| 阶段 | 硬件 | 软件 | 主要特点 |
|---|---|---|---|
| ① 无操作系统阶段 | 单片微型计算机 SCM | 单片机、汇编语言 | 结构和功能相对单一、处理效率低、存储容量十分有限、几乎没有用户接口 |
| ② 简单操作系统阶段 | 嵌入式微处理器为基础、微控制器 MCU、外围电路、接口电路 | 简单操作系统为核心 | 微处理器/微控制器种类繁多、通用性比较弱；系统开销小、处理效率高、智能化控制能力突出、兼容性好 |
| ③ 实时操作系统阶段 | 片上系统 SoC | 嵌入式操作系统 | 操作系统内核小、处理效率高 |
| ④ 面向 Internet 阶段 | 以 Internet 为基础的嵌入式系统、微型传感器、智能服务设备 | 嵌入式操作系统、应用域网络环境 | 微处理器集成网络接口；低能耗、高速度、高集成、高可信、适应环境广 |
传统嵌入式系统硬件组成：微处理器（MCU/MPU）、存储器（RAM/ROM）、总线（内总线/外总线）、定时器/计数器 Timer、看门狗 WatchDog、I/O 接口（串口/网络/USB/JTAG）、外部设备（UART/LED）。
嵌入式处理器 5 类（选择高频）：
| 类型 | 特点 |
|---|---|
| MPU 微处理器 | 体积小、重量轻、成本低、可靠性高，但技术保密性差 |
| MCU 微控制器 | 单片化，体积小、功耗低、成本低、可靠性更高 |
| DSP 信号处理器 | 系统结构和指令特殊设计，通常采用哈佛结构，编译效率高、指令执行速度高 |
| GPU 图形处理器 | 专注浮点运算，弥补 CPU 运算速度不足 |
| SoC 片上系统 | 采用片内再编程技术，硬件功能可像软件一样通过编程配置，实时灵活修改开发 |
存储器：RAM（断电数据全部丢失）——DRAM、SRAM、SDRAM、DDR SDRAM 等细分；ROM（正常工作时永久保存不可修改）——MASK ROM、PROM、EPROM（可擦可编程）、EEPROM（电可擦可编程）、Flash Memory（快闪存储器）。
总线：拓扑结构 5 种（星型、树状、环型、总线型、交叉开关型）。按传输信息种类分：数据总线（传输待处理/待存储数据）、地址总线（传输 RAM 中数据地址）、控制总线（传输控制单元信号到周边设备）。按连接部件分：片内总线、系统总线（板级）、局部总线、通信总线（外设总线）。
看门狗：提供系统恢复能力，在系统发生软件问题和程序跑飞时重启系统。原理：计数器自动计数，程序定期将其重置；若系统卡死或程序跑飞，计数器溢出进入中断处理，在设定时间间隔内保留状态后复位重启。
嵌入式操作系统 EOS 特点：可剪裁性、可移植性、强实时性、强紧凑性、高质量代码、强定制性、标准接口、强稳定性、弱交互性、强确定性、操作简捷方便、较强硬件适应性、可固化性。
操作系统内核架构两种：
| 架构 | 特点 |
|---|---|
| 宏内核 | 用户服务和内核服务在同一空间实现，代码耦合度非常高，内核功能组件代码可互相调用 |
| 微内核 | 用户服务和内核服务在不同空间实现，系统结构清晰、代码量少 |
任务管理：任务是嵌入式 OS 调度的最小单位（类似进程）。三种工作状态：执行状态（获得处理机运行）、就绪状态（已获得处理机以外资源，待获得处理机即可执行）、阻塞状态（因等待事件发生无法执行而放弃处理机）。大都支持优先级抢占调度和时间片轮转调度。
实时调度算法（重点）：
| 类别 | 算法 | 要点 |
|---|---|---|
| 调度方法分类 | 离线调度 | 运行前确定调度信息（时间驱动），确定性、缺乏灵活性 |
| 在线调度 | 运行中动态获得调度信息（优先级驱动），灵活 | |
| 抢占调度 | 运行任务可能被打断，更复杂、更耗资源 | |
| 非抢占调度 | 运行任务不被打断 | |
| 静态调度 | 优先级设计时确定不变，简单、缺乏灵活性 | |
| 动态调度 | 优先级运行中确定、不断变化，灵活、耗资源 | |
| 强实时调度算法 | EDF 最早截止时间优先 | 截止时间越早，优先级越高 |
| LLF 最低松弛度优先 | 紧急程度（松弛度）越高，优先级越高 | |
| RMS 单调速率 | 任务周期越短，优先级越高；被认为是最优的 |
存储管理：解决多用户使用主存问题——分区、分页、分段、段页式及虚拟存储管理。任务间通信：提供多种类型的数据传输、任务同步/异步操作手段。
嵌入式数据库：特点——嵌入式、实时性、移动性、伸缩性。按存储位置分三类：① 基于内存的数据库（内存存储，实时事务最佳技术，典型 eXtremeDB）；② 基于文件的数据库（磁盘文件存储，安全性低，典型 SQLite：开源内嵌式关系库、集成在程序中无须配置、服务器客户端同进程、简化管理减少网络开销）；③ 基于网络的数据库（远程服务器存储，无须解析 SQL、支持更多 SQL 操作、客户端小、便于代码重用）。与数据库管理系统的区别：只允许应用程序访问和控制、由应用程序负责访问控制、与应用程序一同发布。
嵌入式中间件：处于嵌入式应用和操作系统之间，对应用屏蔽底层操作系统的异构性；常见功能：网络通信、内存管理、数据处理。典型：消息中间件、分布式对象中间件。
嵌入式软件开发环境特点：集成开发环境、交叉开发（宿主机-目标机模式，代码在宿主机编译、到目标机运行）、开放式架构、可扩展性、可操作性、可移植性、可配置性、实时性、可维护性、用户界面友好。
| 方法 | 要点 |
|---|---|
| ABSD 基于架构的软件设计 | 详见第 9 小时（六子过程：需求→设计→文档化→复审→实现→演化） |
| ADD 属性驱动设计 | 把一组质量属性场景（可用性、性能、安全性等）作为输入，利用对质量属性实现与架构设计之间关系的了解（体系结构风格、质量战术）进行设计；在满足质量属性基础上建立模块分解过程。7 个阶段：评审 → 选择驱动因子 → 选择系统元素 → 选择设计概念 → 实体化元素和定义接口 → 草拟视图 → 分析评价 |
| DARTS 实时系统设计 | 基于传统结构化分析方法，扩展了行为建模部分。5 个部分：开发系统规范 → 划分为多个并发任务 → 定义任务间接口 → 设计每个任务 → 设计过程成果。优势：强调分解为并发任务并提供确认标准；提供任务间接口定义指南；强调任务架构图重要性；提供实时结构化分析到设计的转换。不足：用信息隐藏技术封装数据存储，封装性不好；若分析阶段完成得不好，任务结构化更困难 |
鸿蒙采用分布式设计理念，实现 4 种分布式能力：分布式软总线、分布式设备系统虚拟化、分布式数据管理、分布式任务调度。整体是层次式架构，由内而外四层：
| 层 | 职责 |
|---|---|
| ① 内核层 | 采用微内核设计；内核抽象层 KAL 屏蔽多内核差异，对上层提供基础内核能力（进程/线程管理、内存管理、文件系统、网络管理、外设管理）；驱动子系统提供统一外设访问能力、驱动开发框架、驱动管理框架 |
| ② 系统服务层 | 核心能力集合，为应用程序提供服务 |
| ③ 应用框架层 | 为应用服务提供多语言用户程序框架、Ability 框架，以及各种硬件服务对外开放的 API |
| ④ 应用层 | 包括系统应用和第三方非系统应用，实现特定业务功能，支持跨设备调度与分发 |
鸿蒙 4 个技术特性（必背）：① 分布式架构用于终端操作系统，实现跨终端无缝协同体验；② 确定时延引擎和高性能进程间通信技术，实现系统流畅；③ 基于微内核架构，重塑终端设备的可信安全；④ 统一集成开发环境，一次开发、多端部署，实现跨终端生态共享。
GENESYS 是面向安全攸关系统的跨领域通用嵌入式架构平台。采用消息交换方式实现软硬件构件抽象级别的提升，构件在接口规范基础上可被重用而无须知道内部实现。设计故障/错误隔离框架：构件因瞬态故障失效后可选择性重启、用构件复制屏蔽瞬态和永久错误；可减少构件功率需求或在不需时（功率门）完全关闭构件。解决三大挑战：复杂性管理、系统健壮性、能量有效使用。
三组服务：① 领域无关服务（核心服务如全局时间、消息传输；选择服务如信息安全、外部存储器管理、Internet 网关）；② 领域专用服务（领域特有服务子集 + 待开发领域特征的特定服务，如 CAN 总线）；③ 应用专用服务（包含中间件）。
主要特征及优势 6 条（必背）：
| 特征 | 体现 |
|---|---|
| ① 精确的构件定位 | 简单化、跨领域重用、规模的经济性、健壮性、可降低系统集成工作量 |
| ② 开放性 | 可集成性、可升级性、可扩展性、遗产系统集成、降低成本 |
| ③ 三级集成 | 芯片级集成、设备级集成、系统级集成 |
| ④ 分层的服务 | 可重用性、领域定位、工效经济性 |
| ⑤ 确定的核心 | 及时性、降低复杂性、可测试性、认证、故障掩蔽 |
| ⑥ 标准的互联集成 | 对远程访问的保护、降低集成工作难度、常规人机交互、安全性 |
物联网操作系统：通常包括芯片层、终端层、边缘层、云端层；使用开源物联网 OS（FreeRTOS）、公共服务组件（网络协议、外设支持、POSIX）、定制服务组件（MQTT 消息队列遥测传输、HTTPS、PKCS #11、安全套件）。主要特征：内核实时性、内核尺寸伸缩性、架构可扩展性、高可靠性、低功耗。