第十章 嵌入式技术

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选择占2-4分，主要考察嵌入式基础知识和嵌入式设计

1.嵌入式硬件

1.1.嵌入式系统

        嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，将配置与可剪裁的软硬件集于一体的专用计算机系统。

1.1.1.嵌入式系统组成

1.1.2嵌入式系统的特性

1. 专用性强
2. 技术融合
3. 软硬一体软件为主
4. 比通用计算机资源少
5. 程序代码固化在非易失存储器中
6. 需专门的开发工具和环境
7. 体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强
8. 对安全性和可靠性要求高

1.1.3.嵌入式系统分类

1.1.4.嵌入式系统分层

1.2. 嵌入式微处理体系结构

1.2.1.冯·诺依曼结构

        传统计算采用冯·诺依曼结构，也称之为普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。

特点：

• 计算机程序和数据共用一个存储空间（在同一个存储器的不同物理位置）
• 采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同
• 处理器执行指令时，先从存储器中取出指令解码，再取操作数执行运算。

1.2.2.哈佛结构

        哈佛结构是一种并行体系结构，主要特点是将程序和数据存储在不同存储空间中，及程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。

特点：

• 拥有两套独立的地址总线和数据总线
• 分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，是数据的吞吐量提高了1倍。

1.2.3.嵌入式微处理器分类

1.2.3.1.根据嵌入式微处理器的字长宽度

1.2.3.2. 根据系统集成度划分

1.2.3.3. 根据用途分类

1.3. 多核处理器

多核指的是多个微处理器内核，是将两个或者多个的微处理器封装在一起，集成在一个电路中。

多核处理器是单枚芯片。

问：与多核多CPU相比，多核处理器的优点？

1. 降低了计算机系统的功耗和体积
2. 可以进行多进程、多线程

1.3.1. 多个内核工作协调实现方式

• 对称多处理技术SMP
• 非对称多处理技术AMP

1.3.2. 多核CPU调度

• 全局队列调度
• 局部队列调度

2.嵌入式软件

2.1. 概述

嵌入式软件是指应用在嵌入式计算机系统当中的各种软件。有如下一些特点：

• 规模较小
• 开发难度大
• 实时性和可靠性要求高
• 要求固化存储

2.2. 嵌入式软件分类

• 系统软件
• 应用软件
• 支撑软件：复制软件开发的工具软件

2.3. BSP

板级支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系统中驱动层程序之间的一层。

具体功能包括：

• 单板硬件初始化，主要是CPU的初始化，为整个软件系统提供底层硬件支持
• 为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务
• 定制操作系统的功能，为软件系统提供一个实时多任务的运行环境
• 初始化操作系统，为操作系统的正常运行做好准备

主要的特点：

• 硬件相关性
• 操作系统相关性

一般来说，BSP主要包括两个方面的内容：引导加载程序Boot Loader和设备驱动程序。

1.4.BootLoader

        BootLoader是嵌入式系统加电后运行的第一段软件代码，是在操作系统内核运行之前运行的一小段程序，通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境设置到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好准备。

一般包括以下功能:

1. 片级初始化:主要完成微处理器的初始化，包括设置微处理器的核心寄存器和控制寄存器、微处理器的核心工作模式及其局部总线模式等。片级初始化把微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。
2. 板级初始化:通过正确地设置各种寄存器的内容来完成微处理器以外的其他硬件设备的初始化。例如，初始化LED显示设备、初始化定时器、设置中断控制寄存器、初始化串口通信、初始化内存控制器、建立内存空间的地址映射等。还要设置某些软件的数据结构在此过程中，除了要设置各种硬件寄存器以外，和参数。因此，这是一个同时包含有软件和硬件在内的初始化过程。
3. 加载内核(系统级初始化):将操作系统和应用程序的映像从Flash存储器复制到系统的内存当中，然后跳转到系统内核的第一条指令处继续执行。

3. 嵌入式数据库系统EDBMS

3.1. 使用环境的特点

1. 设备随时移动性
2. 网络频繁断接
3. 网络条件多样化
4. 通信能力不对称

3.2.系统组成

        一个完整的EDBMS由若干子系统组成，包括主数据库、同步服务器、嵌入式数据库和连接网络等几个子系统。

        嵌入式移动数据库在实际应用中必须解决好数据的一致性(复制性)、高效的事务处理和数据的安全性等关键问题。

4. 嵌入式操作系统EOS

1. 微型化。EOS的运行平台不是通用计算机，而是嵌入式系统。这类系统般没有大容量的内存，几乎没有外存，因此，EOS必须做得小巧，以占用尽量少的系统资源。
2. 代码质量高。在大多数嵌入式应用中，存储空间依然是宝贵的资源，这就要求程序代码的质量要高，代码要尽量精简。
3. 专业化。嵌入式系统的硬件平台多种多样，处理器的更新速度快，每种处理器都是针对不同的应用领域而专门设计的。因此，EOS要有很好适应性和移植性，还要支持多种开发平台。
4. 实时性强。嵌入式系统广泛应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等要求实时响应的场合，因此，实时性成为EOS的又一特点。
5. 可裁减和可配置。应用的多样性要求EOS具有较强的适应能力，能够根据应用的特点和具体要求进行灵活配置和合理裁减，以适应微型化和专业化的要求。

5. 嵌入式实时操作系统

嵌入式实时系统是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。在嵌入式实时系统中，要求系统在投入运行前即具有确定性和可预测性。

1. 可预测性是指系统在运行之前，其功能、响应特性和执行结果是可预测的
2. 确定性是指系统在给定的初始状态和输入条件下，在确定的时间内给出确定的结果

5.1.特点

        当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行。

        因而，提供及时响应和高可靠性是其主要特点。

        实时操作系统有硬实时和软实时之分，硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的;软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。

5.2.特征

1. 高精度计时系统
2. 多级中断机制
3. 实时调度机制

6. 嵌入式软件设计

编码、交叉编译、交叉调试

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