嵌入式系统的软件系统
嵌入式软件架构设计之分层设计
嵌入式软件架构设计之分层设计嵌入式软件分层设计是一种常用的软件架构设计方法，它将整个软件系统分为不同的层次，每个层次有各自的职责和功能，层之间通过接口进行通信和协作。
分层设计的优点是提高了软件系统的可维护性、可扩展性和可重用性，降低了软件模块之间的耦合度。
1.应用层：应用层是整个软件系统的最高层，负责处理用户界面和应用逻辑。
它接收用户的输入，并根据用户的操作来调用下一层的功能模块。
在分层设计中，应用层通常只包含少量的代码，主要是调用下一层的接口函数，并将结果返回给用户。
这样可以保持应用层的简洁和灵活性。
2.业务逻辑层：业务逻辑层是整个软件系统的核心层，负责实现系统的核心功能和业务逻辑。
它包含了系统的主要算法和数据处理逻辑，通过调用下一层的接口函数来实现具体的功能。
业务逻辑层的设计应该尽量遵循高内聚、低耦合的原则，将复杂的业务逻辑拆分成独立的模块或函数，提高系统的可维护性和可扩展性。
3.数据访问层：数据访问层负责与外部设备或数据库进行数据的读写操作。
它提供了统一的接口函数，隐藏了底层硬件或数据库的细节，使上层模块可以方便地访问和操作数据。
数据访问层的设计要考虑到数据的安全性和一致性，同时还要注意性能和效率的问题。
4.设备驱动层：设备驱动层负责与硬件设备进行通信和控制。
它提供了统一的接口函数，使上层模块可以方便地调用设备的功能和服务。
设备驱动层的设计要考虑到硬件设备的特性和接口规范，同时还要保证设备的稳定性和可靠性。
在嵌入式软件分层设计中，每个层次都有自己的职责和功能，层之间通过接口进行通信和协作。
这种分层结构可以将软件系统的复杂性降低到可控制的范围内，提高软件的可维护性和可扩展性。
此外，分层设计还可以促进模块的重用和共享，提高开发效率和软件质量。
但是，在进行嵌入式软件分层设计时，需要注意以下几点：1.合理划分层次：层次划分要合理，避免层次之间的功能重复或交叉。
每个层次应该具有清晰的职责和功能，遵循单一职责原则和层次内聚原则。
嵌入式系统的软件架构设计
1.前言嵌入式是软件设计•领域的一个分支，它自身的诸多特点决定了系统架构师的选择，同时它的一些问题乂具有相当的通用性，可以推广到其他的领域。
提起嵌入式软件设汁，传统的印象是单片机，汇编，奇度依赖硬件。
传统的嵌入式软件开发者往往只关注实现功能本身，而忽视诸如代码复用，数据和界面分离，可测试性等因素。
从而导致嵌入式软件的质量高度依赖开发者的水平，成败系之一身。
随着嵌入式软硬件的飞速发展，今天的嵌入式系统在功能，规模和复杂度各方面都有了极大的提升。
比如，Marvell公司的PXA3xx系列的最高主频已经达到SOOMhz,内建USB, WIFI, 2D图形加速，32位DDR内存。
在硬件上，今天的嵌入式系统已经达到其至超过了数年前的PC平台。
在软件方面，完善的操作系统已经成熟，比如Syinbiain Linux, WinCEo基于完善的操作系统，诸如字处理，图像，视频，音频，游戏，网页浏览等各种应用程序层出不穷，其功能性和复朵度比诸PC软件不遑多让。
原来多选用专用®件和专用系统的一些商业设备公司也开始转换思路，以出色而廉价的硬件和完善的操作系统为基础，用软件的方式代替以询使用专有硕件实现的功能，从而实现更低的成本和更高的可变更，可维护性。
2 •决定架构的因素和架构的影响架构不是一个孤立的技术的产物，它受多方面因素的影响。
同时，一个架构乂对软件开发的诸多方面造成影响。
下面举一个具体的例子。
摩托车的发动机在出厂前必须通过一系列的测试。
在流水线上，发动机被送到每个工位上，山工人进行诸如转速，噪音，振动等方面的测试。
要求实现一个嵌入式设备，具备以下基本功能：L 安装在工位上，工人上班前开启并登录。
2.通过传感器自动采集测试数据，并显示在屏幕上。
3.记录所有的测试结果，并提供统计•功能。
比如次品率。
如果你是这个设备的架构师，哪些问题是在设计架构的时候应该关注的呢？2.1嵌入式常见误解1）小型的系统不需要架构有相当多的嵌入式系统规模都较小，一般是为了某些特定的U的而设计的。
嵌入式系统-2-嵌入式软件基础
嵌入式软件体系结构
无操作系统的体系结构--轮询结构
轮询结构是最简单的结构，程序一次检查每个I/O设备，并且为需要服 务的设备提供服务。
特点：没有中断，没有共享数据，无须考虑延迟时间。例如在数字万用表中 用于连续的测量并可改变显示的内容。
缺点： • 如果一个设备需要比微处理器在最坏情况下完成一个循环的时间更短的响
嵌入式系统
第一部分 嵌入式系统基础
1.3 嵌入式系统软件基础
嵌入式软件分类 嵌入式软件体系结构 嵌入式软件开发 嵌入式软件开发实例
嵌入式软件分类
嵌入式软件
单线程程序
• 分支多 • 技术差系统
多任务系统
单机多任务系统
分布式系统
• 操作系统： Linux、μC/OS-II/III、VxWorks、Android、IOS、WinCE • 硬件平台： ARM、单片机、FPGA、DSP、POWERPC、XScale • 编程语言： C、C++、Object-C、Java、汇编
缺点：若某个较低优先级的运行时间较长，就有可能 影 响较高优先级函数的响应时间。
嵌入式软件体系结构
无操作系统的体系结构--有限状态机 （FSM，Finite State Machine）
控制门状态的有限状态机示意图：
优点： • 对小系统便于编程和理解。 • 以快速执行。 • 只是通过改变输出功能来改变机器的响应。
缺点：所有的任务代码以同样的优先级来执行。
嵌入式软件体系结构
无操作系统的体系结构--函数队列调度结构
在这种结构中,中断程序在一个函数指针队列中添加 一个函数指针,以供程序调用,主程序仅需要从该队列中读 取相应的指针并且调用相关的函数。
优点：该结构没有规定主程序必须按中断程序发生的顺序 来调用函数，主函数可以根据任何达到目的的优先级方案 来调用函数，这样人和需要更快响应的任务代码都可以被 更早地执行。
嵌入式软件基础6-窗口系统
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6 嵌入式窗口系统
嵌入统的影响 嵌入式窗口系统的特点 嵌入式窗口系统的结构与基本功能 几种主要的嵌入式窗口系统
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6.1 嵌入式系统对窗口系统的影响
嵌入式系统的类型对窗口系统的影响 嵌入式系统的硬件资源对窗口系统的影响 嵌入式系统的类型直接影响到窗口系统的存在与否。按照嵌入
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6 嵌入式窗口系统
嵌入式窗口系统的作用 本章主要内容 嵌入式窗口系统是一种用于控制嵌入式系统中的显示设备与输
入设备的软件系统。从最终用户的角度来看，嵌入式窗口系统 通过窗口、菜单、对话框、滚动条、图标、按钮等界面对象提 供了一种与系统进行交互的机制。从应用程序开发者的角度来 看，它提供了一系列用于构造图形用户界面的编程机制，包括 各种库函数和界面对象，通过这些编程机制，可在设备独立的 条件下开发界面友好的应用程序。
鼠标几乎是唯一的指针设备，这种情况在嵌入式系统中有了很 大变化。“笔”在一些嵌入式系统中成为了最主要的指针设备。 “笔”的功能与作用看似与鼠标基本一样，但实际上并不如此。 它们虽然都是指针设备，但不同的是：鼠标总是与屏幕上的光 标相对应，由光标指出指针设备在屏幕上的当前位置。因此在 用鼠标对屏幕上的一个界面对象进行操纵之前要先移动鼠标， 将光标指向该对象。而“笔”则无所谓什么当前位置，在用 “笔”对一个界面对象进行操纵时只需直接点击该界面对象即 可。
式系统的嵌入程度，可将嵌入式系统分为深度嵌入的嵌入式系 统、中度嵌入的嵌入式系统、浅度嵌入的嵌入式系统3类。深 度嵌入的嵌入式系统在运行的过程中不与用户进行交互，用户 也不易察觉计算机的存在。在这类嵌入式系统上根本不需要窗 口系统。因此窗口系统只可能使用在中度嵌入和浅度嵌入的嵌 入式系统上。
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6.1 嵌入式系统对窗口系统的影响
嵌入式系统的软件架构设计
嵌入式系统的软件架构设计一、嵌入式系统软件架构设计的原则1.单一职责原则：模块化设计，每个模块负责独立的功能或任务，使得系统具有高内聚性和低耦合性，易于维护和拓展。
2.低功耗原则：嵌入式系统通常运行在资源受限的环境中，所以在设计过程中应考虑功耗的优化，如合理使用睡眠模式、降低组件工作频率等。
3.实时性原则：对于需要实时响应的系统，需要保证任务的实时性和可靠性。
可以使用实时操作系统，合理分配任务优先级，提供正确的调度机制。
4.可靠性原则：嵌入式系统通常运行在无人值守的环境中，对于需要长时间运行的系统，需要考虑到系统的稳定性和错误处理机制，如保证数据一致性、异常处理等。
二、常用的嵌入式系统软件架构模式1.分层结构：将系统划分为若干层，每一层负责特定的功能或任务。
上层可以调用下层的服务，实现系统的复用和模块化设计。
常见的分层结构有应用层、服务层、驱动层等。
2.客户端-服务器模式：将系统拆分为客户端和服务器，客户端负责用户界面和输入输出处理，服务器负责核心业务逻辑和数据处理。
这种模式适用于需要分布式处理和网络通信的系统。
3.事件驱动模式：通过订阅和发布机制，实现模块之间的高效通信和数据传递。
当一个模块触发一个事件时，相关的订阅者可以接收并处理这个事件。
这种模式适用于需要实现松耦合的模块间通信的系统。
4.状态机模式：系统根据不同的状态进行不同的处理，通过定义状态转换规则，可以实现系统的复杂逻辑控制。
这种模式适用于需要根据不同状态处理不同事件的系统，如自动控制系统。
三、嵌入式系统软件架构设计的指导1.准确定义需求：在设计阶段之前，清楚地定义系统的功能需求、性能需求、可靠性需求等，并根据需求确定软件架构的基本模型和模式。
2.模块化设计和接口定义：将系统划分为若干独立的模块，并定义模块之间的接口和通信机制。
模块化设计可以提高系统的复用性、拓展性和维护性。
3.确定关键任务：对于需要实时响应的系统，需要确定关键任务，并按照优先级进行调度。
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。
嵌入式系统体系结构
嵌入式系统体系结构嵌入式系统体系结构：嵌入式系统的组成包含了硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。
1、硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。
嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。
2、中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP).它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。
BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。
片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。
系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。
B、设计硬件相关的设备驱动。
3、系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4、应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。
嵌入式芯片体系结构介绍1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。
它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。
但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。
嵌入式系统的软件开发流程与技巧
嵌入式系统的软件开发流程与技巧嵌入式系统是指集成在各种电子设备中，以执行特定任务的计算机系统。
嵌入式软件开发是将软件程序嵌入到硬件设备中，使其能够执行特定功能。
在嵌入式软件开发过程中，合理的开发流程和技巧是保证软件开发质量的关键因素。
本文将介绍嵌入式系统软件开发的流程和技巧，帮助开发人员更好地进行嵌入式软件开发。
嵌入式系统的软件开发流程通常由需求分析、设计、编码、测试和维护五个阶段组成。
在需求分析阶段，开发者需要与客户和相关利益相关者合作，明确系统的功能需求和性能要求。
这个阶段的主要任务是收集和分析需求，制定合理的开发计划和时间表。
接下来是设计阶段，开发者需要根据需求分析的结果，制定系统的架构和模块划分。
在该阶段，将确定核心功能模块、编码规范和外部接口规范。
设计阶段还包括软件的界面和用户体验设计。
通过良好的设计，可以确保系统的可扩展性和可维护性。
在设计阶段完成后，开发者将进入编码阶段。
这个阶段的核心任务是根据设计文档，使用合适的编程语言和工具，编写合理的代码。
在编码过程中，开发者需遵循编码规范，使用有意义的变量名和注释，确保代码的可读性和可维护性。
此外，应该注意代码的优化和错误处理，以确保系统的高效性和稳定性。
编码完成后，接下来就是测试阶段。
在测试阶段，开发者需要进行单元测试、集成测试和系统测试。
单元测试主要针对各个功能模块进行测试，确保每个模块的正常工作。
集成测试则是将各个模块集成到一起进行测试，以验证系统的功能和性能。
系统测试是在整个软件系统上进行的，确保系统在各种情况下都能正常运行。
最后是维护阶段，开发者需要对系统进行维护和升级，以适应不断变化的需求和环境。
维护阶段包括故障排查、性能优化和错误修复等工作。
此外，还要定期对系统进行升级，增加新的功能和改进用户体验。
在嵌入式软件开发过程中，还有一些技巧可以提高开发效率和质量。
首先，使用版本控制工具进行团队协作和代码管理。
版本控制工具可以记录代码的修改历史和团队成员的操作，方便团队协作和代码回滚。
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3 板级支持包-BSP
❖ BSP的运行流程
▪ 1. 复位向量入口，此时中断是禁止的； ▪ 2. 设置处理器的工作模式，通常使用复位时的缺省模
式； ▪ 3. 设置RAM和ROM的工作参数，包括DRAM的刷新
参数、地址空间分配等，到此嵌入式系统的处理器和 存储器子系统可以达到运行状态； ▪ 4. 设置操作系统运行所需要的数据段、堆栈空间等； ▪ 5. 设置中断向量，中断向量的设置根据需要进行，也 可以在其它的时候设置，但是一定要在中断允许之前 完成设置； ▪ 6. 操作系统的初始化； ▪ 7. 进入用户的应用；
组件。
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BSP-3:INC_Initialize
❖ 操作系统的初始化：
▪ 初始化操作系统的每一个组件， ▪ 初始化完成后进入Application_Initialize， ▪ 进入用户开发的应用程序。 ▪ 这一部分代码不需要用户编写。
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BSP-4:Application_Initialize
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嵌入式系统的软件结构
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1.2初始化引导代码
❖ 初始化引导代码是任务嵌入式系统上电复位后第 一个执行的代码
❖ 复位向量
▪ 80186：FFFF0H ▪ MCS51 ▪ 引导操作系统 ▪ 进入初始化（硬件、软件）
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1.3 BSP板级支持包
❖ AT平台的标准化 ❖ 嵌入式系统平台的多样化 ❖ BSP的功能
▪ 例如常用的应用软件用于PDA上，记事本、通 讯录、计算器等。
▪ 应用于工业现场总线领域的应用软件如控制软 件等。
▪ 应用软件的开发基于操作系统、网络通信协议 栈、图形用户接口、文件系统等一系列的低层 API。
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1.7 GUI
❖ 对于大多数嵌入式系统，图形用户接口是 必要的，特别是随身设备如PDA、手机等。
❖ 协议栈的运行必须基于嵌入式操作系统的平台支 持，但是并不意味着协议栈必须依赖于嵌入式操 作系统的API。事实上，许多的嵌入式协议栈， 如inter niche的嵌入式TCP/IP协议栈做到了与操 作系统的最大独立性，可以与大多数嵌入式操作 系统集成运行。
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1.6应用软件
❖ 嵌入式系统的应用软件一般需要自主开发， 不同的嵌入式系统的应用软件各具特色和 功能。
❖ 目前开发嵌入式系统，监控程序的作为正在减少， 只用在一些小的嵌入式系统中。
❖ 有的嵌入式控制器的制造商把监控程序驻留在 ROM中提供给用户在开发时使用，提供的功能 如程序下载、调试、固化等。
▪ 如motorola公司的某些8位嵌入式微控制器
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3 板级支持包-BSP
❖ 嵌入式操作系统运行的必要条件
❖ GUI运行在嵌入式操作系统之上。用户开 发的与用户交互的应用软件通过调用GUI 的功能调用(API)来实现。
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2 监控程序-monitor
❖ 监控程序是运行在嵌入式系统中的一段代码，具 有与用户进行交互，管理系统资源的功能，具有 操作系统内核的一小部分功能。嵌入式系统正式 运行时，通常不需要监控程序的干预。
▪ 用户定制的系统各不相同 ▪ 用户定制的系统主要部分相同
❖ 含有存储器、定时器、中断等操作系统运行所需的基本部 件
▪ 嵌入式操作系统与用户定制硬件平台之间的接口
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1.4嵌入式操作系统
❖ 复杂系统需要嵌入式操作系统的支持
❖ 简单系统可以不使用嵌入式操作系统
❖ 嵌入式操作系统可裁减
▪ 嵌入式操作系统的内核
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3.2 nucleus的BSP
❖ 1. 跳转到INT_reset；系统上电复位程序入口； ❖ 2. 执行Int_Initialize； ❖ 3. 执行Inc_Initialize； ❖ 4. 进入应用程序入口Application_Initialize。
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start
INT_reset INT_initialize INC_Initialize application_initialize
过程调用
的 执 行 过 程
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nucleus
BSP-1:INT_reset
❖ （1） 初始化处理器的硬件寄存器； ❖ （2） 设置处理器的片上译码器的寄存器，
为FLASH，RAM，I/O等分配存储空间。
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BSP-2:INT_Initialize
❖ （1） 设置必要的处理器/系统控制寄存器； ❖ （2） 初始化中断向量表； ❖ （3） 设置系统堆栈指针； ❖ （4） 设置定时器中断； ❖ （5） 计算定时器的优先级和堆栈； ❖ （6） 计算出可用的存储器的首地址； ❖ （7） 跳转到INC_Initialize，初始化所有的系统
❖ 处理机管理（任务、任务之间的通信和同步等）
❖ 存储器管理
▪ 完整的嵌入式操作系统
❖ 内核
❖ 文件系统
❖ 人机界面
❖ 设备驱动等
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1.5网络协议栈
❖ 协议栈对于具有网络功能的嵌入式系统产品是必 要的，目前嵌入式协议栈的提供有两种方式，
▪ 一种是独立的第三方协议栈产品， ▪ 一种是嵌入式操作系统的提供商提供协议栈产品。
“退出”，整个程序的结构应该是无限的循环。 5. 嵌入式系统的软件设计需要考虑硬件的支持、
操作系统的支持、程序的初始化和引导等诸多 的方面。 6. 嵌入式系统的软件可能没有操作系统，在裸机 上直接开发。
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1.1嵌入式系统的软件组成
❖ 初始化引导代码 ❖ 板级支持包 ❖ 操作系统 ❖ 通信协议栈 ❖ 图形用户界面 ❖ 应用软件
内容
❖ 软件的结构和组成 ❖ 监控程序 ❖ BSP ❖ 软件系统的设计方法 ❖ 软件的移植
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1 软件的结构和组成
#include <stdio.h> main() {
printf(“hello,world\n”); }
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嵌入式系统的软件开发问题
1. 嵌入式操作系统。 2. 操作系统与应用软件的集成。 3. 软件的结构。 4. 嵌入式系统的软件是没有出口的，程序不能
❖ 用户的应用：应用程序入口
Application_Initialize() {
/* to do: 用户编写的应用程序 */ … }
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4 软件系统的设计方法 1. 无操作系统的嵌入式软件设计 2. 有操作系统的嵌入式软件设计