《嵌入式系統(tǒng)》PPT課件本課程介紹嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)，涵蓋硬件架構(gòu)、軟件開發(fā)、應(yīng)用案例等內(nèi)容。by嵌入式系統(tǒng)定義專用性針對(duì)特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)，通常用于特定設(shè)備或系統(tǒng)。資源受限與通用計(jì)算機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的內(nèi)存、處理能力和存儲(chǔ)空間。實(shí)時(shí)性許多嵌入式系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)響應(yīng)事件，并以特定的時(shí)間限制執(zhí)行操作。嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)體積小嵌入式系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為緊湊的尺寸，以適合特定的應(yīng)用場(chǎng)景。低功耗嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化功耗以延長(zhǎng)電池壽命，適用于便攜式設(shè)備。高性能嵌入式系統(tǒng)通常針對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，提供高效的性能。實(shí)時(shí)性嵌入式系統(tǒng)需要對(duì)事件做出快速響應(yīng)，確保關(guān)鍵任務(wù)的及時(shí)完成。嵌入式系統(tǒng)分類按應(yīng)用領(lǐng)域分類消費(fèi)類電子、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子、航空航天等。按功能分類控制類、網(wǎng)絡(luò)類、數(shù)據(jù)處理類、多媒體類、混合類等。按處理器類型分類微處理器（MPU）、微控制器（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、專用集成電路（ASIC）等。硬件架構(gòu)概述嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它決定了系統(tǒng)的性能、功能和成本。常見的嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)包括處理器、內(nèi)存、輸入/輸出系統(tǒng)、總線等。處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和控制整個(gè)系統(tǒng)。內(nèi)存用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，分為RAM和ROM兩種類型。輸入/輸出系統(tǒng)負(fù)責(zé)與外部世界進(jìn)行交互，包括各種傳感器、顯示器、鍵盤、網(wǎng)絡(luò)接口等。總線是連接各個(gè)硬件組件的通道，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。處理器介紹中央處理器(CPU)嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)運(yùn)行。微處理器(MPU)通常用于單片機(jī)系統(tǒng)，將CPU、內(nèi)存、I/O等集成到一個(gè)芯片上。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)專門設(shè)計(jì)用于處理信號(hào)，例如音頻、視頻和圖像。常見處理器及其應(yīng)用ARM處理器廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。Intel處理器主要應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器等領(lǐng)域。MCU處理器常用于控制、監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，例如家電、汽車電子等。內(nèi)存系統(tǒng)RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，速度快但容量有限。ROM只讀存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)引導(dǎo)程序和固件，數(shù)據(jù)不可修改。Flash閃存，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)配置信息，可以反復(fù)擦寫，速度較慢。輸入輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、麥克風(fēng)等輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、揚(yáng)聲器等中斷機(jī)制事件驅(qū)動(dòng)中斷是硬件或軟件事件通知CPU的機(jī)制，改變程序執(zhí)行流程。提高效率中斷機(jī)制允許CPU處理多個(gè)任務(wù)，提高系統(tǒng)效率。優(yōu)先級(jí)管理不同的中斷可以設(shè)置優(yōu)先級(jí)，保證重要事件及時(shí)處理。總線協(xié)議1數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)不同組件間傳輸?shù)囊?guī)則，確保信息傳遞的準(zhǔn)確性與效率。2常見總線類型包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，分別用于傳遞地址信息、數(shù)據(jù)信息和控制信號(hào)。3協(xié)議規(guī)范規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序、信號(hào)類型、數(shù)據(jù)格式等，例如SPI、I2C、UART等。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠在嚴(yán)格的時(shí)間約束內(nèi)完成任務(wù)，確保系統(tǒng)對(duì)外部事件的快速響應(yīng)。確定性行為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有可預(yù)測(cè)性，能夠在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成特定操作，不會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)延遲或不確定性。資源管理實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要高效地管理系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存、CPU、中斷和外設(shè)，以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的嚴(yán)格要求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)特點(diǎn)快速響應(yīng)能力是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心，需要及時(shí)處理來自外部的事件和任務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠保證對(duì)事件的處理時(shí)間，從而滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)安全性和可靠性有嚴(yán)格的要求，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)時(shí)調(diào)度算法先到先服務(wù)最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法，按照進(jìn)程到達(dá)時(shí)間的先后順序進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。最短剩余時(shí)間優(yōu)先選擇剩余執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。輪轉(zhuǎn)調(diào)度將時(shí)間分成時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程輪流執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片。進(jìn)程與線程1進(jìn)程一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的程序，具有自己的內(nèi)存空間和資源。2線程進(jìn)程中的一個(gè)執(zhí)行單元，共享進(jìn)程的資源，但有獨(dú)立的執(zhí)行棧和上下文。3區(qū)別進(jìn)程獨(dú)立性強(qiáng)，線程共享進(jìn)程資源，線程更輕量級(jí)。內(nèi)存管理內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理內(nèi)存空間，為進(jìn)程分配和回收內(nèi)存。內(nèi)存保護(hù)防止進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)域，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。虛擬內(nèi)存使用硬盤空間擴(kuò)展物理內(nèi)存，提高系統(tǒng)效率和可用內(nèi)存。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序連接硬件與軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是軟件組件，允許操作系統(tǒng)與特定硬件設(shè)備進(jìn)行通信。抽象硬件差異驅(qū)動(dòng)程序隱藏硬件細(xì)節(jié)，提供統(tǒng)一的接口，方便應(yīng)用軟件訪問設(shè)備。管理硬件資源驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)分配和釋放硬件資源，例如內(nèi)存、中斷和I/O端口。電源管理電池管理優(yōu)化電池使用壽命，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。電源適配器提供穩(wěn)定的電源輸入，確保設(shè)備正常工作。節(jié)能模式降低功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，減少能源消耗。安全性與可靠性安全嵌入式系統(tǒng)通常運(yùn)行在關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境中，因此安全性至關(guān)重要。這涉及保護(hù)系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問，防止惡意軟件感染，并確保數(shù)據(jù)機(jī)密性和完整性。可靠性可靠性意味著系統(tǒng)能夠在各種條件下持續(xù)運(yùn)行，并提供預(yù)期的性能。嵌入式系統(tǒng)需要能夠在各種惡劣環(huán)境中正常運(yùn)行，并具備故障容錯(cuò)能力。系統(tǒng)啟動(dòng)流程1加電自檢(POST)檢查硬件2引導(dǎo)加載程序加載操作系統(tǒng)3操作系統(tǒng)初始化啟動(dòng)內(nèi)核和服務(wù)4用戶登錄進(jìn)入系統(tǒng)BIOS與引導(dǎo)加載程序BIOS基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)，是計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)首先運(yùn)行的程序，負(fù)責(zé)初始化硬件并加載操作系統(tǒng)。引導(dǎo)加載程序引導(dǎo)加載程序(Bootloader)是介于BIOS和操作系統(tǒng)之間的程序，負(fù)責(zé)加載操作系統(tǒng)內(nèi)核和相關(guān)文件到內(nèi)存中。軟件開發(fā)流程1需求分析明確項(xiàng)目目標(biāo)、功能需求、性能需求、用戶需求等。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)、模塊劃分、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)等。3編碼實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)文檔編寫代碼，并進(jìn)行單元測(cè)試。4測(cè)試進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試、集成測(cè)試、驗(yàn)收測(cè)試，確保軟件質(zhì)量。5部署將軟件部署到目標(biāo)環(huán)境，并進(jìn)行必要的配置。6維護(hù)定期維護(hù)軟件，修復(fù)bug，更新功能，并提供技術(shù)支持。開發(fā)工具簡(jiǎn)介集成開發(fā)環(huán)境(IDE)提供代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能，方便開發(fā)者進(jìn)行項(xiàng)目管理和開發(fā)。仿真器用于模擬硬件環(huán)境，方便開發(fā)者測(cè)試和調(diào)試代碼，減少實(shí)際硬件測(cè)試成本。示波器用于觀察硬件信號(hào)波形，幫助分析硬件問題和調(diào)試代碼。測(cè)試及調(diào)試技術(shù)硬件測(cè)試確保硬件組件正常工作，包括處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器等。軟件測(cè)試驗(yàn)證軟件代碼功能和性能，包括單元測(cè)試、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試等。系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的功能和性能，包括系統(tǒng)集成測(cè)試、性能測(cè)試等。調(diào)試工具使用調(diào)試器、示波器、邏輯分析儀等工具幫助定位和解決問題。嵌入式系統(tǒng)案例分析學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)案例，可以幫助我們更好地理解理論知識(shí)，并能提高實(shí)際開發(fā)能力。以下是一些常見嵌入式系統(tǒng)案例:智能手機(jī)智能家居工業(yè)自動(dòng)化汽車電子醫(yī)療設(shè)備基于ARM的嵌入式系統(tǒng)ARM架構(gòu)是嵌入式系統(tǒng)中最常用的處理器架構(gòu)之一，以其高性能、低功耗和低成本的特點(diǎn)而聞名。ARM處理器廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和汽車電子等。基于MCU的嵌入式系統(tǒng)基于MCU的嵌入式系統(tǒng)，以微控制器（MCU）為核心，通常用于小型、低功耗、實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用場(chǎng)景。MCU通常集成有處理器、內(nèi)存、外設(shè)等模塊，提供多種接口，方便連接傳感器、執(zhí)行器等外部設(shè)備，滿足各種控制和數(shù)據(jù)處理需求。基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是一種可重新配置的硬件設(shè)備，允許用戶根據(jù)需要重新定義其功能。在嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA可以用于實(shí)現(xiàn)自定義硬件邏輯，例如數(shù)據(jù)處理、圖像處理或通信協(xié)議。FPGA可以提供高性能、低延遲和靈活性，使其成為需要高性能計(jì)算和定制硬件的嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。它們廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療保健和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)1物聯(lián)網(wǎng)(IoT)嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心，連接各種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息交互和數(shù)據(jù)共享。2人工智能(AI)嵌入式系統(tǒng)與人工智能相結(jié)合，賦予設(shè)備更智能的功能，例如圖像識(shí)別和語音控制。3邊緣計(jì)算(EdgeComputing)邊緣計(jì)算將數(shù)據(jù)處理靠近數(shù)據(jù)源，提高響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)安全性。嵌入式系統(tǒng)前景展望物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，為嵌入式系統(tǒng)提供了廣闊的應(yīng)用空間。人工智能和機(jī)器