軟考架構師（12）——嵌入式相關

一：嵌入式系統概論

嵌入式系統的特色包括：

（1）系統專用性強。
（2）軟、硬件依賴性強。
（3）系統實時性強。
（4）處理器專用。
（5）多種技術緊密結合。

（6）系統透明性。
（7）系統資源受限。

實時系統的概念

實時系統能夠當作對外部事件及時響應的系統。現實世界中，並不是全部的嵌入式系統都具備實時特性，全部的實時系統也不必定都是嵌入式的。但這兩種系統並不互相排斥，兼有這兩種特性的系統稱爲實時嵌入式系統（Real-Time Embedded System，RTES），一般簡稱爲實時系統。介紹與RTES相關的幾個概念：

（1）邏輯（或功能）正確：指系統對外部事件的處理可以產生正確的結果。

（2）時間正確：指系統對外部事件的處理必須在預約的週期內完成。

（3）死線（Deadline）：指系統必須對外部事件處理的最遲時間界限，錯過此界限可能產生嚴重後果。一般，計算必須在到達死線前完成。

（4）實時系統：指功能正確和時間正確同時知足的系統，兩者同等重要。換言之，實時系統有時間約束而且是死線驅動的。可是在某些系統中，爲了保證功能正確性，有可能犧牲時間正確性。

二：嵌入式系統的基本架構

嵌入式系統通常都由軟件和硬件兩個部分組成，

硬件基礎：嵌入式處理器、存儲器和外部設備構成整個系統的硬件基礎。

軟件部分：系統軟件、支撐軟件和應用軟件，其中系統軟件和支撐軟件是基礎，應用軟件則是最能體現整個嵌入式系統的特色和功能的部分。

硬件架構

微處理器是整個嵌入式系統的核心，負責控制系統的執行。

外部設備是嵌入式系統同外界交互的通道，常見的外部設備有flash存儲器、鍵盤、輸入筆、觸摸屏、液晶顯示器等，在不少嵌入式系統中還有與系統用途緊密相關的各類專用外設。嵌入式系統中常用的存儲器有3種類型，分別是RAM、ROM和混合存儲器。

系統的存儲器用於存放系統的程序代碼、數據和系統運行的結果。

嵌入式系統的核心部件是各類類型的嵌入式處理器，根據目前的使用狀況，嵌入式處理器能夠分爲以下幾類：

（1）嵌入式微處理器。由通用計算機中的CPU演變而來，在功能上跟普通的微處理器基本一致，可是它具備體積小、功耗低、質量輕、成本低及可靠性高的優勢。一般，嵌入式微處理器和ROM（Read Only Memory，只讀存儲器）、RAM（Random Access Memory，隨機存取存儲器）、總線接口及外設接口等部件安裝在一塊電路板上，稱爲單板計算機。

（2）嵌入式微控制器。又稱爲單片機，整個計算機系統都集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器通常以某一種微處理器內核爲核心，芯片內部集成有存儲器、總線、總線邏輯、定時器/計數器、監督定時器、並口/串口、數模/模數轉換器、閃存等必要外設。與嵌入式微處理器相比，嵌入式微控制器的最大特色是單片化，於是體積更小、功耗和成本更低，可靠性更高。

（3）嵌入式數字信號處理器。一種專門用於信號處理的處理器，DSP（Digital Signal Processor，數字信號處理器）是芯片內部採用程序和數據分開的結構，具備專門的硬件乘法器，普遍採用流水線操做，提供特殊的DSP指令，能夠用來快速實現各類數字信號的處理算法。目前，DSP在嵌入式系統中使用很是普遍，如數字濾波、快速傅立葉變換及頻譜分析等。

（4）嵌入式片上系統。一種在一塊芯片上集成不少功能模塊的複雜系統，例如，把微處理器內核、RAM、USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）、IEEE 139四、Bluetooth（藍牙）等集成到一個芯片中，構成一個嵌入式片上系統，從而大幅度縮小了系統的體積、下降了系統的複雜度、加強了系統的可靠性。在大量生產時，生產成本也遠遠低於單元部件組成的電路板系統。根據用途不一樣，嵌入式片上系統能夠分爲通用片上系統和專用片上系統兩類。專用類的嵌入式片上系統通常是針對某一或某些系統而設計的。

軟件架構

 

 

三：嵌入式操做系統（EOS）

嵌入式操做系統（Embedded Operating System，EOS）由操做系統內核、應用程序接口、設備驅動程序接口等幾部分組成。

嵌入式操做通常採用微內核結構。操做系統只負責進程的調度、進程間的通訊、內存分配及異常與中斷管理最基本的任務，其餘大部分的功能則由支撐軟件完成。

嵌入式系統中的支撐軟件由窗口系統、網絡系統、數據庫管理系統及Java虛擬機等幾部分組成。

對於嵌入式系統來說，軟件的開發環境大部分在通用臺式計算機和工做站上運行，但從邏輯上講，它仍然被認爲是嵌入式系統支撐軟件的一部分。

支撐軟件通常用於一些淺度嵌入的系統中，如智能手機、我的數字助理等。嵌入式系統中的應用軟件是系統總體功能的集中體現。系統的能力老是經過應用軟件表現出來

內核對象：

RTOS的用戶可使用內核對象來解決實時系統設計中的問題，如併發、同步與互斥、數據通訊等。內核對象包括信號量、消息隊列、管道、事件與信號等。配套視頻

內核服務：

大多數嵌入式處理器架構都提供了異常和中斷機制，容許處理器中斷正常的執行路徑。這個中斷可能由應用軟件觸發，也可由一個錯誤或不可預知的外部事件來觸發。而大多數EOS則提供異常和中斷處理的「包裹」功能，使嵌入式系統開發者避免底層細節。

常見的嵌入式操做系統

1．VxWorks

2．Palm

3．Windows CE

4．Linux 

四：嵌入式系統數據庫

 一個完整的嵌入式DBMS由若干子系統組成，包括主DBMS、同步服務器、嵌入式DBMS、鏈接網絡等幾個子系統，如圖3-5所示。

 

  

 五：嵌入式系統網絡

 1：現場總線網

現場總線主要有總線型與星型兩種拓撲結構。FCS一般由如下部分組成：現場總線儀表、控制器、現場總線線路、監控、組態計算機。這裏的儀表、控制器、計算機都須要經過現場總線網卡、通訊協議軟件鏈接到網上。所以，現場總線網卡、通訊協議軟件是現場總線控制系統的基礎和神經中樞。

 2：嵌入式因特網

1．嵌入式因特網的接入方式

（1）直接接入式因特網。嵌入式設備上集成了TCP/IP協議棧及相關軟件，這類設備能夠做爲Internet的一個節點，分配有IP地址，與Internet直接互聯。

這種接入方式的特色是：設備能夠直接鏈接到Internet，對Internet進行透明訪問，不須要專門的接入設備，設備的協議標準化；須要的處理器性能和資源相對較高，須要佔用IP資源，因爲目前IPv4資源緊張，這種方案在IPv6網中可能更現實。

（2）經過網關接入因特網。即採用瘦設備方案，設備不直接接入Internet，不須要複雜的TCP/IP協議全集，而是經過接入設備接入Internet。

這種接入方式的特色是：對接入設備的性能和資源要求較低，接入設備的協議棧開銷較小，不須要分配合法的IP地址，能夠下降系統的總體成本；設備能夠實現多樣化、小型化。