嵌入式系统结构及软件开发模式分解
《微处理器与嵌入式系统设计》期末复习题及答案
《微处理器与嵌入式系统设计》期末复习题及答案第一章嵌入式系统概述嵌入式系统的共性：特定的使用场合或工作环境，是某个大型系统的一部分，完成一个具体的功能，专用性强，应用于特定的平台；功耗低，且一般要求高实时性和高可靠性，系统程序一般都是固化在内存中，以提高运行速度和可靠性；功能单一，模块的设计和实现较为简单；人机交互界面简单；开发时往往有上位机和下位机或主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。
MCU：Micro Control Unit，嵌入式微控制器（俗称单片机），把CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O、中断系统、定时器/计时器、各种功能外设等资源集成到一个芯片上的微型计算机系统。
MPU：Micro Processor Unit，嵌入式微处理器。
MPU是由通用计算机中的CPU（微处理器）演变而来，可以理解为增强版的CPU，即不带外围功能器件。
ARM：是一家公司，也是一类技术和产品的统称。
ARM公司设计的芯片主要涉及嵌入式移动设备领域，指令集更加紧凑简单，功耗和成本更低，在移动消费电子领域占据着很大的市场份额。
嵌入式系统开发流程：需求分析、系统总体设计、系统软硬件设计、系统测试第二章ARM Cortex-M3内核与STM32微控制器ARM存储模式（2种）小端模式：数据的低字节存放在内存低地址处，数据的高字节存放在内存高地址处。
大端模式：数据的高字节存放在内存低地址处，数据的低字节存放在内存高地址处。
注意书上的相关例子！ARM指令集架构系统设计有两种方式：RISC（Reduced Instruction Set Computer）精简指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）复杂指令集计算机流水线技术：每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术，称为流水线技术。
ARM Cortex-M3微控制器采用的三级流水线：取指—译码—执行流水线的技术指标通常用吞吐率、加速比和效率三项指标来衡量。
嵌入式系统开发方法
第一部份 开发方法
两种开发方法 开发过程 系统分析与调试 系统的建立 系统调试与总结 开发注意事项
两种开发方法
一、任务型开发 一切以完成任务为目的，成者王、败者寇！ 一切以完成任务为目的，成者王、败者寇！功能实 现，指标达到，交了仪器和软件就算完成任务。 指标达到，交了仪器和软件就算完成任务。 二、过程型开发 强调开发过程， 一切严格按照科研开发过程进行。 强调开发过程， 一切严格按照科研开发过程进行。 过程充份，文档齐全，证据确凿。 过程充份，文档齐全，证据确凿。即使开发任务失败也 是完成任务！ 是完成任务！ 初期看起来是慢点，但为整个开发体系的建设， 初期看起来是慢点，但为整个开发体系的建设，公 司和团队积淀了不少的内容。即使开发任务失败， 司和团队积淀了不少的内容。即使开发任务失败，但模 块的开发是成功的。后期的开发会越来越快， 块的开发是成功的。后期的开发会越来越快，模块的建 设越来越成熟。 设越来越成熟。
编程环境
基于操作系统的编程 实时多任务操作系统”内核为基础， 以“实时多任务操作系统”内核为基础，只需完成相 关任务的编程，其实时性和可靠性有保障， 关任务的编程，其实时性和可靠性有保障，适用于功能 较复杂的应用系统。 较复杂的应用系统。 基于裸机的编程 以空白的单片机芯片为基础，完成全部软件设计， 以空白的单片机芯片为基础，完成全部软件设计，其 实时性和可靠性与设计人员的水平密切相关， 实时性和可靠性与设计人员的水平密切相关，适用于功 能较简单的中小型应用系统， 能较简单的中小型应用系统，是电子工程师应该掌握的 基本编程技术。 基本编程技术。
时钟模块的设计
• 时钟源硬件时钟芯片或者软件定时器 • 定时周期的决定由系统最小时间分辨率来确定 • 时钟单元的安排由系统时间动态变化范围来确定 • 时钟的设置与校对通过键盘操作来完成 • 系统时钟的使用触发与系统时间相关的任务 • 计时器的使用测试某任务执行的时间任务启动时清零 任务执行时与时钟一起运行任务结束时停止读取结果 • 闹钟的使用控制某任务的时间间隔任务启动时置初始 值任务执行时由时钟进行倒计时计时结束则停止任务
嵌入式软件开发模式及软件架构的研究
51软件开发与应用Software Development And Application电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering我国科学技术近年来的发展成果相当瞩目，嵌入式软件开发及建构也步入了新的发展阶段。
嵌入式软件是能在嵌入式系统中灵活运用的一种模块化软件，能维持系统原有特性及功能不变。
但是，因各类因素影响的缘故，有关嵌入式软件的开发模式及软件架构中有一系列缺陷与不足存在，影响了嵌入式软件功能及性能。
基于此，有必要围绕嵌入式软件开发模式及架构展开研究。
1 嵌入式软件概述以硬件为目标进行操作系统和开发工具软件的嵌入，即为嵌入式软件，其在产业中呈现出“芯片设计制造→嵌入式软件系统→嵌入式电子设备研发制造”的关联关系。
嵌入式系统包含微处理器、传感器、存储器、微控制器及定时器等诸多组成成分，且嵌入至存储器中的卫星操作系统和控制应用软件也被包含在内，可以说嵌入式软件是组成嵌入式系统的关键成分之一，两者之间有着密不可分的联系[1]。
以通常分类方法为参考，可划分嵌入式软件为系统、应用及支撑等三类软件。
系统软件负责管控嵌入式系统资源，能将设备驱动程序、嵌入式操作系统等提供给嵌入式应用。
应用软件负责于用户交互，直接体现了嵌入式系统的功能。
支撑软件表示系统分析设计工具、配置管理工具等辅助软件开发的工具软件。
嵌入式软件呈现出独特的实用性、灵活的适用性、程序代码精简、可靠性和稳定性高等特点。
其中，最关键的便是软硬件紧密耦合特性。
具备多样性与灵活性的嵌入式系统，难免会带给软件设计人员诸多挑战：一是软件设计中对硬件考虑过多，会阻碍开发和调试。
二是软件工作的开展需建立在硬件平台就绪的前提下，整个系统开发周期也因此延长。
而为了规避此类问题，开发中可在特定EDA 工具环境内进行，随后再向硬件平台移植，如此不但能为程序逻辑设计正确性提供保障，且能加快软件开发进程。
embedded system
2.4.1嵌入式操作系统的分类
按照对实时系统的定义,嵌入式系统可分为实时嵌 入式系统与非实时嵌入式系统: 实时系统的定义：能够对外部事件做出及时响应的系 统。响应时间要有保证。 对外部事件的响应包括 事件发生时要识别出来 在给定时间约束内必须输出结果 实时操作系统:VxWorks,WinCE 非实时操作系统:嵌入式Linux
郑州威科姆电子科技卫星事业部
1.6嵌入式系统的历史
20 世纪 70 年代：单片机出现 嵌入式系统最初的应用是基于单片机。汽车，工业机器，通
信装置等成千上万种产品通过内嵌电子装置获得更佳的使用性 能。 20 世纪 80 年代：嵌入式操作系统出现
商业嵌入式实时内核包含传统操作系统的特征，使得开发周 期缩短，成本降低，效率提高促使嵌入式系统有了更为广阔的应 用空间。。 20 世纪 90 年代：实时多任务操作系统
嵌入式产品的巨大商机－－全过程自动化产品制造、 大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化 家庭起居。
你接触的每一样东西将装有芯片和嵌入式软件。
郑州威科姆电子科技卫星事业部
1.8创新的机遇
通用计算机产业是垄断的。 嵌入式系统与技术是一个分散的工业，充满竞争、机
遇与创新。 没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市
郑州威科姆电子科技卫星事业部
2.3.2嵌入式微控制器
嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一 块芯片中,芯片内部集成ROM/EPROM,RAM,总线,总线逻辑,定时/计 数器,Watchdog,I/O,串行口等各种必要功能和外设.其特点为: 一个系列的微控制器具有多种衍生产品; 单片化,体积大大减小,功耗和成本降低,可靠性提高; 是目前嵌入式工业的主流,约占嵌入式系统70%的份额; 多是8位和16位处理器 流行的嵌入式微控制器
嵌入式系统的应用及开发
轰墨Ⅵ温爵I II I|l{嵌入式系统的应用及开发夏岩(东营职业学院山东东营257091)【摘要】简略分析嵌入式系统及其应用的特点，在论述开发原则的基础上，指出嵌入式软件的特点．[关键词]嵌入式系统设计原则软件特点中图分类号：TP3文献标识码：^文章编号：1871--7597(2006)0610094--01一、嵌入式系统及其应用曩述嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件可编程，硬件可剪裁、重构的专用计算机系统。
该系统通常嵌入在对象环境中，并通过其在对象环境下运行的特定程序，完成对外界物理参数地采集、处理，达到对控制对象地响应或人机交互的功能。
目前，嵌入式系统的发展方向主要是解决接口多样性、适应性，灵活性和集成开发环境等的特定应用问题。
嵌入式系统应用的底层性与对象系统的紧耦合性是其显著的基本特征。
所以，最大限度的满足对象数据采集、控制、开发环境、功耗，以及适应能力、可靠性等品质因数是选择嵌入式系统的标准。
为适应技术发展需求，嵌入系统在不断追求结构紧凑、坚固可靠、技术密集、高度分散的同时，尤以不断创新为嵌入式系统的发展核心。
使嵌入系统凸现了高技术门槛，主要表现在软硬件设计的紧密相关性上，特别是构建R T O S系统需透彻了解RT O S的工作机制和系统资源配制，掌握底层软件、系统软件和应用软件的设计、调试方法。
随着对嵌入式系统的智能化愈加关注，现场可编程、调试、引脚配置变得非常重要和必不可少。
所以，用户可配置的SC O(在片系统)已成为现阶段嵌入式系统的核心发展技术。
通过现场可编程阵列把接口应用设计和系统开发留给系统设计者，提供灵活、多样的片上电路设计平台，使电路板设计变成在片的芯片配置，将嵌入系统地设计带入了软硬件的双编程时期，进一步缩短了产品开发周期。
而下一代的在片系统还将发展成一个M U c数量可缩放的集合体。
在嵌入式应用系统中，虽然高端产品不断涌现，但由于应用对象、环境的不同特点，嵌入系统的8位机产品仍因应用对象的有限响应时间、完备的集成开发环境、良好的性价比等优势仍然占据着低端应用系统的主流地位。
嵌入式软件架构分层的内涵与优缺点
嵌入式软件架构分层的内涵与优缺点作者：蒙晓燕来源：《无线互联科技》2021年第21期摘要：文章首先从架构分层内涵出发，阐述了多层软件开发模型，然后分析了嵌入式软件架构分层优点和缺点，最后探讨了嵌入式软件架构分层设计方式与实现举措，希望以此为研究相同问题的人士提供有价值的参考，继而有效提高软件的实用性与经济效益。
关键词：嵌入式软件；架构分层；内涵；优缺点0引言嵌入式系统关键是以应用为主，将计算机技术作为基础，充分满足用户对成本与功能、体积与功耗等多方面要求的系统。
但在过去开发嵌入式系统软件的时候，全部软件涵盖操作系统、应用程序与硬件底层，是共同开发的，不能分开。
伴随嵌入式系统软件规模越来越复杂，越来越庞大，该种开发模式愈发暴露出更多的缺点和不足。
由于该模式针对不一样的硬件平台需要重新开始，接着开发出新的软件就其要实现的功能大部分相差无几甚而相同，但限制了软件的反复使用，与此同时还增加了开发时间与开发成本。
1架构分层内涵伴随社会经济的持续发展与进步，开始涌现出了各种各样的高新技术，这些高新技术在很大程度上有效改善了传统劳动力生产的模式，促使人们在工作岗位上可以更好地释放出自己的潜在能力。
与此同时，流水线形式的生产模式能够大大提高相关人员工作熟练程度，有效地减少了在实际工作中不必要出现的经济损失，不仅提高了生产力，还提升了经济效益与社会效益。
分工合作这一概念同样适用于嵌入式软件开发领域。
首先，相邻的两个软件模块可以彼此紧密联系；其次，好似金字塔结构，下层软件层并不了解还存在高层次软件层。
因此，仅需要满足上述两个特点，即为架构分层，此为软件架构分层思想基础。
软件架构分层发挥着重要作用，特别是在开发阶段，采取架构分层理念，可以发挥出显著的优势，因此需要相关人员做出更加深入的研究和探讨。
2多层软件开发模型分析2.1软件开发分层技术在软件开发中运用分层技术，实则是合理对用户的一切需求展开分析与梳理，把软件系统内每一个功能领域抽象化，明确系统内部每一个层次间的关系，继而简化模块开发过程，把系统开发问题变成了简单软件设计方面的问题。
嵌入式系统的软件设计要点
嵌入式系统的软件设计要点嵌入式系统是一种特殊类型的计算机系统，其硬件和软件被嵌入到其他设备中，用于控制特定的功能。
嵌入式系统往往面临有限的资源、实时性要求和稳定性需求等挑战。
为了确保嵌入式系统的可靠性和高效性，软件设计起着至关重要的作用。
在进行嵌入式系统的软件设计时，我们需要注意以下几个要点：1. 系统需求分析和规划：在进行软件设计前，必须对系统的需求进行详细分析和规划。
弄清楚系统的功能需求、性能要求、实时性要求以及硬件资源的约束等，有助于确保软件设计满足系统所需的要求。
2. 软件架构设计：软件架构设计是嵌入式系统的关键环节。
一个合理的软件架构能够提高整个系统的可维护性、可扩展性和稳定性。
需要选择适合嵌入式系统的架构模式，如分层、客户端-服务器等，并进行模块化设计，把系统分解成若干独立的功能模块，尽可能减少模块间的耦合。
3. 高效的代码编写：在嵌入式系统中，资源是有限的，因此需要编写高效的代码以充分利用系统的资源。
这包括优化算法、减少资源占用、合理地使用内存和处理器，以及减少不必要的操作等。
同时，需要注意代码的可维护性和可读性，以方便后续的维护和升级工作。
4. 实时性要求：嵌入式系统通常需要满足实时性要求，即对事件的处理必须在严格的时间约束下完成。
为了满足实时性要求，需要对系统的任务进行合理的调度和优先级分配，以确保关键任务的及时响应。
此外，还可以使用中断、定时器等机制来处理实时事件。
5. 异常处理和容错设计：在嵌入式系统中，由于环境的复杂性和不可控性，可能会发生各种异常情况，例如硬件故障、通信错误等。
因此，需要在软件设计中考虑异常处理和容错设计。
这包括错误检测和恢复机制、数据校验和纠错码等。
通过这些设计，可以使系统具备较高的容错性和可靠性。
6. 软件测试和验证：软件测试和验证是确保嵌入式系统正常运行的关键步骤。
需要对软件进行全面的测试，包括功能测试、性能测试、安全性测试等。
同时，还需要考虑系统的可靠性验证，通过各种测试工具和技术，检测出潜在的问题并进行修复。
ReWorks嵌入式实时操作系统和ReDe嵌入式软件开发环境
ReWorks嵌入式实时操作系统和ReDe嵌入式软件开发环境1 引言嵌入式系统与软件是发展先进制造业和现代服务业，满足高端数字化应用对网络自适应、服务个性化、功能综合化以及功能复杂化等需求的重要技术保障。
随着嵌入式微处理器、通信总线、存储器和嵌入式计算机系统结构的技术发展，嵌入式硬件的价格不断降低，计算能力、通信能力和存储能力不断提高，这为嵌入式软件的发展提供了更大的空间。
另一方面，嵌入式应用层面的信息化、智能化、网络化需求，促使传统的嵌入式软件向基于嵌入式实时操作系统的、更具功能扩展能力和价值创造能力的嵌入式软件发展。
在轨道交通、船舶电子、信息家电等领域，嵌入式技术的应用已经成为提高产品竞争力的重要手段。
ReWorks是华东计算技术研究所自主研制的嵌入式实时操作系统，ReDe是为ReWorks提供的嵌入式软件开发环境，该产品已广泛应用于轨道交通、船舶电子、信息家电、工业控制和国防领域。
本文从技术角度对ReWorks/ReDe的结构、功能和特点作简要介绍。
2 ReWorks嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统位于嵌入式硬件和嵌入式应用软件之间，为上层应用提供基础服务，是信息家电、信息终端等嵌入式应用产品的核心和灵魂，应用系统的功能实现、实时性能、安全可靠在很大程度上依赖于操作系统的支持。
ReWorks/ReDe采取宿主/目标机的体系结构，如图1所示：图1 ReWorks/ReDe的宿主/目标机体系结构（1）系统结构ReWorks采用微内核及组件技术，能根据应用需要对操作系统内核进行配置、裁剪、扩展与定制，具备较强的伸缩能力。
其中，微内核提供强实时调度、基本内存管理、时钟管理、中断管理等功能，核心组件提供定时器、区域、分区、信号、事件、信号量、消息等可裁剪功能。
这种微内核、层次化组件结构决定了其固有的模块化特性，为提高系统的升级维护能力、目标处理环境适应能力以及系统的扩展能力等提供了基础保障。
（2）ReWorks的强实时性ReWorks提供实时多任务管理机制，支持基于优先级的可抢占调度、时间片轮转调度以及速率单调算法等任务调度策略和技术。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
板级支持包（BSP） 硬件层
固件
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
4
嵌入式ARM系统原理与实例开发
通用计算机系统与嵌入式系统对比
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
5
嵌入式ARM系统原理与实例开发
第5章 嵌入式系统结构及软件开发模式
1
嵌入式系统软硬件结构
2
嵌入式软件开发工具及开发模式
• 所谓交叉是指在一种CPU及其环境上开发另一种CPU及其环境 上运行的程序。
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
8
嵌入式软件开发环境
嵌入式ARM系统原理与实例开发
• 2）软件模拟环境
• 软件模拟环境也称为指令集模拟器ISS(Instruction Set Simulator)
• 软件模拟不可能完全代替真正的硬件环境，这种模拟调试只能 作为一种初步调试，主要是用作用户程序的模拟运行，用来检 查语法、程序的结构等简单错误，用户最终还必须在真实的硬 件环境中实际运行调试，完成整个应用的开发。
嵌入式ARM系统原理与实例开发
嵌入式ARM系统原理与实例开发
北京大学出版社 出版 杨宗德 编著 2007年7月
嵌入式ARM系统原理与实例开发
第5章 嵌入式系统结构及软件开发模式
1
嵌入式系统软硬件结构
2
嵌入式软件开发工具及开发模式
嵌入式硬件最小系统结构
嵌入式ARM系统原理与实例开发
FLASH
ROM
共享目标文件 （*.o，*.a）
可执行映象 （*.elf，*.coff）
链接映射文件 （*.map） 设备程序员
源
阶 段
代 码 编
辑
源文ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 编译 阶段
与 重链 定接 位
调试与 下载 阶段
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
12
嵌入式ARM系统原理与实例开发
嵌入式软件开发的可移植性和可重用性
11
嵌入式ARM系统原理与实例开发
嵌入式应用软件开发的基本流程
头文件 （*.h，*.hpp）
源文件列表
C/C++源代码
汇编源代码
编译预处理
编译器
汇编器
头文件 （*.h，*.hpp）
源文件列表
Archive工具
库文件 （*.a，*.lib）
可重定位 目标文件
链接器和定位器
链接器 命令文件
重定位文件表 （*.o，*.a） 目标开发系统
嵌入式应用软件开发的基本流程
• 基于交叉开发环境的嵌人式应用软件开发主要分如下几个步骤： 开发环境的建立、源代码编辑阶段、交叉编译和链接、重定位 和下载、联机调试几个基本阶段。 – 开发环境建立 – 源文件编辑阶段 – 编译 – 链接 – 下载 – 调试
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
• 由于嵌入式系统是一个专用的系统，所以嵌入式产品的设计过 程中，软件设计和硬件设计是紧密结合、相互协调的。这就产 生了一种全新的发展中的设计理论软硬件协同设计
• 这种方法的特点是在设计时，从系统功能的实现考虑，把实现 时的软硬件同时考虑进去，硬件设计包括芯片级“功能定制” 设计。既可以最大限度的利用有效资源、缩短开发周期，又能 取得更好的设计效果。
• 在确保软件的正确性、实时性的前提下，必须关注软件的可移 植性和可重用性。
• 嵌入式软件与通用软件的不同在于嵌入式应用软件高度依赖于 目标应用的软硬件环境，软件的部分任务功能函数由和处理器 密切相关的汇编语言完成，可移植性差。
• 一个运行良好的嵌入式软件或其中的部分子程序可能在今后的 开发中被应用于类似的应用领域。原有的代码已被反复应用和 维护，具有更好的稳定性。在原有的代码上进行移植将会减少 开发的周期、提高开发效率、节约开发成本
嵌入式ARM系统原理与实例开发
嵌入式软件开发的特点和技术挑战
• 嵌入式软件开发需要软硬件开发环境和工具 • 嵌入式软硬件必须协同设计 • 需要新的任务设计方法 • 开发过程完成后，系统应用程序代码需要固化到系统中并进行
功能、性能和可靠性测试 • 技术挑战：软件的要求更高，开发工作量和难度更大，需要较
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
9
嵌入式软件开发环境
嵌入式ARM系统原理与实例开发
• 3)评估电路板
• 一般用来作为开发者使用的开发平台、学习板、实验板，它们 可以作为应用目标板出来之前的软件测试、硬件调试的电路板
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
10
嵌入式ARM系统原理与实例开发
SDRAM POWER
ARM 处 理 器
GPIO RTC
USB
RS232
RJ45
Key
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
3
嵌入式软件系统基本模型
嵌入式ARM系统原理与实例开发
应用程序层（Application） FS文件系统 图形界面GUI 系统管理接口
实时操作系统内核系统（RTOS）
大的知识集合
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
7
嵌入式软件开发环境
嵌入式ARM系统原理与实例开发
• 1）交叉开发环境
• 交叉开发软件一般为一个整合编辑、编译、汇编、链接、调试、 工程管理及函数库等功能模块的集成开发环境IDE （Intergrated Development Environment）。
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
16
软硬件协同设计
嵌入式ARM系统原理与实例开发
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
17
嵌入式ARM系统原理与实例开发
嵌入式开发的基本流程
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
13
嵌入式ARM系统原理与实例开发
嵌入式软件开发的可移植性和可重用性
• 采用下面的方法可以提高应用软件的可移植性和可重用性。
– 多用高级语言少用或者不用汇编语言 – 将不可移植部分局域化 – 提高代码的可重用性（标准化接口）
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
14
嵌入式开发的考虑要素
• 复杂计算与资源紧缺 • 用户界面的选择 • 实时性 • 多任务多速率 • 制造成本 • 功耗 • 成品的体积
嵌入式ARM系统原理与实例开发
2020/2/29
北京大学出版社出版 杨宗德编著
15
软硬件协同设计
嵌入式ARM系统原理与实例开发
• 嵌入式系统设计是使用一组物理硬件和软件来完成所需功能的 过程。系统是指任何由硬件、软件或者两者的结合来构成的功 能设备。