《嵌入式总复习》课件

《嵌入式系统总复习》全面掌握嵌入式系统的核心概念和基础知识,为后续更深入的学习和应用打下坚实基础。课程目标1掌握嵌入式系统的基本概念和特点了解嵌入式系统的定义、应用领域以及硬件和软件结构。2熟悉常见的嵌入式处理器架构重点分析ARM架构及其主要内核，如Cortex-A、Cortex-M等。3掌握嵌入式操作系统的基本原理包括实时操作系统和Linux操作系统在嵌入式领域的应用。4理解嵌入式系统的关键技术如中断管理、存储系统、输入输出接口、通信总线及电源管理等。嵌入式系统概述嵌入式系统是专门设计用于执行特定功能的计算机系统。它由硬件和软件两部分组成,广泛应用于工业控制、通信设备、交通运输等领域。与通用计算机系统相比,嵌入式系统通常体积小巧、功耗低、性能优异,能够快速、高效地完成特定任务。嵌入式系统概述定义嵌入式系统是融合硬件和软件的集成电子系统,专门为某些特定应用而设计,具有高度集成化和定制化的特点。特点专用性强,针对特定应用需求进行开发资源受限,包括CPU性能、存储空间等实时性要求高,能够快速响应外部事件可靠性要求高,需要抗干扰和故障保护嵌入式硬件和软件嵌入式硬件嵌入式硬件包括微处理器、存储器、I/O设备等。它们能够执行特定的功能,满足嵌入式系统的需求。嵌入式软件嵌入式软件包括操作系统、驱动程序和应用程序。它们能够控制和管理嵌入式硬件,完成各种功能。硬件软件协同设计嵌入式系统的硬件和软件需要紧密协作,才能发挥最大的性能和功能。嵌入式处理器CPU架构嵌入式处理器具有多种不同的CPU架构,如CISC、RISC和DSP。这些架构在指令集、内存访问方式和性能特点等方面各有不同。开发人员需要针对具体应用场景选择合适的处理器。ARM架构概述ARM是一种广泛应用于嵌入式系统的RISC架构,以其低功耗、高性能和成本效益等优势而广受欢迎。ARM拥有丰富的内核系列,可满足不同性能和功耗需求。CPU架构通用处理器通用CPU架构设计灵活、功能强大,广泛应用于各类计算设备。其核心采用经典的冯·诺伊曼结构,包括运算器、控制器和存储设备。专用处理器专用处理器针对特定应用进行优化设计,具有更高的能效和运算性能。嵌入式系统常采用专用处理器,如数字信号处理器(DSP)和图形处理器(GPU)。指令集架构CPU指令集体系结构定义了处理器能识别和执行的指令集,如CISC和RISC。不同架构在复杂度、执行效率等方面有所差异。流水线设计流水线技术可以提高CPU的吞吐率,将指令执行过程分为多个阶段,各阶段并行执行。这增加了电路复杂度但提高了性能。ARM架构概述ARM芯片架构ARM架构是一种广泛应用于嵌入式系统的精简指令集计算机(RISC)体系结构。它以低功耗、高性能和低成本著称,广泛应用于智能手机、平板电脑和物联网设备。ARM内核系列ARM内核包括Cortex-A(应用)、Cortex-R(实时)和Cortex-M(微控制器)等不同系列,针对不同的应用场景提供优化的处理能力和性能。ARM架构优势低功耗设计高性能处理能力广泛的应用领域丰富的生态系统常见ARM内核Cortex-M系列主要应用于低功耗微控制器和嵌入式系统,提供强大的实时响应能力。Cortex-A系列提供更强大的计算性能,常用于智能手机、平板电脑等高性能嵌入式设备。Cortex-R系列专注于实时性要求非常高的应用,例如工业自动化和汽车电子系统。ARM11、ARM9系列是较早期的ARM内核,较Cortex系列有更低功耗和成本,广泛应用于低端嵌入式设备。嵌入式操作系统实时操作系统实时操作系统能快速响应时间关键的任务,确保关键功能的及时执行,广泛应用于工业控制、汽车电子等领域。Linux操作系统Linux是一种开源、免费的操作系统,在嵌入式领域备受青睐,具有高度的灵活性和可定制性。常见嵌入式操作系统除了实时操作系统和Linux,WindowsEmbedded、VxWorks、QNX等也是常见的嵌入式操作系统选择。实时操作系统概述定义实时操作系统是一种能够在确定的时间内完成特定任务的操作系统。它要求系统响应时间和确定性更强,能够满足实时应用的时间要求。特点实时操作系统具有快速响应、确定性、可靠性等特点,广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗设备等领域。Linux操作系统1开源免费Linux是一种开源的操作系统,具有免费使用和修改的特点,非常适合嵌入式系统。2高度定制化Linux内核及其衍生版本可以根据嵌入式系统的特点进行定制优化,实现高度定制。3丰富的驱动支持Linux拥有大量的外围设备驱动程序,可以方便地集成到嵌入式系统中。4广泛的应用领域Linux被广泛应用于嵌入式系统、服务器、桌面等各种计算机领域。常见嵌入式操作系统Linux操作系统开源、免费、高度可定制的嵌入式操作系统，广泛应用于工业控制、通信设备和物联网设备。实时操作系统针对时间关键任务的实时性要求而开发的操作系统,如VxWorks、QNX和FreeRTOS。Android基于Linux内核的开源移动操作系统,广泛应用于智能手机、平板电脑和智能家居设备。其他系统包括微软WindowsEmbedded、eCos、Integrity等各种针对嵌入式系统的专用操作系统。中断机制中断概述中断是嵌入式系统中非常重要的特性。中断可以及时响应外部设备或内部状态的变化,提高系统的实时性和交互性。中断机制确保了系统的高效工作和快速响应。中断管理中断管理包括中断的优先级管理、嵌套中断处理、中断屏蔽等。合理的中断管理可以确保系统在关键事件发生时能够及时响应。常见中断源常见的中断源包括定时器中断、串口中断、I/O中断等。这些中断源涵盖了系统的各个关键模块,确保了系统的稳定运行。中断概述中断的定义中断是指当外部事件或内部事件发生时，CPU暂时中断当前执行的程序,转而处理中断服务程序的过程。中断的作用中断可以提高系统响应速度,实现异步输入输出,增强系统的实时性和可靠性。中断的类型中断可分为硬件中断和软件中断,硬件中断由外围设备发出,软件中断由程序指令引发。中断管理中断控制器中断控制器负责接收和管理来自多个外围设备的中断请求,并根据预先设置的优先级决定中断的处理顺序。中断优先级中断控制器会根据中断源的重要程度分配不同的优先级,确保关键中断得到及时处理。中断屏蔽通过中断屏蔽机制,可以暂时禁止特定中断源的中断请求,防止当前任务被过多中断打断。常见中断源1定时器中断用于程序周期性执行任务或操作系统调度等。2外部硬件中断如按键、传感器等周边设备触发的中断。3内部软件中断如除零错误、访问非法地址等CPU内部产生的中断。4DMA中断由直接存储器访问控制器产生的数据传输完成中断。嵌入式系统存储嵌入式系统需要各种类型的存储器来满足不同的功能需求。内存系统是嵌入式系统的核心,负责存储代码和数据,同时也为系统提供临时存储空间。存储器的选择和接口设计直接影响了嵌入式系统的性能和功能。除了主存储器外,嵌入式系统还需要非易失性存储器来保存关键数据和系统固件。不同存储器的性能、容量和成本特点决定了它们在嵌入式系统中的应用场景。存储器分类根据存储内容存储器可分为程序存储器和数据存储器。前者用于存放程序指令代码，后者用于存放运算数据。根据存储方式存储器可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。RAM可读写，ROM仅可读。根据存储介质存储器可分为半导体存储器、磁性存储器和光学存储器。半导体存储器集成度高，磁性存储器容量大，光学存储器再写次数多。根据存储特性存储器可分为易失性存储器和非易失性存储器。前者断电后数据丢失，后者断电后数据保留。存储器接口地址总线用于传输存储器地址，决定数据访问的具体位置。数据总线用于双向传输数据，读写操作都要通过它进行。控制总线用于传输控制信号，包括读写使能、时序控制等。常见存储器类型SRAM静态随机存取存储器,读取和写入速度快,但功耗高,通常用于缓存和高速存储.DRAM动态随机存取存储器,结构简单,集成度高,但需要定期刷新,通常用于主存储器.Flash存储器非易失性存储器,可电子擦除和重写,存储容量大,访问速度较慢,常用于嵌入式系统的存储.ROM只读存储器,内容固定不可更改,通常用于存储操作系统或固件程序.输入输出接口I/O接口概述嵌入式系统中的输入输出接口负责与外部设备进行数据交换。它包括各种硬件和软件层面的接口标准和设计。串行接口常见的串行接口包括UART、SPI、I2C等,用于低速、长距离通信。它们通常采用异步通信,具有简单、可靠的特点。并行接口并行接口如通用并行端口(Centronics)、总线接口等,用于高速、短距离通信。并行接口传输效率高,但线路复杂。I/O接口概述I/O接口功能I/O接口用于连接嵌入式系统和外部设备，实现数据输入输出和控制功能。I/O接口特点I/O接口需要考虑传输速率、兼容性、可靠性等关键指标。I/O接口管理需要有合适的I/O管理机制来分配、控制和协调I/O资源。串行接口串行接口概述串行接口是一种常见的嵌入式系统通信方式,通过串行数据传输线实现数据交换。与并行接口相比,串行接口具有较低的成本和布线复杂度。UART接口通用异步收发传输器(UART)是最常见的串行接口协议,广泛应用于嵌入式设备之间的数据通信。UART提供全双工、异步通信能力。SPI接口串行外设接口(SPI)是另一种流行的同步串行总线,常用于连接微控制器和外围设备。SPI采用主从结构,支持高速数据传输。并行接口1数据传输速度快并行接口可以同时传输多个数据位,相比串行接口具有更高的数据传输速度。2简单易实现并行接口的电路设计和软件编程相对简单,实现起来也更加容易。3适用范围广并行接口常用于外部设备的连接,如打印机、扫描仪等,应用非常广泛。4线缆较复杂并行接口需要更多的线缆来传输数据,线缆设计和布线较为复杂。通信总线通信总线是嵌入式系统中连接各个模块的重要部件之一。它提供了数据、地址和控制信号的传输通道,确保系统各部件之间的高效协作。常见的总线类型包括内存总线、外设总线以及系统总线等。总线具有不同的仲裁机制,如固定优先级、循环优先级和动态优先级等,确保多个设备访问总线的公平性和实时性。总线设计的优化对整个嵌入式系统的性能和可靠性至关重要。总线概述数据传输通道总线是计算机系统中负责数据传输的通道,连接各个部件并协调它们之间的通信。多元化结构总线可分为地址总线、数据总线和控制总线,结构和功能各不相同但相互配合。传输效率总线宽度、频率和仲裁机制等特性直接影响着系统的数据传输效率和性能。常见通信总线1PCI总线用于连接外围设备和主处理器,传输数据和地址信息。广泛应用于PC和工业设备。2CAN总线适用于汽车、工厂自动化等对实时性要求高的领域,提供高可靠的通信。3I2C总线一种简单且低成本的两线式串行总线,常用于连接微控制器和外围设备。4SPI总线全双工的串行总线,采用主从架构,用于连接微控制器和外围设备。通信总线总线仲裁机制总线通信需要一个仲裁机制来协调多个设备对总线资源的争用,确保公平高效的访问。常见的仲裁算法包括集中式仲裁、分布式仲裁和优先级仲裁。仲裁问题与解决总线上的多个设备如何避免总线冲突和数据丢失是仲裁机制需要解决的关键问题。通过合理的仲裁算法可以实现公平高效的总线资源分配。性能优化策略为了提高总线通信的性能,可以采用流水线技术、缓存机制、总线分层等方法。同时需要考虑功耗、实时性等因素进行全面的性能优化。硬件电源管理电源管理概念电源管理是嵌入式系统中非常重要的一环。通过合理的电源管理设计可以有效降低系统功耗,延长系统运行时间。这包括电源供给方案、动态电源控制、降压/关断未使用外设等技术。常见电源管理技术动态电压频率调节(DVFS)电源休眠与唤醒热量管理与动态散热电源管理概念节能优化电源管理系统通过动态调整处理器、内存和外围设备的功耗,有效降低整体系统的能耗,提高电池使用时间。热量管理合理的电源管理可以有效控制设备温度,防止过热导致的性能下降或硬件损坏。可靠性保障精准的电源监控和故障预警机制,能够提高嵌入式系统的可靠性和稳定性。功能优化根据用户需求和使用场景,灵活调整电源管理策略,为用户提供更优质的使用体验。常见电源管理技术动态电压与频率调整(DVFS)根据系统负载调整CPU频率和电压,以达到最佳功耗和性能平衡。休眠模式当系统闲置时,将其切换到休眠状态以降低功耗,并在需要时快速唤醒。电源管理IC专门的电源管理芯片可以精确控制和监控系统的电源供给,以实现更高效的电源管理。电源关闭策略根据系统使用情况,采用有选择性地关闭无用外设电源的策略。电源管理方案设计电源优化设计针对嵌入式系统的特点进行电源消耗分析,采用有效的电源管理策略,优化系统整体功耗。热量管理合理布局电路板件,采用散热设计,降低芯片工作温度,提高系统可靠性。多电源模式根据应用场景和工作负载动态调整系统的工作模式,采用休眠、待机等措施降低功耗。实时性分析实时性分析是嵌入式系统设计中的关键环节。它涉及对系统的响应时间、任务执行时间、资源利用率等指标进行严格的评估和测试。通过实时性分析，可以确保嵌入式系统能够在严格的时间约束下完成各项任务,满足实时性要求。这对于关键任务型嵌入式应用至关重要。实时性概念实时性实时性是指系统能在严格的时间约束内完成任务的能力。它确保系统能在期望的时间内做出响应，满足用户需求。时间约束实时系统需要遵循严格的时间约束,在最大响应时间内完成任务。否则会造成系统失效或产生严重后果。性能要求实时系统需要高度的性能和可靠性,确保在任何情况下都能按时完成任务,满足用户需求。任务调度算法1基于优先级的调度根据任务的优先级动态分配CPU资源,保证高优先级任务优先执行。2时间片轮转调度给每个就绪任务分配一个固定的时间片,循环执行,保证公平性。3最短作业优先调度选择执行时间最短的任务,提高整体系统吞吐量。4最短剩余时间优先调度选择剩余执行时间最短的任务,减少平均等待时间。时间性能分析响应时间分析评估嵌入式系统响应外部事件的时间延迟,确保满足实时性要求。处理时间分析测量执行特定任务或功能所需的处理时间,优化系统性能。资源占用分析分析系统资源如CPU、内存的使用情况,预防资源瓶颈发生。嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发包括需求分析、设计与实现、测试与调试等多个步骤。首先深入理解用户需求,确定系统功能和性能目标。然后进行详细设计并开发原型。最后通过全面测试验证系统是否满足需求,修复缺陷并优化性能。这一过程需要反复迭代,确保最终产品质量可靠。需求分析深入理解需求仔细收集用户需求,了解系统的功能、性能、可靠性等各方面要求,并对需求进行全面分析,确保设计满足实际需求。文档化需求规范将需求信息系统地记录下来,形成详细的需求规范文档,为