嵌入式系统-1-嵌入式系统硬件基础

嵌入式系统的分类
按确定性来分嵌入式系统，可以分为：
严格实时系统（ Firm Real-Time ）：系统对系统响应时间有严格的要求， 如果系统响应时间不能满足，就要导致无法接受的低质量服务。
非实时系统（ Non Real-Time ）：系统对系统响应时间没有实时要求。
实时系统
实时系统是指产生系统输出的时间对系统是至 关重要的系统。从输入到输出的滞后时间必须足 够小到一个可以接受的时限（timeout）内。因此 实时逻辑正确性不仅依赖于计算结果的正确性， 还取决于输出结果的时间。
这里的时限（又称做deadline），指的是系统 执行时间的限制，而系统功能的实现需要通过软 硬件的相互配合，因而这些组成系统的软硬件的 执行时间也就有了相应的时间限制。因此，要有 时序的概念。
我们可以根据对任务截止时间（deadline）的要求，将实时 系统进行分类。由于时限对系统性能的影响程度不同，实时系统 还可划分为软实时系统（soft real-time-systems）和硬实时系 统（hard real-time-systems）。
响应时间(Response Time)：是计算机识别一个外部事 件到作出响应的时间。
生存时间(Survival Time)：是数据有效等待时间, 在这 段时间里数据是有效的。
吞吐量(Throughput)：是在一给定时间内, 系统可以 处理的事件总数。
实时系统到底有多快？
实时系统的响应要“足够快”，这个“足够快”指满足 要求即可。实时系统不一定是运行速度最快的代码，其 对系统运行时间及响应时间的可预测性比速度本身更重 要。
如果一个任务时限到来之前这 个任务尚未完成，对于软实时 来说还是可以容忍的，只会降 低系统性能。
效益Baidu Nhomakorabea
开始时间 时限 一个软时限事件示意图
时间
效益 破坏
而对于硬实时系统则是不 允许的，这样所带来的后 果是无法预测的，甚至是 灾难性的。
时间
开始时间 时限 一个硬时限事件示意图
实时系统
衡量实时系统有以下三个指标：
隐藏在一些更大的系统中管理控制这些系统并带有 微处理器的专用软硬件系统称为嵌入式计算机系统， 通常称为嵌入式系统。这方面的应用技术称为嵌入式 技术。
什么是嵌入式系统?
隐藏在一些更大的系统中管理控制这些系统并带有 微处理器并且没有使用操作系统或使用嵌入式操作系 统的的专用软硬件系统称为嵌入式计算机系统，通常 称为嵌入式系统。这方面的应用技术称为嵌入式技术。
• 强调在系统分析设计中用系统思想考 虑问题。培养学生尽可能利用各个学 科已有的设计思想解决问题的思维方 式进行工作。
课程内容
1) 嵌入式系统硬件基础（2学时） 2) 嵌入式系统软件基础（2学时） 3) Arduino开源硬件平台应用开发（6学时） 4) 嵌入式系统中的总线与网络（2学时） 5) 嵌入式操作系统（2学时） 6) 嵌入式系统驱动开发方法（2学时） 7) ARM硬件体系结构（2学时） 8) ARM应用开发介绍（2学时） 9) 实时操作系统freeRTOS（2学时） 10) 实时操作系统freeRTOS的移植（2学时） 11) 基于freeRTOS的驱动开发（2学时） 12) 数据流图（2学时） 13) 实时软件设计方法DARTS（2学时） 14) 基于实时操作系统的实时应用开发（20学时，实践）
什么是嵌入式系统?
IEEE定义
根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定 义：
嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操 作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
实验板
• https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.0 .0.PRRdy1&id=19622658156&_u=fdik11r1ef7
作业
• 小组完成一个小型嵌入式系统的设计与实现 • 题目自选 • 小组规模：2-3人
注意：项目不要太大，以免难以完成。
在一个大的实时系统中，实时与非实时可以同时存在，实时 任务也可以同时存在软硬两种实时。一些事件没有时限，一些事 件的时限可能只是软实时的，而另一些事件的计算时间则是硬实 时的，对系统产生关键影响的。
可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式 系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电 等附属装置。
一般定义
“以应用为中心、以计算机技 术为基础、软件硬件可裁剪、功 能、可靠性、成本、体积、功耗 严格要求的专用计算机系统。”
应用领域涉及各个方面
嵌入式系统的特点
嵌入式系统与其它系统的差别主要体现在以下 方面： 跨学科性：嵌入式系统融合了微电子、计算机硬 件、通信、电子工程、软件工程与系统工程等多 种技术。 非功能性需求要求更高：如近乎最优的运行效率、 强实时性、稳定性、更高的可靠性与安全性、并 发性、移动性等要求。 资源约束：如有限的CPU、内存、电源、显示窗 口、按钮或键盘等。 面向应用：无论是软硬件的设计，还是系统的规 模、开发过程等都与应用域密切相关。
嵌入式系统
课程目标
• 介绍嵌入式系统的特点与应用、嵌入 式系统的硬件结构、嵌入式系统的软 件结构，以及嵌入式软件开发方法。
• 全面介绍嵌入式软件设计可能遇到的 各种问题及解决方法，如硬件选型、 BSP设计、系统可靠性、系统软硬件 资源管理、数据管理、人机交互设计、 开发环境选择等。
• 将软件工程领域成熟的分析设计方法 引入到嵌入式软件的分析设计中，如 软件体系结构、设计模式等。
考核
• 作业、实验、考试及出勤综合考核。 • 期末考试：笔试，闭卷。 • 成绩：
作业 50％； 出勤 10％; 期末考试 4０％。
第一部分 嵌入式系统基础 1.1 嵌入式系统概述
嵌入式系统的发展非常快，而嵌入式软件的发展更快。嵌入式系统 的发展就象生物的发展一样，由单细胞生物到多细胞，一直到智能生物 人类，在这个过程中，嵌入式软件的结构越来越复杂，但是复杂系统还 在不断发展的同时，简单系统仍然不可缺少。