取它并使用资源。否则，任务必须等待其他任务释放互斥量。消息队列和事件标志消息队列消息队列是进程间通信的一种机制，允许进程之间异步地传递数据。事件标志事件标志是一种同步机制，允许进程之间通过设置和清除标志来进行同步。内存管理1内存分配动态分配内存，满足运行时需求。2内存保护防止程序访问非法内存区域。3内存回收释放不再使用的内存，避免内存泄漏。4虚拟内存通过硬盘扩展内存容量，提高效率。嵌入式系统内存管理直接影响系统性能和可靠性。合理分配内存，保证程序正常运行，避免内存泄漏。时间管理时间概念时间是嵌入式系统中至关重要的资源，需要进行合理分配和管理。时钟源嵌入式系统通常使用晶振或外部时钟作为时间源，提供精确的计时基准。时间管理机制嵌入式操作系统提供了时间管理机制，如定时器、中断和系统时钟，用于控制时间流程。时间同步在多任务系统中，需要保证不同任务的时间同步，以协调工作和数据交换。嵌入式系统调试技术仿真调试利用仿真器模拟目标硬件环境，进行软件调试。仿真器提供更全面的控制，但性能略逊于目标硬件。目标板调试直接在目标硬件上进行调试，可以获得更接近真实运行环境的结果，但需要更加专业的硬件和软件工具。代码分析使用调试器跟踪代码执行流程，设置断点，观察变量值，帮助定位错误。日志记录在代码中添加日志记录语句，将运行信息记录到文件或串口，方便分析和排查问题。嵌入式软件工程实践11.项目