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 |
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。
| 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)。
| 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 |