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嵌入式基础知识

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📄 教材出处 · 第 2 小时《嵌入式基础》 (书第 21–27 页) ▸ 查看原文摘录 打开教材 PDF ↗
第 21 页 ↗嵌入式基础知识 2.0 章节考点分析 主要学习嵌入式系统的组成及特点、嵌入式系统的分类、嵌入式软件的组成及特点、 嵌入式系统硬件体系结构、安全攸关软件的安全性设计等内容。
第 22 页 ↗ 2.1 嵌入式系统的组成及特点 【基础知识点】 1.定义 嵌入式系统(Embedded System)是以特定应用为中心、以计算机技术为基础,并将可配置与 可裁剪的软、硬件集成于一体的专用计算机系统。
第 23 页 ↗ 3.安全攸关系统 安全攸关系统(Safety-Critical System)是指其不正确的功能或者失效会导致人员伤亡、财产 损失等严重后果的计算机系统。
第 24 页 ↗ 2.4 嵌入式系统硬件体系结构 【基础知识点】 1.组成结构 传统的嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、存储器、总线逻辑、定时/计数器、看门狗电路、 I/O接口和外部设备等部件组成。
第 25 页 ↗ 各类总线在嵌入式系统的位置如图2.2所示。
第 26 页 ↗ (4)看门狗电路,是嵌入式系统必须具备的一种系统恢复能力,可防止程序出错或者死锁。

知识点目录(共 6 项)

  1. 嵌入式系统组成(处理器 / 存储 / 总线 / 接口 / 外设)与特点(实时性 / 专用性 / 资源受限)
  2. 分类:按用途 / 按实时性(硬实时 / 软实时)/ 按体系结构
  3. 嵌入式软件组成:BSP 板级支持包 / 驱动 / OS / 中间件 / 应用
  4. 冯·诺依曼 vs 哈佛结构(DSP 用哈佛,高频);处理器类型(MCU / DSP / FPGA / SoC)
  5. 低功耗设计五措施(软硬件协同 / 编译优化 / 算法优化 / 中断代替查询 / 电源管理)
  6. 安全攸关软件安全性设计(DO-178 分级)

知识点详解

一、嵌入式系统组成与特点

定义(原文级):以特定应用为中心、以计算机技术为基础,并将可配置与可裁剪的软硬件集成于一体的专用计算机系统。

组成 5 部分:① 嵌入式处理器(工艺分民用/工业/军用三档:民用 0~70℃、工业 −40~85℃、军用 −55~150℃);② 相关支撑硬件(存储器、定时器、总线等);③ 嵌入式操作系统(实时性、可裁剪性、安全性);④ 支撑软件(以库方式被引用);⑤ 应用软件。

特点 8 条(抓关键词):专用性强、技术融合、软硬一体软件为主、资源受限、程序代码固化在 ROM 中、需专门开发工具和环境、体积小价格低实时性强、安全可靠性要求高。

分类:按用途分嵌入式实时系统与嵌入式非实时系统;实时系统再分强实时(Hard Real-Time)与弱实时(Weak Real-Time);按安全性要求分安全攸关(Safety-Critical / Life-Critical)系统与非安全攸关系统。IEEE 定义:安全攸关软件是"用于一个系统中,可能导致不可接受的风险的软件"。

常见嵌入式实时操作系统(认得出即可):VxWorks、μClinux、PalmOS、WindowsCE、μC/OS-II、eCos。

DO-178B 标准(安全攸关软件分级,真题):为制造机载系统和设备的机载软件提供适航指导。软件生命周期分"软件计划过程、软件开发过程、软件综合过程",其中开发过程细分为软件需求、软件设计、软件编码、集成 4 个子过程;综合过程细分为软件验证、软件配置管理、软件质量保证、审定联络 4 个子过程。按软件在系统中的重要程度分 A~E 五级:

等级名称失效后果
A灾难级可能导致机身损毁、人员死亡
B危害级严重伤害或重大损失
C严重级较重伤害或较大损失
D不严重级轻微影响
E没有影响级无安全影响

二、嵌入式软件体系结构(五层,必背)

应用层——面向专用目标的应用软件 中间件层——嵌入式数据库 / OpenGL / 消息中间件 / VM / DDS / CORBA / Hadoop 操作系统层——嵌入式 OS / 文件系统 / GUI / 网络系统 / 通用组件(可配置模块) 抽象层——HAL 硬件抽象层(虚拟硬件资源)+ BSP 板级支持包(硬件驱动) 硬件层——处理器 / 存储器 / 总线 / I/O 接口 / 电源 / 时钟 连接两个独立应用的桥梁 对整个软硬件资源统一协调 隐藏硬件多样性,支持移植 HAL 与 BSP 是考试最爱分层
图 1 嵌入式软件五层体系结构

开发环境(真题高发):系统运行在"目标机"环境、开发在"宿主机"环境——运行和开发在不同环境进行是嵌入式最大特点之一;宿主机与目标机通过串口、网络或 JTAG 接口连接;因两者指令往往不同,需交叉编译器、交叉链接器和源代码调试器。真题:"在宿主机上必须采用交叉编译器生成目标机的可执行代码"为正确说法;"只需逻辑连接/只能串口/调试器必须同机"均为错误。

嵌入式软件 6 大特点与设计方法:

特点设计方法
可剪裁性静态编译、动态库、控制函数流程实现功能控制
可配置性数据驱动、静态编译、配置表
强实时性表驱动、配置、静/动态结合、汇编语言
安全性 Safety编码标准、安全保障机制、FMECA(故障模式、影响及危害性分析)
可靠性容错技术、余度技术、鲁棒性设计
高确定性静态分配资源、越界检查、状态机、静态任务调度

低功耗设计(真题答案):软件层面——编译优化技术、软硬件协同设计、算法优化(另有:用"中断"代替"查询"、电源的有效管理)。典型架构两种模式:层次化模式架构、递归模式架构。

三、嵌入式处理器分类(5 类)

类型要点代表
MPU 微处理器微处理器+专门设计的电路板;集成度低、可靠性高PowerPC、68000、MIPS、ARM 系列、Am186/88、386EX、SC-400
MCU 微控制器又称单片机,核心存储器和部分外设封装片内;单片化、体积小、功耗成本下降MCS-96/196/296、MC68HC05/11/12/16、68300、大量 ARM 系列
DSP 数字信号处理器采用哈佛结构(程序与数据分开存储、独立编址、取指执行重叠、单周期 MAC);适合大量数据处理——真题:DSP 用哈佛结构TMS320 系列(C2000/C5000/C6000/C8000)、DSP56000
GPU 图形处理器大幅加强浮点运算和多核并行计算能力,常用于 AI 深度学习数据运算—
SoC 片上系统多个特定功能集成电路组合在一个芯片,含完整硬件系统(处理器、IP 核、存储器)及其承载的嵌入式软件—

看门狗电路(WDT):嵌入式系统必须具备的系统恢复能力,防止程序出错或死锁;构成:输入端、寄存器、计数器、狗叫模块。工作原理:程序正常运行时 MCU 定期"喂狗",超时不喂触发狗叫模块(一般是重启 MCU)。

总线分类:按信息种类分数据总线、地址总线、控制总线;按连接部件分片内总线、系统(板级)总线、局部总线、通信总线;按传输方向分单工/半双工/全双工;按信号类型分并行(多位同时传、距离近)与串行(一位传输、距离远)。

四、存储器体系(选择题必背)

类别类型特性
RAM(需持续供电、可随机读写)DRAM 动态电容存储信息;集成度高、容量大、成本低;访问速度较慢、需定期刷新——常作主存
SRAM 静态多个晶体管自锁保存状态;访问快、不需刷新;集成度低、容量小、成本高——常用作高速缓存 Cache
ROM(掉电不丢失,读取比 RAM 快)MROM 掩膜掩膜大批量制造、成本低;同批数据一致且不可修改
PROM 可编程专用设备一次性烧录;适合少量制造
EPROM 可擦可编程紫外线擦除重写
EEPROM 电可擦电压清除,清除速度很慢
Flash 快闪联机擦写、次数多、速度快;读取速度相对其他 ROM 慢
⚠️ 真题两连:① 嵌入式存储部件中存取速度最快的是寄存器组(排序:寄存器组>Cache>内存>Flash);② "硬件抽象层应包括设备驱动程序和任务调度"是错误说法——HAL 隐藏硬件接口细节、提供虚拟硬件平台、使软硬件设计与调试可完全并行,但任务调度属于操作系统而非 HAL。
💡 本节框架:"定义三要素(特定应用/计算机技术/可裁剪)→ 组成 5 → 特点 8 → 软件五层(HAL+BSP)→ 宿主机/目标机交叉开发 → 处理器 5 类(DSP=哈佛)→ 存储 RAM/ROM 全家桶 → 看门狗喂狗 → 低功耗三招"。ROM 擦除方式口诀:"紫(紫外线)EPROM、电(电压)EEPROM、联机 Flash"。