嵌入式系统
一、嵌入式系统概述
（一）定义与核心特点
- 定义：
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，集成可配置/裁剪的软硬件于一体的专用计算机系统，需满足功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求。从计算机角度看，它是嵌入设备内部的小型化计算机系统，主要完成信号控制功能，可作为部件埋藏于装置中。 - 核心特点：
- 专用性：针对特定应用设计，软硬件可裁剪。
- 小型化：体积小、结构紧凑，适合嵌入式场景。
- 集成性：由处理器、硬件、操作系统、支撑软件和应用软件组成。
（二）软件架构层次
嵌入式系统软件架构从下到上分为五层：
- 硬件层：包括嵌入式微处理器、存储器（RAM/ROM）、I/O接口（串口、USB、JTAG）、外部设备（UART、LED）等。
- 抽象层：
- 硬件抽象层（HAL）和板级支持包（BSP），负责硬件初始化（片级→板级→系统级）。
- 操作系统层：嵌入式实时操作系统（如VRTX、μC/OS-II），管理任务、存储、时间等资源。
- 中间件层：数据库（DB）、图形用户接口（GUI）、通信管理等，提供通用功能支持。
- 应用层：工业控制、军事、物联网、移动设备等领域的具体应用程序。
（三）发展历程
嵌入式系统发展经历五个阶段：
- 第一阶段（单片机时代）：单片微型计算机（SCM），功能简单，独立运行。
- 第二阶段（微控制器阶段）：微控制器（MCU，单片机）集成外设，体积小、功耗低。
- 第三阶段（片上系统阶段）：SoC将处理器、存储器、外设集成到单一芯片，提升集成度。
- 第四阶段（网络化阶段）：基于Internet的嵌入式系统，支持网络通信。
- 第五阶段（智能化阶段）：结合AI、云技术，实现智能化应用（如物联网、边缘计算）。
二、嵌入式硬件
（一）微处理器分类与特点
| 类型 | 定义与特点 | 典型应用 |
|---|---|---|
| MPU | 微处理器，基于通用处理器内核，配置专用电路板，保留嵌入式所需功能（如ARM Cortex-A系列）。 | 高端嵌入式设备（如工业控制、智能终端）。 |
| MCU | 微控制器（单片机），集成存储器、外设于单芯片，体积小、功耗低、成本低（如8051、STM32）。 | 简单控制场景（如家电、传感器）。 |
| DSP | 数字信号处理器，采用哈佛结构（程序与数据存储分离），优化数字信号处理算法，运算速度快。 | 音频/视频处理、通信信号处理。 |
| GPU | 图形处理器，集成数千个核心，高速处理图像数据，支持3D渲染，峰值性能可达100 TFlops以上。 | 图形密集型应用（如游戏、AI视觉）。 |
| SoC | 片上系统，集成处理器、IP核、存储器于单一芯片，实现软硬件无缝结合，减小体积和功耗。 | 智能手机、嵌入式物联网设备。 |
（二）体系结构对比
| 结构 | 定义 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 冯·诺依曼 | 程序与数据共享同一存储器，通过同一总线传输。 | 结构简单，成本低，但数据吞吐率受限。 | PC处理器（如x86）、低端MCU。 |
| 哈佛结构 | 程序与数据存储器独立，可并行访问，支持4条总线（指令/数据的地址和数据总线）。 | 数据吞吐率高，适合高速运算，DSP典型架构。 | DSP、高端嵌入式处理器。 |
（三）AI芯片技术架构
- 四大类AI芯片：
- GPU：通用图形处理器，适合大规模并行计算，用于AI训练（如NVIDIA GPU）。
- FPGA：现场可编程门阵列，可重构硬件逻辑，兼顾灵活性与性能，用于AI推断。
- ASIC：专用集成电路，针对特定算法优化（如Google TPU），高效低功耗，用于定制化AI任务。
- 类脑芯片：模拟人脑神经结构，支持低功耗深度学习，尚处研发阶段。
- 关键特征：
- 新型计算范式、支持训练与推断、大数据处理能力、可重构性、低精度设计、专用工具链。
（四）总线分类与特性
- 按功能分类：
- 数据总线：传输数据，宽度决定一次传输的数据量（如32位、64位）。
- 地址总线：传输存储器/设备地址，宽度决定系统寻址空间（如32位可寻址4GB）。
- 控制总线：传输控制信号（如读写命令、中断信号）。
- 按传输方式分类：
- 并行总线：多位数据同时传输，速度快但距离短（如PCI、USB 3.0之前）。
- 串行总线：逐位传输，适合长距离，波特率可调，依赖校验码保证正确性（如USB 3.0+、UART）。
- 按范围分类：
- 芯片内总线（芯片内部连接）、系统总线（主板内连接CPU、内存）、外总线（设备间通信，如以太网、CAN）。
三、嵌入式操作系统
（一）定义与分类
- 定义：
嵌入式操作系统（EOS）负责管理嵌入式系统的软硬件资源，包括任务调度、内存管理、设备驱动等，分为实时（RTOS）和非实时系统。 - 实时操作系统（RTOS）：
- 核心特点：实时性强，确保任务在指定时间内完成，支持中断响应、任务切换等低延迟操作。
- 评价指标：中断响应时间、任务切换时间、信号量混洗时间。
（二）调度算法
- 优先级调度算法：任务优先级固定，高优先级先执行。
- 抢占式优先级调度：高优先级任务可抢占低优先级任务的CPU资源，多数RTOS采用（如FreeRTOS）。
- 最早截止期调度（EDF）：根据任务截止时间动态调整优先级，截止期近的任务优先执行。
（三）内核架构对比
| 架构 | 定义 | 优点 | 缺点 | 典型系统 |
|---|---|---|---|---|
| 宏内核 | 所有功能（文件系统、设备驱动）集成在内核，运行于同一地址空间。 | 系统调用效率高，无进程间通信开销。 | 内核庞大，可剪裁性差，稳定性低。 | Linux（嵌入式版） |
| 微内核 | 仅内核核心功能（进程调度、内存管理），其他功能作为用户态服务运行。 | 结构清晰，可剪裁性强，稳定性和安全性高（模块故障不影响内核）。 | 用户-内核态切换频繁，性能略低。 | 鸿蒙OS、QNX |
（四）鸿蒙操作系统特性
- 分层架构：从下到上分为内核层（支持Linux和LiteOS）、系统服务层、框架层、应用层，支持跨设备功能裁剪。
- 分布式能力：
- 分布式软总线、数据管理、任务调度、虚拟外设，实现跨终端无缝协同。
- 实时与安全：
- 确定时延引擎降低响应时延25.7%，微内核IPC效率提升5倍。
- 分布式身份认证、可信运行环境、数据分级管理，保障安全。
四、嵌入式数据库
（一）核心特点
与传统数据库相比，嵌入式数据库具有：
- 嵌入式：嵌入设备内部，资源占用小。
- 实时性：支持实时数据处理，响应时间严格（如内存数据库）。
- 移动性：适应移动场景，支持离线操作。
- 伸缩性：可根据设备性能裁剪功能。
（二）分类与应用场景
| 类型 | 定义 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 内存数据库（MMDB） | 数据常驻内存，直接访问内存拷贝，实时性最高。 | 读写速度极快，支持实时事务，适合高频访问场景。 | 工业控制、金融实时交易。 |
| 文件数据库（FDB） | 数据存储为文件，通过驱动程序读写，格式固定。 | 实现简单，安全性低（文件格式可直接读取），资源占用小。 | 嵌入式设备本地数据存储。 |
| 网络数据库（NDB） | 嵌入式设备作为客户端，访问远程服务器数据库，支持4G/5G通信。 | 客户端轻量，代码可重用，需解决并发问题。 | 物联网设备远程数据管理。 |
五、嵌入式软件开发
（一）开发特点与工具链
- 核心差异：
- 交叉开发：在宿主机（PC）上开发，通过交叉编译器生成目标机（嵌入式设备）二进制代码，固化或卸载到目标机运行。
- 软硬件协同：需兼顾硬件特性（如功耗、存储限制），优化代码效率。
- 严格要求：实时性、安全性、可靠性要求高，代码需审定（如安全攸关系统）。
- 关键工具：
- 交叉编译器（如GCC for ARM）、交叉链接器、调试器（JTAG调试器）、仿真器。
（二）功耗优化策略
- 软件设计层面：
- 软硬件协同：根据硬件特性优化算法，减少CPU负载。
- 编译优化：使用低功耗编译选项（如-GOz），减少代码体积。
- 中断替代查询：用中断驱动代替轮询，降低CPU空闲时间。
- 电源管理：动态调整CPU频率，进入休眠模式（如ARM的Cortex-M系列低功耗模式）。
六、总结
嵌入式系统是软硬件深度融合的专用计算机系统，核心在于针对特定场景优化性能、功耗和成本。学习时需掌握：
- 硬件：微处理器分类（MPU/MCU/DSP/GPU/SoC）、体系结构（冯·诺依曼/哈佛）、AI芯片与总线特性。
- 软件：实时操作系统调度算法、内核架构（宏内核/微内核）、鸿蒙OS的分布式设计。
- 开发：交叉开发流程、功耗优化策略、工具链使用。
通过理论与实践结合（如基于STM32或树莓派开发），可深入理解嵌入式系统的设计与实现。
