嵌入式系统与软件(2)
嵌入式系统设计中的硬件与软件协同开发指南
嵌入式系统设计中的硬件与软件协同开发指南嵌入式系统设计是将计算机系统嵌入到设备或产品中，以完成特定的功能。
在嵌入式系统设计过程中，硬件与软件之间的协同开发是至关重要的。
本文将介绍硬件与软件协同开发的指南，包括硬件与软件设计的基本原则、协同开发的方法以及常见的开发工具和技术。
一、硬件与软件设计的基本原则1. 设计目标明确：在开始硬件与软件协同开发之前，明确设计的目标和功能，确保开发过程能够有针对性地进行。
2. 硬件与软件的分工合作：确定硬件与软件之间的功能划分和接口定义，确保两者能够有效地协同工作。
3. 通信性能和可靠性：在设计过程中，应该重视硬件与软件之间的通信性能和可靠性，包括数据传输速度、数据完整性、时序控制等。
4. 硬件的可扩展性和适应性：设计时应该考虑硬件的可扩展性和适应性，即在未来需求变化时能够方便地进行升级和改进。
5. 可测试性和可维护性：在设计硬件和软件时，应考虑到测试和维护的需求，提供相应的调试和故障排除的接口和手段。
二、硬件与软件协同开发的方法1. 并行开发：硬件与软件的开发应该并行进行，而不是线性顺序。
这样可以加快开发进度，减少后期修改的工作量。
2. 接口协议的定义：硬件与软件之间的接口应该事先定义清楚，包括接口电气特性、协议和通信方式等，并对接口进行一定的验证和测试。
3. 嵌入式系统仿真：使用嵌入式系统仿真工具，如ModelSim和QEMU等，可以加速硬件和软件的调试过程，并提前发现问题。
4. 封装与集成：硬件和软件的封装与集成应该在整个开发过程中密切协作，确保硬件和软件能够无缝地集成到最终产品中。
5. 迭代开发：在硬件和软件的设计过程中，应该采用多次迭代的方式，进行逐步优化和改进，以达到更好的性能和功能。
三、常见的开发工具和技术1. 软件开发工具：常用的软件开发工具包括编译器、调试器、性能分析工具等。
例如，对于嵌入式系统的软件开发，常用的工具有Keil、IAR Embedded Workbench和Eclipse等。
嵌入式系统开发中的软硬件集成方法与技巧总结
嵌入式系统开发中的软硬件集成方法与技巧总结嵌入式系统的开发涉及软硬件两个方面的集成，软硬件集成是保证嵌入式系统正常运行的重要环节。
在开发过程中，如何优化软硬件的集成，提高系统的性能和稳定性是开发者关注的焦点。
本文将总结嵌入式系统开发中的软硬件集成方法与技巧，帮助开发者更好地完成系统集成工作。
一、系统设计阶段的集成方法与技巧1.明确系统需求：在系统设计阶段，开发者需要明确系统的功能需求和性能指标，包括处理器性能、存储容量、接口数量等。
根据需求的具体要求，选择合适的硬件平台和软件开发工具，以便更好地实现系统集成。
2.考虑软硬件接口设计：在软硬件集成中，软硬件接口的设计至关重要。
开发者应该在设计阶段考虑到硬件接口和软件接口之间的兼容性，确保数据的正确传输和处理。
3.制定规范和标准：为了保证软硬件集成的一致性和稳定性，开发者应该制定规范和标准，统一软硬件集成方案。
这样可以减少错误和冲突，提高开发效率和集成质量。
二、软硬件编程阶段的集成方法与技巧1.并行开发：软硬件集成是一个复杂的过程，需要软硬件工程师紧密合作。
为了提高开发效率，可以采用并行开发的方式，即并行进行硬件设计和软件编程。
在开发过程中，软硬件工程师可以相互协调，及时解决接口问题，保证软硬件的兼容性和稳定性。
2.调试与测试：软硬件集成后，需要进行调试和测试。
开发者可以利用调试工具和测试设备，定位和解决软硬件集成中的问题。
同时，注重日志记录和错误追踪，方便问题的排查和修复。
3.模块化设计与重用：为了提高软硬件集成的效率，开发者应该采用模块化设计和重用的方法。
通过将软件和硬件功能分解为模块，可以降低集成的难度，提高代码和设计的重用性。
4.代码规范与审查：在软硬件编程阶段，开发者应该遵循代码规范，并进行代码审查。
这样可以减少错误和冲突，提高代码的可读性和可维护性。
三、系统集成与应用阶段的集成方法与技巧1.软硬件并行调试：在系统集成与应用阶段，开发者需要进行软硬件并行调试。
嵌入式系统-2-嵌入式软件基础
嵌入式软件体系结构
无操作系统的体系结构--轮询结构
轮询结构是最简单的结构，程序一次检查每个I/O设备，并且为需要服 务的设备提供服务。
特点：没有中断，没有共享数据，无须考虑延迟时间。例如在数字万用表中 用于连续的测量并可改变显示的内容。
缺点： • 如果一个设备需要比微处理器在最坏情况下完成一个循环的时间更短的响
嵌入式系统
第一部分 嵌入式系统基础
1.3 嵌入式系统软件基础
嵌入式软件分类 嵌入式软件体系结构 嵌入式软件开发 嵌入式软件开发实例
嵌入式软件分类
嵌入式软件
单线程程序
• 分支多 • 技术差系统
多任务系统
单机多任务系统
分布式系统
• 操作系统： Linux、μC/OS-II/III、VxWorks、Android、IOS、WinCE • 硬件平台： ARM、单片机、FPGA、DSP、POWERPC、XScale • 编程语言： C、C++、Object-C、Java、汇编
缺点：若某个较低优先级的运行时间较长，就有可能 影 响较高优先级函数的响应时间。
嵌入式软件体系结构
无操作系统的体系结构--有限状态机 （FSM，Finite State Machine）
控制门状态的有限状态机示意图：
优点： • 对小系统便于编程和理解。 • 以快速执行。 • 只是通过改变输出功能来改变机器的响应。
缺点：所有的任务代码以同样的优先级来执行。
嵌入式软件体系结构
无操作系统的体系结构--函数队列调度结构
在这种结构中,中断程序在一个函数指针队列中添加 一个函数指针,以供程序调用,主程序仅需要从该队列中读 取相应的指针并且调用相关的函数。
优点：该结构没有规定主程序必须按中断程序发生的顺序 来调用函数，主函数可以根据任何达到目的的优先级方案 来调用函数，这样人和需要更快响应的任务代码都可以被 更早地执行。
什么是嵌入式
什么是嵌入式嵌入式有两种理解，一种理解是“嵌入式技术”，它指的是执行专用功能的一种技术手段；另一种理解是“嵌入式系统”，它指的是一个由硬件和软件组成并且能够独立进行运作的器件。
而在这两者之上，则衍生出了各种应用嵌入式的行业。
1、嵌入式技术：嵌入式技术执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统。
利用嵌入式技术的系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，用术语表示就是固件（firmware），终端用户很难或者不可能改变固件。
2、嵌入式系统：嵌入式系统的定义是“以应用为中心，以现代计算机技术为基础，能够根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软硬件模块的专用计算机系统。
”从应用对象上加以定义，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还能够涵盖机械等附属装置。
通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。
实际上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包括操作系统，但大部分嵌入式系统均是由单独程序实现整体控制逻辑。
3、嵌入式开发大体分为四个方向：（1）嵌入式硬件开发：需要熟悉电路等知识，熟悉各种常用元器件，掌握模拟电路和数字电路设计的开发能力。
（2）嵌入式驱动开发：需要熟练掌握Linux操作系统、系统结构、计算机组成原理、数据结构相关知识。
熟悉嵌入式ARM开发，至少掌握Linux字符驱动程序开发。
（3）嵌入式系统开发：需要掌握Linux系统配置，精通处理器体系结构、编程环境、指令集、寻址方式、调试、汇编和混合编程等方面的内容；掌握Linux 文件系统制作，熟悉各种文件系统格式(YAFFS2、JAFFS2、RAMDISK 等)等。
（4）嵌入式软件开发：需要精通Linux操作系统的概念和安装方法等、掌握面向对象编程的基本思想，以及C++语言的基础内容;精通嵌入式Linux下的程序设计，精通嵌入式Linux开发环境，包括系统编程、文件I/O、多进程和多线程、网络编程、GUI图形界面编程、数据库;熟悉常用的图形库的编程，如QT、GTK、miniGUI、fltk、nano-x等。
嵌入式系统中的硬件设计与嵌入式软件开发
嵌入式系统中的硬件设计与嵌入式软件开发嵌入式系统是一种为特定应用领域设计的计算机系统，它通常用于工业控制、汽车电子、医疗电子、家电控制等领域。
嵌入式系统中的硬件设计和嵌入式软件开发是嵌入式系统开发的两个重要方面，本文将从这两个方面对嵌入式系统进行探讨。
一、嵌入式系统中的硬件设计嵌入式系统中的硬件设计是指对嵌入式系统中的电路图、原理图、PCB布局等进行设计和调试的过程。
嵌入式系统中的硬件设计需要涉及的内容包括：1. 电路设计：电路设计是嵌入式系统硬件设计的核心，它涉及到各种电子元器件的选择、电路图的设计、模拟仿真、PCB布局等。
电路设计的关键是要考虑嵌入式系统的实际工作环境、所需功能等因素，确保电路可靠性和稳定性。
2. PCB设计：PCB设计（Printed Circuit Board，印刷电路板设计）是指将电路设计的原理图转化为可生产的PCB板的布局设计。
PCB设计中需要进行线路布局、电源地贯通、干扰抑制等操作，以保证电路板的性能和可靠性。
3. 器件选型：嵌入式系统中需要选用许多电子元器件，包括微控制器、传感器、电源、连接器等。
在器件选型时需要考虑器件性能、价格、可获得性等因素，确保系统的性能和稳定性。
嵌入式系统中的硬件设计是一个比较复杂和重要的工作，需要设计人员具有扎实的电子技术知识和多年的实践经验。
二、嵌入式软件开发嵌入式软件开发是指在嵌入式系统中实现各种功能的软件开发过程。
嵌入式软件开发需要涉及的内容包括：1. 系统架构设计：系统架构是嵌入式软件开发的关键，它涉及到系统的软硬件接口、系统功能的划分、任务的分配等。
系统架构的设计需要结合系统的硬件设计情况和要实现的应用功能，同时需要综合考虑性能、可靠性、安全性等因素。
2. 软件编程：软件编程是嵌入式软件开发的核心，它涉及到基本的编程语言、实时操作系统（RTOS）的使用、调试和优化等。
在嵌入式软件开发中最常用的编程语言是C语言和汇编语言，在实时操作系统选择上需要使用嵌入式系统专用的RTOS，如uCOS、FreeRTOS等。
电子科学与技术嵌入式方向(二)2024
电子科学与技术嵌入式方向（二）引言概述：电子科学与技术嵌入式方向是一个高科技领域，随着科技的进步和物联网的发展，嵌入式系统在各个行业的应用越来越广泛。
本文将从硬件设计、软件开发、系统测试、应用领域和发展趋势五个大点阐述电子科学与技术嵌入式方向的重要性和相关知识。
正文：一、硬件设计1. 嵌入式系统硬件设计的基本原理和流程2. 嵌入式系统硬件设计中常用的数字电路和模拟电路的设计技术3. 嵌入式系统硬件设计中的电源管理和时钟电路设计4. 嵌入式系统硬件设计中的封装和布线技术5. 嵌入式系统硬件设计中的低功耗设计和EMI/EMC设计二、软件开发1. 嵌入式系统软件开发的基本原理和流程2. 嵌入式系统软件开发中的嵌入式操作系统和实时操作系统3. 嵌入式系统软件开发中的驱动程序和中间件开发4. 嵌入式系统软件开发中的编程语言和开发工具选择5. 嵌入式系统软件开发中的调试和优化技术三、系统测试1. 嵌入式系统测试的基本原理和流程2. 嵌入式系统测试中的静态测试和动态测试技术3. 嵌入式系统测试中的单元测试和集成测试技术4. 嵌入式系统测试中的性能测试和可靠性测试技术5. 嵌入式系统测试中的自动化测试和持续集成技术四、应用领域1. 嵌入式系统在智能家居中的应用2. 嵌入式系统在智能交通中的应用3. 嵌入式系统在医疗设备中的应用4. 嵌入式系统在工业控制中的应用5. 嵌入式系统在军事和航天领域中的应用五、发展趋势1. 嵌入式系统在人工智能和机器学习中的应用2. 嵌入式系统在物联网和云计算中的应用3. 嵌入式系统在5G通信中的应用4. 嵌入式系统在自动驾驶和智能制造中的应用5. 嵌入式系统在可穿戴设备和虚拟现实中的应用总结：电子科学与技术嵌入式方向是一个综合性强、应用范围广的领域。
从硬件设计、软件开发、系统测试、应用领域和发展趋势五个大点的讨论中可以看出，嵌入式系统的应用前景非常广阔，需要具备深厚的技术功底和时刻了解最新的技术动向。
嵌入式系统第一章 嵌入式系统概述
• DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100， DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。
• 另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结 构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，应 用目标是大批量消费类产品。
• 第一章 嵌入式系统概述
• 嵌入式处理器 ——嵌入式片上系统(SOC)
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的 迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代 已来临，这就是System On Chip(SOC)。
•各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许 多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的 器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。
CPU（中央处理单元）
输入设备
运算器
输出设备
控制器
存储器
CPU
单片机工作支撑模块
数据存储器
程序存储器
其他模块
内部总线
定时/计数器模块 串行通讯接口 A/D转换模块 D/A转换模块 通用I/O模块
第一章 嵌入式系统概述
1.2嵌入式系统基本构成
• 硬件系统
• CPU • 存储器 • 模拟前向通路 • 模拟后向通路 • 数字输入 • 数字输出 • 人机界面 • 通信系统 • 电源系统
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总 线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也 较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。
嵌入式系统开发与应用
嵌入式系统开发与应用嵌入式系统开发与应用是现代科技领域的重要组成部分，它涵盖了从底层硬件设计到高层软件开发的一系列技术和方法。
嵌入式系统广泛应用于诸多领域，如消费电子、工业控制、汽车电子、医疗设备等。
本文将介绍嵌入式系统开发的基本概念、应用领域以及未来发展趋势。
一、嵌入式系统开发的基本概念嵌入式系统是指嵌入在其他设备或系统中，具有特定功能的计算机系统。
与传统计算机系统相比，嵌入式系统通常具有体积小、功耗低、成本低的特点。
嵌入式系统的核心是微处理器（如ARM、MIPS等）或微控制器（如8051、STM32等），以及与之配套的外设（如存储器、输入输出接口等）。
嵌入式系统开发的关键是将硬件与软件紧密集成，以实现特定功能。
硬件开发主要包括电路设计、PCB设计、嵌入式软件开发者对硬件的控制，以及常用的传感器、执行器和通信接口的选型和集成。
软件开发主要包括操作系统的选择和裁剪、驱动程序的编写、应用程序的开发，以及与硬件之间的交互和通信。
二、嵌入式系统的应用领域1. 消费电子：嵌入式系统广泛应用于智能手机、平板电脑、智能电视等消费电子产品。
这些设备要求高性能、低功耗以及良好的用户体验。
嵌入式系统在这些设备中的作用是负责处理各类用户操作、数据处理、多媒体播放、通信等功能。
2. 工业控制：嵌入式系统广泛应用于工业自动化领域。
它能够实现工业设备的监控、控制和运行管理。
嵌入式系统可以处理各种输入输出信号，与工艺设备和传感器进行通信，并对工艺过程进行控制和调节。
3. 汽车电子：嵌入式系统在现代汽车中起到了至关重要的作用。
它能够实现汽车引擎控制、车身电子控制、信息娱乐、驾驶辅助等功能。
嵌入式系统可以通过各种传感器获取车辆状态信息，同时与汽车中的各种模块进行通信。
4. 医疗设备：嵌入式系统在医疗设备领域应用广泛，如心脏起搏器、呼吸机、血糖监测仪等。
嵌入式系统能够监测病人的生理参数，同时控制和调节医疗设备的工作状态，以满足病人的实际需求。
嵌入式软件与应用软件的区别
嵌⼊式软件与应⽤软件的区别⼀. 嵌⼊式系统开发与软件开发的区别1. 平台开发种类不同。
嵌⼊式系统开发是对于除了电脑之外的所有电⼦设备上操作系统的开发，开发对象有⼿机，掌上电脑，机电系统等；软件开发⼀般是⽤某种程序设计语⾔来实现的，通常采⽤软件开发⼯具可以进⾏开发，软件分为系统软件和应⽤软件，并不只是包括可以在计算机上运⾏的程序。
2. 资源限制不同。
嵌⼊式系统通常是⼀个资源受限的系统，因此直接在嵌⼊式系统的硬件平台上编写软件⽐较困难，有时候甚⾄是不可能的。
⽬前⼀般采⽤的解决办法是⾸先在通⽤计算机上编写程序，然后通过交叉编译⽣成⽬标平台上可以运⾏的⼆进制代码格式，最后再下载到⽬标平台上的特定位置上运⾏。
软件实现的根据是计算机语⾔。
3. ⼯具使⽤不同。
嵌⼊式系统开发需要与底层的硬件设备进⾏通信和交互操作。
与设备相关。
主要是对设备控制和操作。
对编译器的要求较⾼，不同处理器平台有各⾃的编译器和调试软件。
需要专门的调试⼯具，尤其是⼀些专⽤设备。
软件开发与底层操作通过系统软件的接⼝函数API来实现，与设备⽆关。
主要是数据处理和UI界⾯处理。
对编译器没有特别的要求，通常使⽤⼀些通⽤的编译器和调试软件。
4. 代码质量要求。
嵌⼊式系统对代码的质量要求⾼，要求可执⾏的程序占⽤的存储空间少。
由于多任务同时运⾏，产⽣的错误⽐较多，因此在稳定性和性能上要求很⾼。
软件开发对代码的质量没有特别的要求，在存储空间上也没有太多的限制。
在稳定性和性能⽅⾯没有嵌⼊式系统要求那么严格。
⼆. 嵌⼊式软件和应⽤软件的区别1. 嵌⼊式软件：与底层相关，与硬件相关，是嵌⼊在硬件中的操作系统和开发⼯具软件。
2. 应⽤软件：是嵌⼊式系统中的上层软件，定义了嵌⼊式设备的主要功能和⽤途，负责与⽤户进⾏交互。
3. 嵌⼊式系统来说，系统软件和应⽤软件运⾏在⽬标品台上；对于各种软件开发⼯具来说，⼤部分都运⾏在开发平台（PC机）上，如Win/Linux操作系统。
嵌入式系统原理及开发应用部分课后习题答案
更小，相应的擦除电路更少，每个块的最大擦写次数是一百万次； 使用复杂的 I/O 口来串行地存取数据，各产品或厂商方法可能不同，存在较严
重的位反转问题，必须有错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法； 用在 8MB~2GB 产品中，适合于数据存储，在 CompactFlash、SecureDigital、
天高任鸟飞,海阔凭鱼跃!
复习整理所用(私人整理,仅供参考)
传输效率高，在 1~16MB 小容量时具有很高的成本效益；���带有 SRAM 接口， 有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节
占据了容量为 1~16MB 闪存市场的大部分，主要用作代码存储介质。 NANDFlash 特点：
确定性 保证系统的实时性和可预测性； 系统静态配置：任务的数目、执行时序、所占资源、阻塞、通信延迟等都是确 定的。
4、简述嵌入式系统的发展历程。 1946 年 2 月 14 日，世界第一台计算机诞生，人类信息时代到来 20 世纪 60 年代初，嵌入式系统开始萌芽 标志：以晶体管、磁芯存储为基础的计算机被应用于航空、航天、工业控制等 领域。 典型应用：美国海军舰载轰炸机用多功能数字分析仪、导弹发射控制、美国某 乙烯厂 DDC 工业装置、ApolloGuidance、控制电话的电子式机械交换机等。 特点：价格昂贵、系统结构简单、功能单一、处理效率低、存储容量小、用户 接口很少。 20 世纪 70 年代初至 80 年代中期，嵌入式系统进入简单系统阶段 标志：相继出现 Intel4004、4084、8051，Motorola 公司 68HC05，Zilog 公司 的 Z80 等嵌入式微处理器，系统中无或具有简单操作系统。 典型应用：被广泛应用于家用电器、医疗仪器、仪器仪表、交通运输等领域， 例如：电算机(日本 Busicom 公司基于 4004)、微控制器取代旋钮控制的电位计 和可变电容器、1982 年出现首枚多媒体应用的 DSP 芯片等。 特点：微处理器种类繁多、通用性差、价格便宜；系统开销小、效率高等。 20 世纪 80 年代中期至 90 年代末，嵌入式系统进入 RTOS 阶段 标志：嵌入式操作系统被广泛使用，嵌入式应用开始普及。 典型应用：应用领域进一步扩大，例如：手机、数码产品、路由器、交换机、 汽车电子产品等。 特点：嵌入式操作系统内核小、效率高、高度模块化、可扩展；微处理器兼容 性好；为应用程序的开发提供了大量的 API 和 IDE 工具等。 20 世纪 90 年代末至今，嵌入式系统进入网络化阶段 标志：嵌入式设备的网络化和 Internet 接入，正在蓬勃发展…… 典型应用：Internet 技术与嵌入式应用产品的结合，例如：无线终端、平板电 脑、智能手机、智能家电、智能汽车…… 特点：32bit 微处理器占主导地位、嵌入式操作系统从简单走向成熟、与网络
嵌入式系统软硬件设计与开发
嵌入式系统软硬件设计与开发随着科技的发展，嵌入式系统逐渐被应用于各种领域，如智能家居、智能机器人、智能车辆等。
嵌入式系统具有体积小、功耗低、成本低等优点，其硬件和软件系统设计的好坏直接影响着整个系统的可靠性和性能。
因此，本文将从嵌入式系统的软硬件设计和开发两个方面着手，探讨如何设计出优秀的嵌入式系统。
一、硬件设计1.硬件平台的选择在嵌入式系统的设计中，选择一个合适的硬件平台是十分重要的。
硬件平台的选择不仅需要考虑成本和性能，还需要考虑系统的应用场景、功能需求等。
在硬件平台的选择过程中，还需要考虑是否符合标准接口规范，比如USB、I2C等常见的接口规范。
2.电源设计嵌入式系统的电源设计也是一个关键问题。
电源设计需要考虑的主要因素包括电压值、电流大小、功耗等。
此外，还需要确保电源稳定性，并在电源保护方面做好相应的工作，比如过流保护、反向保护等。
3.信号处理设计信号处理是硬件设计中的一个重要环节。
对于数字信号的处理，需要采用适当的FPGA、DSP等处理器来完成。
在设计过程中，需要考虑信号处理器的采样率、精度、算法、存储器等因素，并在设计时充分考虑系统的延迟、速度等因素。
4.接口设计接口设计也是硬件设计中的一大难点。
接口的设计需要充分考虑接口电路的设计、信号质量、接口电平等因素。
比如，对于USB接口，需要考虑USB控制器的选型、物理层信号电路的设计、电压/电流传输速率等因素。
二、软件设计1.软件开发环境软件的开发环境是软件设计中的一个重要因素。
通常情况下，嵌入式系统的软件设计需要采用专门的集成开发环境（IDE），比如Keil、IAR等。
在选择IDE时，需要考虑到其适应性、易用性、功能齐全性等因素。
2.软件架构设计嵌入式系统的软件架构设计是软件设计中的一个关键点。
软件架构的设计需要根据硬件平台和应用情况来确定，其目的在于将软件模块划分为适当的结构，并确定各个模块之间的关系。
在设计软件架构时，需要充分考虑模块的粒度、接口、功能等因素。
第二讲 嵌入式操作系统VxWorks及其开发工具Tornado(2010)
第二讲：嵌入式操作系统VxWorks及其开发工具Tornado主讲人：办公地址：联系方式：刘利强31号楼222房间82519069上节课主要内容：⏹为什么要学习嵌入式技术⏹嵌入式系统概述⏹嵌入式系统的应用⏹嵌入式实时系统基础132基础知识介绍交叉开发环境的建立方法Tornado 工具及其使用方法4常用的软件调试开发方法⏹什么是VxWorks？⏹为什么VxWorks被广泛采用？⏹VxWorks系统与通用操作系统的对比⏹什么是Tornado?⏹Tornado的工具及其开发环境⏹Tornado的目录结构⏹Tornado的主要目录结构什么是VxWorks？VxWorks操作系统是美国风河公司（Wind River System 公司，WRS）于1983年设计开发的一种运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式强实时操作系统。
它凭借着良好的可持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据了重要一席。
VxWorks系统具备高可靠性和实时性，目前被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。
如美国的F-16战斗机、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机、爱国者导弹上、火星探测器等均使用了VxWorks操作系统。
什么是VxWorks？VxWorks的主要组成如下：⏹高性能系统内核Wind➣多任务调度（基于优先级抢占方式的实时调度算法）➣内部任务的通讯⏹其它标准工具➣设备驱动➣文件系统➣I/O系统➣内存管理➣网络协议栈为什么VxWorks被广泛采用？⏹可靠性考虑操作系统的用户希望在一个工作稳定、可以信赖的环境中工作，而稳定、可靠是VxWorks的一个突出优点。
⏹实时性考虑⏹可裁剪性考虑由于存储空间和资源的限制，及提高运行效率考虑，用户在使用嵌入式操作系统时，并不是操作系统的每一个部件都要用到，例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入式系统中往往并不使用。
什么是嵌入式系统
嵌入式系统（Embedded System），一般指非桌面计算机系统（即非PC、服务器、大中小型机等），有计算机功能且可以“嵌入”到专用设备并发挥专用功能的计算机设备或器材。
它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
简单地说，这种计算机通过和设备的电气连接，并通过在计算机上运行的专用程序对接口进行通讯和控制，使设备成为智能化的设备，比如：基于网络的工业控制器、带彩色显示的智能终端等。
嵌入式系统主要由嵌入式处理器为核心的硬件系统、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。
一、嵌入式处理器为核心的硬件系统嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
2）具有功能很强的存储区保护功能。
这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。
嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。
2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。
这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
嵌入式系统原理及应用试卷2
一、填空 (每空1 分，共 20 分)1.嵌入式系统的组织架构是嵌入式处理器、存储器等硬件、嵌入式系统软件和应用软件所组成的。
2.ARM系统复位后，第一条执行的指令在__0x02_。
3.冯诺依曼体系结构的特点之一是系统内部数据和指令都存储在统一存储器中，而哈佛结构则是分开存储。
4. ADD R0，R1，#3属于立即寻址方式。
5 ARM指令集和Thumb指令集分别是32 和16 位的。
6.嵌入式软件结构一般分为驱动层、OS层、中间件层和应用层。
7.cache放置数据的常用地址变换算法有直接、组相联和全相联。
8.嵌入式系统中电源管理器最常见的工作方式是工作、空闲和睡眠二简答 (每题5分，共 30 分)1.嵌入式处理器一般具有以下4个特点:（1）大量使用寄存器，对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。
结构上采用RISC 结构形式。
----------1分（2）具有功能很强的存储区保护功能。
这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
----------1分3）可扩展的处理器结构，最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
支持ARM (32位) 和Thumb(16位)双指令集,兼容8位/16位器件。
-----------1分（4）小体积、低功耗、成本低、高性能，嵌入式处理器功耗很低，用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中,电池供电的嵌入式系统需要功耗只有mW甚至μW级。
---2分2.ARM处理器对异常中断的响应过程如下：首先，将当前程序状态寄存器CPSR的内容保存到将要执行的异常中断对应的备用程序状态寄存器SPSR中，以实现对处理器当前状态、中断屏蔽位及各条件标志位的保存。
各异常中断模式都有自己相应的物理SPSR寄存器。
----2分然后，将引起异常指令的下一条指令的地址保存到新的异常工作模式的R14即R14_mode 中，使异常处理程序执行完后能正确返回原程序。
嵌入式系统的组成
1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，硬件一般由高性能微处理器和外围接口电路组成，软件一般由操作系统和应用程序构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSP层，板级支持包）连接。
嵌入式系统的硬件有：嵌入式微处理器、存储器、输入输出（I/O、A/D、D/A）。
嵌入式系统的软件有：操作系统、应用软件。
操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。
嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。
实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。
实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要时间在规定的时间内做出正确的响应。
分时操作系统，软件在时间上的执行并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性后果。
嵌入式系统从组织层次上看，嵌入式系统一般由硬件层、中间层、软件层和功能层组成。
（1）硬件层硬件层由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）组成。
在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路（ROM和RAM 等），就构成了一个嵌入式核心控制模块。
其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。
（2）中间层硬件层和软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层HAL和板级支持包BSP，它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关，一般应具有相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。
（3）软件层软件层由实时多任务操作系统RTOS、文件系统、图形用户接口GUI、网络系统及通用组件模块组成。
（4）功能层功能层由基于RTOS开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。
功能层是面向被控对象和用户的。
在专用的嵌入式板子上面运行GNU/Linux系统已经变得越来越流行。
一个嵌入式Linux 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：（1）引导加载程序。
嵌入式软件工程师经典面试题(附答案)(二)
嵌⼊式软件⼯程师经典⾯试题（附答案）（⼆）⼀、基本介绍嵌⼊式系统是以应⽤为中⼼，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适⽤于应⽤系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专⽤计算机系统。
它⼀般由、外围硬件设备、以及⽤户的应⽤程序等四个部分组成，⽤于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
嵌⼊式软件⼯程师就是编写嵌⼊式系统的⼯程师。
⼆、职业要求应具备哪些能⼒1.最重要的是C语⾔编程,以及C++,这个与你读程,应⽤,开发项⽬,做系统移植息息相关；2.操作系统: LINUX,WINCE等,⾄少学习过⼀种,并且还需要对些基础知识有蛮多的了解；3.对ARM,FPGA,DSP等这些硬件⽐较了解。
这是最常规的条件当然,⼀些基本素质,像英语能⼒,团队协作能管理,也很重要。
三、经典⾯试题1.嵌⼊式系统中经常要⽤到⽆限循环，如何⽤C编写死循环?while(1){}或者for(;;)2.程序的局部变量存在于哪⾥，全局变量存在于哪⾥，动态申请数据存在于哪⾥?程序的局部变量存在于栈区；全局变量存在于静态区；动态申请数据存在于堆区3.关键字const有什么含义？1)只读。
2）使⽤关键字const也许能产⽣更紧凑的代码。
3）使编译器很⾃然地保护那些不希望被改变的参数，防⽌其被⽆意的代码修改4.请问以下代码有什么问题?int main() {char a;char *str=&a;strcpy(str,"hello");printf(str);return 0;}没有为str分配内存空间，将会发⽣异常，问题出在将⼀个字符串复制进⼀个字符变量指针所指地址。
虽然可以正确输出结果，但因为越界进⾏内在读写⽽导致程序崩溃5.已知⼀个数组table，⽤⼀个宏定义，求出数据的元素个数?#define NTBL (sizeof(table)/sizeof(table[0]))6.写⼀个"标准"宏MIN ，这个宏输⼊两个参数并返回较⼩的⼀个?#define MIN(A,B) （（A） <= (B) ? (A) : (B))考点：1) 标识#define在宏中应⽤的基本知识。
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嵌入式微处理器分类
按用途来分，嵌入式微处理器可分为四种： 按用途来分，嵌入式微处理器可分为四种： 嵌入式微处理器：由通用计算机的CPU演变而来， 嵌入式微处理器：由通用计算机的CPU演变而来，不同的 CPU演变而来 是只保留了和嵌入式以后能够用紧密相关的功能硬件， 是只保留了和嵌入式以后能够用紧密相关的功能硬件，去 除了其他冗余功能，并配上了必要的外围扩展电路， 除了其他冗余功能，并配上了必要的外围扩展电路，减小 了体积和功耗。 了体积和功耗。 嵌入式微控制器：又称单片机， 嵌入式微控制器：又称单片机，一般以一种微处理器为核 片内集成了ROM EPROM、RAM、总线、总线逻辑、 ROM、 心，片内集成了ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定 时器、计数器、I/O等 时器、计数器、I/O等。 嵌入式DSP处理器：专用于数字信号处理，采用哈佛结构， 嵌入式DSP处理器：专用于数字信号处理，采用哈佛结构， DSP处理器 采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT FFT（ 采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT（快 速傅立叶变换）的专门优化。 速傅立叶变换）的专门优化。 嵌入式片上系统SoC：又系统级芯片， 嵌入式片上系统SoC：又系统级芯片，在一个硅片上实现 SoC 了一个更为复杂的计算机系统。 了一个更为复杂的计算机系统。 9
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操作
可以对存储器和寄存器进行运 算和操作
编译
难以用优化编译器生成高效的 目标代码程序
嵌入式微处理器
经过近20年的发展，嵌入式微处理器的集成度、 经过近20年的发展，嵌入式微处理器的集成度、主 20年的发展 频、位数都得到了提高
20世纪 年 世纪80年 世纪 代中后期 制作工艺 主频 晶体管 个数 位数 1 - 0.8 µm < 33 MHz > 500K 8/16bit 20世纪 年 世纪90年 世纪 代初期 0.8 - 0.5 µm <100 MHz >2M 8/16/32bit 20世纪 年 世纪90年 世纪 代中后期 0.5 – 0.35 µm <200 MHz >5M 8/16/32bit 21世纪初期 世纪初期 0.25 - 0.13 µm < 600 MHz >22M 8/16/32/64bit
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嵌入式微处理器的特点
成本(Cost) 成本(Cost)
− −
为降低价格， 为降低价格，需要在嵌入式微处理器的设计中考虑不 同的折衷方案。 同的折衷方案。 处理器的价格受如下因素影响: 处理器的价格受如下因素影响: 处理器的特点：功能块的数目、 处理器的特点：功能块的数目、总线类型等 片上存储器的大小 芯片的引脚数和封装形式： 芯片的引脚数和封装形式：如PQFP(Plastic Quad Package)通常比 通常比BGA(Ball Flat Package)通常比BGA(Ball Grid Array Package)便宜 便宜。 Package)便宜。 芯片大小（ size） 取决于制造的工艺水平。 芯片大小（die size）:取决于制造的工艺水平。
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嵌入式微处理器的特点
体系结构(Architecture) 体系结构(Architecture)
功能单元（Functional Units）: 功能单元（ Units）
大多数的嵌入式微处理器包括不只一个功能单元， 大多数的嵌入式微处理器包括不只一个功能单元， 典型的是包含一个ALU(算术逻辑单元， ALU(算术逻辑单元 典型的是包含一个ALU(算术逻辑单元，用来进行 算术或逻辑运算以及位移循环等操作) 算术或逻辑运算以及位移循环等操作)、移位器和 MAC（乘加运算） MAC（乘加运算） 处理器通常用一条指令完成乘法操作。 处理器通常用一条指令完成乘法操作。
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Байду номын сангаас
−
嵌入式微处理器的特点
集成度高（ Integration） 集成度高（Higher Integration）
嵌入式微处理器是面向应用的， 嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的 组件的数目和种类是由它的市场定位决定的，在 组件的数目和种类是由它的市场定位决定的， 最普通的情况下，嵌入式微处理器包括: 最普通的情况下，嵌入式微处理器包括:
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嵌入式微处理器的特点
体系结构(Architecture) 体系结构(Architecture)
−
算术格式（ Format）： 算术格式（Arithmetic Format）： 大多数的嵌入式微处理器使用定点算法 fixedarithmetic）， ），这样的 （fixed-point arithmetic），这样的 芯片比浮点版本的芯片便宜。 芯片比浮点版本的芯片便宜。 当嵌入式系统中需要使用浮点运算时， 当嵌入式系统中需要使用浮点运算时， 可采用软件模拟的方式实现浮点运算。 可采用软件模拟的方式实现浮点运算。
片内存储器: 片内存储器:大多数嵌入式微处理器都具有 外部存储器的控制器，外设接口( 外部存储器的控制器，外设接口(串/并口) 并口) LCD控制器: 面向终端类应用 LCD控制器: 控制器 中断控制器，DMA控制器，协处理器，定时器，A/D、 中断控制器，DMA控制器，协处理器，定时器，A/D、 控制器 D/A转换器 D/A转换器 总线 多媒体加速器: 多媒体加速器: 当高级图形功能需要时
−
嵌入式微处理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、 嵌入式微处理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、 CPU核心 总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备， 总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备， 如中断控制器、DMA、定时器、UART(通用异步收 如中断控制器、DMA、定时器、UART(通用异步收 发器，功能： 发器，功能：将计算机内部传送的并行数据转换 为输出的串行数据流， 为输出的串行数据流，而将外部送来的串行数据 流转换为字节，供计算机使用) 流转换为字节，供计算机使用)等。 这符合嵌入式系统的低成本和低功耗的需求， 这符合嵌入式系统的低成本和低功耗的需求，一 块单一的集成了大多数需要的功能块的芯片价格 更低，功耗更少。 更低，功耗更少。
嵌入式微处理器的特点
基础是通用微处理器 与通用微处理器相比其区别： 与通用微处理器相比其区别：
− − −
体积小、重量轻、成本低、可靠性高 体积小、重量轻、成本低、 功耗低 工作温度、抗电磁干扰、 工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面增强
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嵌入式微处理器的特点
集成度高（ Integration） 集成度高（Higher Integration）
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嵌入式微处理器的特点
集成外围逻辑芯片目前有两种方式: 集成外围逻辑芯片目前有两种方式: 单芯片方式（ Chip）： 44B0X是用 ）：如 单芯片方式（Single Chip）：如44B0X是用 于终端类应用的 芯片组方式（ Set）： ）：由微处理器主芯 芯片组方式（Chip Set）：由微处理器主芯 片和一些从芯片组成。 片和一些从芯片组成。主芯片提供计算和基 本外围设备的控制功能， 本外围设备的控制功能，从芯片加入了新的 接口(LCD控制器、红外线接口、 (LCD控制器 接口(LCD控制器、红外线接口、触摸屏功能 块等) 块等)。
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地址总线 指令 代码区 地址总线 处理器 指令、数据 指令1 指令2 ... 数据区 数据1 数据2 ... 地址总线 数据 处理器
程序存储区 指令1 指令2 ...
数据存储区 数据 1 数据 2 ...
冯. 诺依曼体系结构
哈佛体系结构
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嵌入式微处理器的指令系统
指令系统可采用精简指令集系统RISC或 指令系统可采用精简指令集系统RISC或 精简指令集系统RISC 复杂指令集系统CISC 复杂指令集系统CISC
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嵌入式微处理器分类
按位数可分为4 按位数可分为4位、8位、16位、32位和 16位 32位和 64位 64位。 16位以下的嵌入式微处理器一般称为嵌 16位以下的嵌入式微处理器一般称为嵌 入式微控制器（MCU）。 入式微控制器（MCU）。 32位以上的称为嵌入式微处理器。 32位以上的称为嵌入式微处理器。 位以上的称为嵌入式微处理器
流水线（Pipeline） 流水线（Pipeline）:
现在某些嵌入式处理器中同样采用了分支预测技 术。
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嵌入式微处理器的特点
指令集(Instruction 指令集(Instruction Set)
− −
为满足应用领域的需要，嵌入式微处理器的指令集一般 为满足应用领域的需要， 要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。 要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。 许多嵌入式微处理器扩展了特定领域的指令， DSP指 许多嵌入式微处理器扩展了特定领域的指令，如DSP指 令集，这些指令主要有: 令集，这些指令主要有: 乘加(MAC)操作: 乘加(MAC)操作:在一个周期中执行了一次乘法运算 (MAC)操作 和一次加法运算 SIMD类操作： SIMD类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据 类操作 流的计算 多媒体加速指令:象素处理、多边形、3D操作等指令 多媒体加速指令:象素处理、多边形、3D操作等指令
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嵌入式微处理器的特点
具有功耗管理的处理器可以处于如下模式之一: 具有功耗管理的处理器可以处于如下模式之一: 运行模式（ Mode） 运行模式（Running Mode）：处理器处于全 速运行状态下。 速运行状态下。 待命模式(Standby Mode)： 待命模式(Standby Mode)：处理器不执行指 所有存储的信息是可用的， 令，所有存储的信息是可用的，处理器能在 几个周期内返回运行模式。 几个周期内返回运行模式。 时钟关闭模式（clockmode）： ）：时钟完 时钟关闭模式（clock-off mode）：时钟完 全停止，要退出这个模式系统需要重新启动。 全停止，要退出这个模式系统需要重新启动。
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类别 指令系统