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架構 - 嵌入式技術

考點摘要

• 嵌入式系統(tǒng)概述（★）
• 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計（★）
• 嵌入式硬件（★★）
• 嵌入式操作系統(tǒng)（★★★★）
• 嵌入式數(shù)據(jù)庫（★）

嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)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、體積和功耗等方面的要求，集可配置可裁減的軟、硬件于一體的專用計算機系統(tǒng)?！久嫦蛱囟I域】

主要由嵌入式硬件平臺，相關的嵌入式硬件，嵌入式操作系統(tǒng)，支撐軟件以及應用軟件所組成。嵌入性、專用性和計算機系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的三個核心要素。

嵌入式系統(tǒng)具有以下特點：

• 規(guī)模較小。
• 開發(fā)難度大。
  • 硬件資源有限。
  • 嵌入式軟件一般涉及到底層軟件的開發(fā)，需要軟、硬件基礎。
  • 開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境不同。
• 實時性和可靠性要求高。如火箭飛行控制、核電站。
• 要求固化存儲。

硬件抽象層，是位于操作系統(tǒng)內核與硬件電路之間的接口層，其目的在于將硬件抽象化。它隱藏了特定平臺的硬件接口細節(jié)，隱藏硬件的多樣性，將操作系統(tǒng)與硬件平臺隔開，使軟硬件的設計與調試可以并行，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺，使其具有硬件無關性，可在多種平臺上進行移植。

在嵌入式系統(tǒng)中，板級支持包（BSP）是對硬件抽象層的實現(xiàn)，是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，它主要的功能是給上層提供統(tǒng)一接口，同時屏蔽各種硬件底層的差異，以及提供操作系統(tǒng)的驅動、硬件初始化（加載bootloader）和驅動。

從傳統(tǒng)意義上講，嵌入式系統(tǒng)主要由以下部件組成：

• 嵌入式微處理器（MCU）
• 存儲器（RAM/ROM）
• 內(外）總線邏輯
• 定時/計數(shù)器
• 看門狗電路：定時器溢出則中斷，系統(tǒng)復位處理。
• I/O接口（串口、網(wǎng)絡、USB、JTAG接口 - 用來進行CPU調試的常用接口）
• 外部設備（UART、LED等）
• 其他部件

根據(jù)系統(tǒng)對時間的敏感程度可將嵌入式系統(tǒng)劃分為：

• 嵌入式系統(tǒng)
• 嵌入式實時系統(tǒng)
  • 強實時系統(tǒng)
  • 弱實時系統(tǒng)

從安全性要求看，嵌入式系統(tǒng)劃分為：

• 安全攸關系統(tǒng)
• 非安全攸關系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計

嵌入式軟件的開發(fā)與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法存在比較大的差異，主要表現(xiàn)在以下方面：

• 嵌入式軟件開發(fā)是在宿主機（PC機或工作站）上使用專門的嵌入式工具開發(fā)，生成二進制代碼后，需要使用工具卸載到目標機或固化在目標機儲存器上運行。
• 嵌入式軟件開發(fā)時更強調軟/硬件協(xié)同工作的效率和穩(wěn)定性。
• 嵌入式軟件開發(fā)的結果通常需要固化在目標系統(tǒng)的儲存器或處理器內部儲存器資源中。
• 嵌入式軟件的開發(fā)一般需要專門的開發(fā)工具、目標系統(tǒng)和測試設備。
• 嵌入式軟件對實時性的要求更高。
• 嵌入式軟件對安全性和可靠性的要求較高。
• 嵌入式軟件開發(fā)是要充分考慮代碼規(guī)模。
• 在安全攸關系統(tǒng)中的嵌入式軟件，其開發(fā)還應滿足某些領域對設計和代碼審定。
• 模塊化設計即將一個較大的程序按功能劃分成若干程序模塊，每個模塊實現(xiàn)特定的功能。

交叉開發(fā)環(huán)境

軟硬件協(xié)同設計

嵌入式軟件移植

嵌入式軟件設計需要考慮可移植性以保障軟件良好的可移植性。

無操作系統(tǒng)的軟件移植

有操作系統(tǒng)的軟件移植

低功耗設計

嵌入式系統(tǒng)設計一般要考慮功耗問題，低功耗設計是嵌入式系統(tǒng)設計中的難點，是一個系統(tǒng)化的綜合問題，必須從軟件和硬件兩個方面全面考慮：

• 基于硬件的低功耗
  • 板級電路低功耗設計
  • 選擇低功耗處理器
  • 總線的低功耗設計
  • 接口驅動電路的設計
  • 分區(qū)分時供電技術
• 基于軟件的低功耗
  • 編譯優(yōu)化技術
  • 軟件與硬件的協(xié)同設計
  • 用“中斷”代替“查詢”
  • 減少系統(tǒng)化的持續(xù)運行時間，從算法上優(yōu)化
  • 進行電源的有效管理

嵌入式硬件

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了五個階段：

• 第一階段，單片微型計算機（SCM）階段，即單片機時代。
• 第二階段，微控制器（MCU）階段。
• 第三階段，片上系統(tǒng)（SoC） 。
• 第四階段，以Internet為基礎的嵌入式系統(tǒng)。
• 第五階段，在智能化、云技術推動下的嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式微處理器

通常嵌入式處理器需要根據(jù)不同的使用場景選擇不同類型的處理器，從處理器分類看，大致可分為MPU、MCU、DSP、GPU、SoC等。

1. 嵌入式微控制器（MCU：Micro Controller Unit），又稱為單片機，片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，特點是體積小從而使功耗和成本下降。

2. 嵌入式微處理器（EMPU：Embedded Micro Processing Unit），又稱為單板機，由通用計算機中的CPU發(fā)展而來，僅保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件。

3. 嵌入式DSP處理器（DSP：Digital signal Processor），專門用于信號處理方面的處理器，使用的哈弗體系結構，可以并行執(zhí)行多個操作，有強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度。

4. 嵌入式片上系統(tǒng)（SoC），追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件。

   追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件。

   它是一個產(chǎn)品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內容。

   同時它又是一種技術，用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設計的整個過程。

   成功實現(xiàn)了軟硬件的無縫結合，直接在微處理器片內嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。

   減小了系統(tǒng)的體積和功耗、提高了可靠性和設計生產(chǎn)效率。

   狹義角度：信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關鍵部件集成在一塊芯片上。

   廣義角度：SoC是一個微小型系統(tǒng)，如果說中央處理器（CPU）是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。

   國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器（或片外存儲控制接口）集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標準產(chǎn)品。

5. 圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）：

   GPU是圖形處理單元的縮寫，是一種可執(zhí)行渲染3D圖形等圖像的半導體芯片（處理器）。

   GPU可用于個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備上做圖像和圖形相關運算工作的微處理器。

   它可減少對CPU的依賴，并執(zhí)行部分原本屬于CPU的工作，尤其是在3D圖形處理中，GPU采用了核心技術（如：硬件T&L、紋理壓縮等）保證了3D快速渲染的能力。

   GPU目前已廣泛應用于各行各業(yè)，GPU中集成了同時運行在GHz的頻率上的成千上萬個core，可以高速處理圖像數(shù)據(jù)。最新的GPU峰值性能可高達100TFlops以上。

人工智能芯片

人工智能（Artificial Intelligence，Al）芯片的定義：

從廣義上講只要能夠運行人工智能算法的芯片都叫作AI芯片。但是通常意義上的Al芯片指的是針對人工智能算法做了特殊加速設計的芯片，現(xiàn)階段，這些人工智能算法一般以深度學習算法為主，也可以包括其他機器學習算法。

人工智能芯片四大類（按技術架構分類）：

• GPU
• FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）
• ASIC（專用集成電路）
• 類腦芯片

AI芯片的關鍵特征：

• 新型的計算范式：AI計算既不脫離傳統(tǒng)計算，也具有新的計算特質。
• 訓練和推斷：AI系統(tǒng)通常涉及訓練和推斷過程。
• 大數(shù)據(jù)處理能力：滿足高效能機器學習的數(shù)據(jù)處理要求。
• 數(shù)據(jù)精度：降低精度的設計。
• 可重構的能力：針對特定領域而不針對特定應用的設計，可以通過重新配置，適應新的AI算法、架構和任務。
• 開發(fā)工具：Al芯片需要軟件工具鏈的支持。

微處理器體系結構

馮·諾依曼結構

馮·諾依曼結構也稱普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結構。

特點：

• 一般用于PC處理器，如l3，I5，I7處理器
• 指令與數(shù)據(jù)存儲器合并在一起（程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間）
• 指令與數(shù)據(jù)都通過相同的數(shù)據(jù)總線傳輸（單一的地址及數(shù)據(jù)總線）
• 串行執(zhí)行，在傳輸上會出現(xiàn)瓶頸

哈佛結構（嵌入式）

哈佛結構是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結構。哈佛結構是一種并行體系結構，它的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的存儲器,每個存儲器獨立編址、獨立訪問。

特點：

• 一般用于嵌入式系統(tǒng)處理器（DSP）
• 指令與數(shù)據(jù)分開存儲，可以并行讀取，有較高的數(shù)據(jù)吞吐率（程序和數(shù)據(jù)采用不同的存儲空間）
• 有4條總線，指令和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線（獨立的地址及數(shù)據(jù)總線）
• 并行執(zhí)行，提高速度

嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）

嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，EOS）是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源分配、任務調度、控制、協(xié)調并行活動等工作。通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。

嵌入式操作系統(tǒng)具有一般操作系統(tǒng)的功能，同時具有嵌入式軟件的特點，主要有：

• 非通用型操作系統(tǒng)，微型化，EOS的運行平臺不是通用計算機，而是嵌入式系統(tǒng)
• 代碼質量高
• 專業(yè)化（處理器專用），高適應性和移植性，支持多種開發(fā)平臺
• 在性能和實時性方面可能有嚴格的限制，實時性強
• 能源、成本和可靠性通常是影響設計的重要因素
• 占用資源少
• 可剪裁、可配置
• 硬件與軟件結合度高，軟硬件依賴強，硬件和軟件結合度高

分類

按照系統(tǒng)對響應時間的敏感程度，可以分為：

• 硬實時系統(tǒng)，系統(tǒng)對響應時間有嚴格要求，若響應時間不能滿足，是絕對不允
  許的，會引起系統(tǒng)的崩潰或致命的錯誤
• 軟實時系統(tǒng)，系統(tǒng)對響應時間有要求，若響應時間不能滿足，會帶來額外可接
  受的代價
• 非實時系統(tǒng)，響應時間沒有嚴格要求。如分時操作系統(tǒng)，基于公平性原則,各進程分享處理器,獲得大致相同的運行時間

按軟件體系結構，可以分為：

• 單體結構
• 分層結構
• 微內核結構
• 以上3類嵌入式操作系統(tǒng)的差異體現(xiàn)在：
  • 內核的設計，內核中包含的功能組件
  • 在系統(tǒng)中集成的其他系統(tǒng)軟件

單體結構

單體結構（Monolithic）：是一種常見的組織結構。

• 中間件和設備驅動程序通常集成在系統(tǒng)內核中。
• 系統(tǒng)只有一個可執(zhí)行文件，包含所有功能組件，功能模塊可相互調用。
• 如Linux、Jbed RTOS、μC/OS、PDOS。

分層結構

分層結構（Layered）：操作系統(tǒng)被劃分為若干個層次，各個層次之間的調用關系是單向的，即某一層次上的代碼只能調用比它低層的代碼。

微內核結構

微內核結構，也稱客戶/服務（client/server）結構

在內核中，把操作系統(tǒng)的大部分功能都剝離出去，只保留最核心的功能單元（如進程管理、存儲管理）。

如：OS-9、C Executive、VxWorks和QNX等。

微內核（Micro kernel）是提供操作系統(tǒng)核心功能的內核的精簡版本，它設計成在很小的內存空間內增加移植性，提供模塊化設計，以使用戶安裝不同的接口。

微內核：盡可能把內核做的小一點。

微內核結構由一個非常簡單的硬件抽象層和一組比較關鍵的原語或系統(tǒng)調用組成。這些原語僅僅包括了建立一個系統(tǒng)所需的幾個部分。微內核的目標是將系統(tǒng)服務的實現(xiàn)和系統(tǒng)的基本操作規(guī)則分離開來。一個服務組件的失效并不會導致整個系統(tǒng)的崩潰，內核需要做的，僅僅是重新啟動這個組件，而不必影響其他的部分。

微內核系統(tǒng)十分適用于嵌入式的專用系統(tǒng)，對于通用性較廣的系統(tǒng)，將使CPU的通信開銷量變大，從而影響運行速度。

微內核技術的主要優(yōu)點：統(tǒng)一的接口，可伸縮性好，實時性好，可移植性好，安全可靠性高，支持分布式系統(tǒng)，真正面向對象的操作系統(tǒng)。

實時操作系統(tǒng)（RTOS）

當外界時間或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度處理，其處理的結果又能在規(guī)定的時間之內來控制生產(chǎn)過程或對處理系統(tǒng)做出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調一致運行的嵌入式操作系統(tǒng)。

工業(yè)控制，軍事設備，航空航天等領域對系統(tǒng)的相應時間有苛刻的要求，這就需要使用嵌入式實時系統(tǒng)，能提供及時響應與高可靠性是主要特點。具體分為：

• 硬實時操作系統(tǒng)，在規(guī)定時間內必須完成操作
• 軟實時操作系統(tǒng)，按照任務優(yōu)先級完成即可

嵌入式實時操作系統(tǒng)實時性的評價指標：

• 任務切換時間
• 中斷處理相關的時間指標
  • 中斷延遲時間
  • 中斷響應時間
• 系統(tǒng)響應時間（對用戶的輸入或請求作出反應的時間）
• 信號量混洗時間（指從一個任務釋放信號量到另一個等待該信號量的任務被激活的時間延遲）

嵌入式實時操作系統(tǒng)多任務調度算法：

• 優(yōu)先級調度算法，分配一個相對固定的優(yōu)先順序，然后調度程序根據(jù)優(yōu)先級的高低排序，按時間順序進行高優(yōu)先級任務優(yōu)先調度。（非搶占式）
• 搶占式優(yōu)先級調度算法，是在優(yōu)先級調度算法基礎上，允許高優(yōu)先級任務搶占低優(yōu)先級任務而運行。
• 時間輪轉調度算法，調度程序會依次調度每個任務運行一個小的時間片，然后再調度另一個任務。每個任務運行完一個時間片，無論是否結束都會釋放CPU讓下一個任務運行。（純粹的時間輪轉調度無法滿足實時系統(tǒng)的要求，取而代之的是基于優(yōu)先級的搶占式時間輪轉調度）
• 最晚截止期調度算法，指調度程序按每個任務的最接近其截止期末端的時間進行調度。
• 最早截止期調度算法，指調度程序按每個任務的截止期時間，選擇最早到截止期頭端時間的任務進行調度。

在RTOS中，大多數(shù)的RTOS調度算法都是搶占式的。

常見的嵌入式RTOS（實時操作系統(tǒng)，Real-Time Operating System）vxWorks、RT-Linux、QNX、pSOs。

鴻蒙操作系統(tǒng)

鴻蒙（Harmony OS）整體采用分層的層次化設計，從下向上依次為：內核層、系統(tǒng)服務層、框架層和應用層。系統(tǒng)功能按照“系統(tǒng)” - “子系統(tǒng)” - “功能/模塊”逐級展開，在多設備部署場景下，支持根據(jù)實際需求裁剪某些非必要的子系統(tǒng)或功能/模塊。

鴻蒙（Harmony OS）操作系統(tǒng)架構具有4個技術特性：

（1）分布式架構首次用于終端OS，實現(xiàn)跨終端無縫協(xié)同體驗

HarmonyOS的“分布式OS架構”具有分布式軟總線、分布式數(shù)據(jù)管理、分布式任務調度和虛擬外設等4大能力，將相應分布式應用的底層技術實現(xiàn)難點對應用開發(fā)者屏蔽，使開發(fā)者能夠聚焦自身業(yè)務邏輯，像開發(fā)同一終端一樣開發(fā)跨終端分布式應用，也使最終消費者享受到強大的跨終端業(yè)務協(xié)同能力為各使用場景帶來的無縫體驗。

（2）確定時延引擎和高性能IPC技術實現(xiàn)系統(tǒng)天生流暢

確定時延引擎可在任務執(zhí)行前分配系統(tǒng)中任務執(zhí)行優(yōu)先級及時限進行調度處理，優(yōu)先級高的任務資源將優(yōu)先保障調度，應用響應時延降低25.7%。鴻蒙微內核結構小巧的特性使lPC（進程間通信）性能大大提高，進程通信效率較現(xiàn)有系統(tǒng)提升5倍。

（3）基于微內核架構重塑終端設備可信安全

HarmonyOS采用全新的微內核設計，擁有更強的安全特性和低時延等特點。

HarmonyOS架構的系統(tǒng)安全性主要體現(xiàn)在搭載HarmonyOS的分布式終端上，可以保證“正確的人，通過正確的設備，正確地使用數(shù)據(jù)”。這里通過“分布式多端協(xié)同身份認證”來保證“正確的人”，通過“在分布式終端上構筑可信運行環(huán)境”來保證“正確的設備”，通過“分布式數(shù)據(jù)在跨終端流動的過程中，對數(shù)據(jù)進行分類分級管理”來保證“正確地使用數(shù)據(jù)”。

（4）通過統(tǒng)一IDE支撐一次開發(fā)，多端部署,實現(xiàn)跨終端生態(tài)共享

嵌入式數(shù)據(jù)庫（EDBMS）

嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)稱為嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

嵌入式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般只提供本機服務接口，為前端應用提供基本的數(shù)據(jù)支持。

嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也稱為移動式數(shù)據(jù)庫或者嵌入式移動數(shù)據(jù)庫。它存在的目的就是解決移動計算環(huán)境下的數(shù)據(jù)管理問題。移動數(shù)據(jù)庫是移動計算環(huán)境中的分布式數(shù)據(jù)庫。

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相比，嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有以下幾個主要特點：

• 嵌入式
• 實時性
• 移動性
• 伸縮性

在嵌入式系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫的原因：

• 所有的應用都需要重復的進行數(shù)據(jù)的管理工作
• 各應用之間的數(shù)據(jù)共享性能
• 應用軟件的獨立性，可移植性差，可重用性低

嵌入式數(shù)據(jù)庫使用環(huán)境的特點：

• 設備隨時的移動性
• 網(wǎng)絡頻繁斷接
• 網(wǎng)絡條件多樣化
• 通信能力不對稱

市場上常見的嵌入式數(shù)據(jù)庫：

• Berkeley DB（開源，商用收費，支持讓數(shù)千的并發(fā)線程同時操作數(shù)據(jù)）
• SQLite（開源，商用免費）
• Empress（商業(yè)數(shù)據(jù)庫）
• eXtremeDB（嵌入式內存數(shù)據(jù)庫，針對實時系統(tǒng)進行了優(yōu)化）

按照數(shù)據(jù)庫存儲位置的不同而進行分類是目前廣泛采用的分類方法，它可以劃分為三類：

基于內存方式（Main Memory Database System，MMDB）

基于文件方式（File Database，F(xiàn)DB）

基于網(wǎng)絡方式（Netware Database，NDB）

關于嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-491856.html

• 實際上，嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫是把功能強大的遠程數(shù)據(jù)庫映射到本地數(shù)據(jù)庫，使嵌入式設備訪問遠程數(shù)據(jù)庫就像訪問本地數(shù)據(jù)庫一樣方便。
• 嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫主要由三部分組成：客戶端、通信協(xié)議和遠程服務器?？蛻舳酥饕撠熖峁┙涌诮o嵌入式程序，通信協(xié)議負責規(guī)范客戶端與遠程服務器之間的通信還需要解決多客戶端的并發(fā)問題，遠程服務器負責維護服務器上的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。
• 這里要說明的是，由嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫、嵌入式本地數(shù)據(jù)庫（內存或文件）和嵌入式Web服務器等構成了綜合的嵌入式綜合信息系統(tǒng)。

到了這里，關于【新版】系統(tǒng)架構設計師 - 嵌入式技術的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！