网站目录做301,建设高端网站的公司,潞城市网站建设公司,用爬虫做网站本章考点#xff1a; 第19课时主要学习嵌入式系统架构设计的理论和工作中的实践。根据新版考试大纲#xff0c;本课时知识点会涉及案例分析题#xff08;25分#xff09;。在历年考试中#xff0c;案例题对该部分内容都有固定考查#xff0c;综合知识选择题目中有固定分值…本章考点 第19课时主要学习嵌入式系统架构设计的理论和工作中的实践。根据新版考试大纲本课时知识点会涉及案例分析题25分。在历年考试中案例题对该部分内容都有固定考查综合知识选择题目中有固定分值的考查。本课时内容侧重于对知识点的记忆、理解和应用按照以往的出题规律嵌入式系统架构设计基础知识点基本来源于教材内。本课时知识架构如图19.1所示。 一、嵌入式系统发展历程
嵌入式系统发展历程见表19.1。
表19.1 嵌入式系统发展历程表 发展历程硬件软件主要特点单片微型计算机SCM)单片机无操作系统 汇编语言 结构和功能相对单一 处理效率低 存储容量十分有限 几乎没有用户接口 微控制器MCU) 单片机 嵌入式微处理器 外围电路 接口电路 以简单操作系统为 核心 微处理器、微控制器种类繁多 通用性比较弱 系统开销小处理效率高 智能化控制能力突出 片上系统SoC)嵌入式微处理器嵌入式操作系统 嵌入式系统兼容性好 操作系统内核小 处理效率高 以Intemet 为基础的嵌入式系统嵌入式微处理器嵌入式操作系统微处理器集成网络接口 应用域网络环境中智能化、云技术推动下的嵌入式系统 微型传感器 智能服务设备 低能耗高速度高集成高可信适应环境广 二、嵌人式系统硬件
1.传统嵌入式系统 传统嵌入式系统主要硬件包括 1)微处理器微控制器MCU),微处理器MPU)。
2)存储器RAM、ROM。 3)总线内总线外总线。 4)定时器计数器Timer)。 5)看门狗WatchDog)。 6)I/O接口串口网络USB,JTAG。 7)外部设备UART,LED。
2.嵌入式处理器的分类
嵌入式处理器可以分为 1)微处理器Micro Processor Unit,MPU).特点是体积小重量轻成本低可靠性高但技术保密性差。 2)微控制器Micro Control Unit,MCU).特点是单片化体积小功耗低成本低可靠性更高。 3)信号处理器Digital Signal.Processor,DSP).特点是系统结构和指令采用特殊设计通常采用哈佛结构编译效率高指令执行速度也高。 4)图形处理器Graphics Processing Unit,GPU).专注于浮点运算弥补了CPU-运算速度不足。 5)片上系统System on Chip,SoC).采用了片内再编程技术可使片上系统内硬件的功能像软件一样通过编程来配置从而可以实时地进行灵活而方便的修改和开发。
3.存储器 存储器就是一种存储程序和数据用的时序逻辑电路。存储器具有如下分类 1)随机存取存储器Random Access Memory,RAM).它的特点是一旦系统断电存放在里面的所有数据和程序都会自动清空掉并且再也无法恢复。根据组成元件的不同RAM内存又可分为以下18种①动态随机存取存储器DRAM);②静态随机存取存储器SRAM);③视频内存VRAM);④快速页切换模式动态随机存取存储器FPM DRAM);⑤延伸数据输出动态随机存取存储器EDO DRAM);⑥爆发式延伸数据输出动态随机存取存储器BEDO DRAM);⑦多插槽动态随机存取存储器MDRAM);⑧窗口随机存取存储器WRAM);⑨高频动态随机存取存储器RDRAM);⑩同步动态随机存取存储器SDRAM);⑪同步图形随机存取存储器SGRAM);⑫同步爆发式静态随机存取存储器SB SRAM);⑬管线爆发式静态随机存取存储器PB SRAM);⑭二倍速率同步动态随机存取存储器DDR SDRAM);1同步链环动态随机存取存储器SLDRAM);⑯同步缓存动态随机存取存储器CDRAM);⑰第二代同步双倍速率动态随机存取存储器DDRII);⑱直接内存总线动态随机存取存储器DRDRAM)。
2)只读存储器Read Only Memory,ROM).ROM在元件正常工作的情况下其中的代码数据将永久保存并且不能够进行修改。ROM一般应用于PC系统程序码和主机板BIOS上。ROM可以分为以下5种①掩模型只读存储器MASK ROM);②可编程只读存储器PROM);③可擦可编程只读存储器EPROM);④电可擦可编程只读存储器EEPROM);⑤快闪存储器Flash Memory)。
4.总线 总线是功能部件间传输信息的公共通信干线。总线的拓扑结构有星型、树状、环型、总线型和交叉开关型等5种。总线的类型可以按照计算机所传输的信息种类、按连接部件进行划分。 1)按照计算机所传输的信息种类可以分为 数据总线用于处理器与RAM间传输待处理和待存储的数据。 地址总线用于传输RAM中存储数据的地址。 控制总线用于传输处理器控制单元信号到周边设备。 2)按连接部件分类。 片内总线内部总线连接ALU、寄存器、指令部件等芯片内部元件。 系统总线内部总线又称板级总线连接微控制器处理器主存I/O接口。 局部总线内部总线连接少量组件用于交换数据。 通信总线外部总线又称外设总线连接外部设备或外部系统。
5.看门狗 看门狗为嵌入式系统提供必需的系统恢复能力在系统发生软件问题和程序跑飞时重新启动系统。它的基本原理是由计数器自动计数程序定期将其重置如果系统卡死或程序跑飞计数器溢出进入中断处理在设定时间间隔内系统保留状态后复位重启。
三、嵌人式系统软件
1.嵌入式操作系统的定义及特点 嵌入式操作系统Embedded Operating System,EOS)是指用于嵌入式系统的操作系统。与通用的操作系统相比嵌入式操作系统具有可剪裁性可移植性强实时性强紧凑性高质量代码强定制性标准接口强稳定性弱交互性强确定性操作简捷、方便较强的硬件适应性可固化性的特点。
2.嵌入式系统的架构 嵌入式操作系统分为面向控制、通信领域以及面向消费电子产品两类。嵌入式操作系统的架构如图19.2所示。 3.嵌入式操作系统的基本功能 1)操作系统内核架构包括 1)宏内核。用于管理用户程序和硬件间的系统资源在宏内核中用户服务和内核服务在同一空间中实现代码耦合度非常高内核的功能组件代码可以互相调用。 2)微内核。微内核管理所有系统资源在微内核中用户服务和内核服务在不同空间中实现系统结构清晰代码量少。
2)任务管理。任务是嵌入式操作系统调度最小单位类似于计算机操作系统中进程的概念。任务有3种工作状态 1)执行状态任务获得处理机程序在处理机中执行。 2)就绪状态任务已获得处理机以外资源待获得处理机即可执行。 3)阻塞状态执行状态任务因等待事件发生无法执行而放弃处理机。 嵌入式操作系统大都支持优先级抢占调度算法和时间片轮转调度算法。在实时系统的任务调度中存在大量的实时调度方法大致可以分为 1)离线调度算法系统运行前确定调度信息如时间驱动确定性缺乏灵活性。 2)在线调度算法系统运行中动态获得调度信息如优先级驱动灵活性较大。 3)抢占调度算法运行任务可能被打断更复杂更耗资源。 4)非抢占调度算法运行任务不被打断。 5)静态调度算法任务优先级在设计时确定不变化简单缺乏灵活性。 6)动态调度算法任务优先级在运行中确定不断变化灵活耗资源。 实时调度算法中还有强实时调度算法具体可以分为 1)最早截止时间优先Earliest Deadline First,EDF)调度算法根据任务截止时间确定优先级截止时间越早其优先级越高。 2)最低松弛度优先Least Laxity First,LLF)调度算法根据任务紧急或松弛程度确定优先级紧急程度越高优先级越高。 3)单调速率Rate Monotonic Scheduling,RMS)调度算法根据任务周期确定有限期周期越短优先级越高。这种算法被认为是最优的。 3)存储管理。存储管理的主要目的是解决多个用户使用主存的问题存储管理方法主要包括分区、分页、分段、段页式存储管理以及虚拟存储管理等。 4)任务间通信。任务间通信管理也是嵌入式操作系统的关键功能之一。它主要为操作系统的应用程序提供多种类型的数据传输、任务同步异步操作等手段。
4.嵌入式数据库 嵌入式数据库具有嵌入式、实时性、移动性、伸缩性的特点。嵌入式数据库可以按照如下方式分类 1)按嵌入对象分为软件嵌入数据库、设备嵌入数据库、内存数据库。 2)按系统结构分为嵌入数据库、移动数据库、小型C/S结构数据库。 3)按存储位置分为①基于内存的数据库系统采用内存存储属于实时事务最佳技术②基于文件的数据库以文件方式磁盘存储安全性低③基于网络的数据库远程服务器存储无须解析SQL,支持更多SQL操作客户端小便于代码重用。
5.嵌入式数据库架构 数据库管理系统与嵌入式数据库对比见表19.2.
表19.2 数据库管理系统与嵌入式数据库使用对比 对比页数据库管理系统嵌入式数据库操作用户允许非开发人员操作只允许应用程序访问和控制访问控制数据与程序分离便于访问控制应用程序负责访问和控制发布部署独立安装、部署和管理与应用程序一同发布 1)基于内存的数据库系统。典型产品是 eXtremeDB 嵌入式数据库它具有最小化资源消耗、保持极小堆空间、维持极小代码体积、消除额外代码层、提供动态数据结构本地支持等特点。 2)基于文件的嵌入式数据库系统架构。典型产品是SQLite,它的特点是开源的内嵌式关系型数据库、集成在程序中无须配置管理服务器客户端同进程简化管理减少网络开销、对数据类型有独特处理。 3)基于网络的嵌入式数据库系统架构。C/S架构的数据库、B/S架构的数据库以及云数据库等都属于这种类型。
6.嵌入式数据库主要功能 除了具有与通用数据库相似的功能外嵌入式数据库还具有的功能包括足够高效的数据存储机制、数据安全控制锁机制、实时事务管理机制、数据库恢复机制历史数据存储。
7.嵌入式中间件 嵌入式中间件是在嵌入式系统中处于嵌入式应用和操作系统之间层次的中间软件其主要作用是对嵌入式应用屏蔽底层操作系统的异构性常见功能有网络通信、内存管理和数据处理等。典型的嵌入式中间件有消息中间件、分布式对象中间件。
8.嵌入式系统软件开发环境 嵌入式系统软件开发环境的特点是集成开发环境交叉开发开放式架构可扩展性可操作性可移植性可配置性实时性可维护性用户界面友好。 四、嵌入式系统软件架构设计方法
1)基于架构的软件设计开发方法Architecture-Based Software Design,ABSD).这种方法的详细内容在第9课时中这里不再赘述。 2)属性驱动的软件设计方法Attribute-Driven Design,ADD).ADD是把一组质量属性可用性、性能、安全性等场景作为输入利用对质量属性实现与架构设计之间的关系的了解如体系结构风格、质量战术等对软件架构进行设计的一种方法。这种方法在满足质量属性的基础上建立模块分解过程通过输入质量场景利用质量属性战术实现架构设计。采用ADD方法进行软件开发时需要经历评审、选择驱动因子、选择系统元素、选择设计概念、实体化元素和定义接口、草拟视图和分析评价等7个阶段。 3)实时系统设计方法Design Approach for Real-Time System,DARTS).DARTS基于传统结构化分析方法扩展了行为建模部分。DARTS方法分为5个部分用实时结构化分析方法开发系统规范、将系统划分为多个并发任务、定义任务间接口、设计每个任务、设计过程的成果。 DARTS方法的优势如下 1)强调将系统分解为并发任务并提供确认任务的标准。 2)提供定义任务间接口的指南。 3)强调用任务架构图的重要性。 4)提供从实时结构化分析规格到实时结构化设计的转换。 DARTS方法的不足如下 1)DARTS使用信息隐藏技术封装数据存储封装性不好。 2)如果实时结构化分析阶段完成得不好那么任务的结构化工作就会更加困难。
五、嵌入式系统软件架构实践
1.鸿蒙操作系统 鸿蒙操作系统架构采用了分布式设计理念实现了分布式软总线、分布式设备系统的虚拟化、分布式数据管理和分布式任务调度4种分布式能力。 鸿蒙操作系统的架构是一种层次式架构由内核层、系统服务层、应用框架层、应用层组成如图19.3所示。 1)内核层。内核层采用微内核设计内核层中的内核抽象层屏蔽多内核差异对上层提供基础内核能力如进程线程管理、内存管理、文件系统、网络管理、外设管理等。驱动子系统则提供统一外设访问能力驱动开发框架驱动管理框架。 2)系统服务层。属于核心能力集合的部分为应用程序提供服务。 3)应用框架层。为应用服务提供多语言用户程序框架、能力框架以及各种硬件服务对外开放的API. 4)应用层。包括系统应用和第三方非系统应用能够实现特定的业务功能支持跨设备调度与分发为用户提供一致、高效的应用体验。 鸿蒙垛作系统架构具有4个技术特性
1)分布式架构用于终端操作系统实现跨终端无缝协同体验。 2)确定时延引擎和高性能进程间通信技术实现系统的流畅。 3)基于微内核架构重塑终端设备的可信安全。 4)统一集成开发环境一次开发多端部署实现跨终端生态共享。
2.面向安全攸关系统的跨领域系统架构Generic Embedded System,GENESYS) GENESYS是一种跨领域的通用嵌入式架构平台。GENESYS采用消息交换方式实现软硬件构件的抽象级别的提升使得构件在接口规范基础上可以被重用而不需要知道构件的内部实现。GENESYS 设计了故障或错误的隔离框架构件在瞬态故障引起失效后可选择性地重启和用构件复制来屏蔽瞬态和永久错误。同时GENESYS可以减少构件的功率需求或者在不需要时功率门完全关闭构件。因此GENESYS的出现解决了复杂性管理、系统健壮性、能量有效使用3个方面的挑战。 GENESYS架构主要提供了3组服务即领域无关服务、领域专用服务和应用专用服务包含中间件如图19.4所示。 1)领域无关服务。包括核心服务和选择服务如嵌入式系统中的全局时间和消息传输等服务为核心服务。信息安全服务、外部存储器管理器或者Internet 网关服务等属于选择服务。 2)领域专用服务是由领域特有的服务子集加上待开发领域特征的特定服务组合。GENESYS架构从硬件、软件的观点遵循了面向构件的风格分离了计算与通信将计算构件和通信设施作为独立构件进行设计。GENESYS架构的主要特征及优势包括 1)精确的构件定位。具体体现为简单化、跨领域重用、规模的经济型、健壮性、可降低系统集成工作量这5个特征。 2)开放性。体现为具有可集成性、可升级性、可扩展性、遗产系统集成、降低成本这5个特征。 3)三级集成。具有芯片级集成、设备级集成、系统级集成的集成。 4)分层的服务。体现具有可重用性、领域定位、工效经济型的特性。 5)确定的核心。体现在具有及时性、降低复杂性、可测试性、认证、故障掩蔽的特征。 6)标准的互联集成。体现在对远程访问的保护、降低集成工作难度、常规人机交互、具有安全性4个方面。
3.物联网操作系统软件架构 物联网操作系统至今没有一个明确的定义。物联网操作系统通常包括芯片层、终端层、边缘层、云端层等多个层面内容。物联网操作系统使用的软件以及技术主要有开源物联网操作系统FreeRTOS)、公共服务组件网络协议、外设支持、可移植操作系统接口 POSIX 等定制性服务组件有消息队列遥测传输协议MQTT),安全超文本传输协议HTTPS),加密消息标准PKCS11支持安全套件等。物联网操作系统主要特征有内核实时性、内核尺寸伸缩性、架构可扩展性、高可靠性、低功耗。
六、课后练习
1.以下关于鸿蒙操作系统的叙述中不正确的是。 A.鸿蒙操作系统整体架构采用分层的层次化设计从下向上依次为内核层、系统服务层、框架层和应用层 B.鸿蒙操作系统内核层采用宏内核设计拥有更强的安全特性和低时延特点 C.鸿蒙操作系统架构采用了分布式设计理念实现了分布式软总线、分布式设备系统的虚拟化、分布式数据管理和分布式任务调度等四种分布式能力 D.架构的系统安全性主要体现在搭载HarmonyOS的分布式终端上可以保证“正确的人通过正确的设备正确地使用数据”
2.GENESYS架构的主要特征及优势是什么
3.鸿蒙操作系统架构具有哪几个技术特性
4.嵌入式系统软件架构设计方法中的实时系统设计方法DARTS)具有哪些优势和不足
答案解析
1、解析鸿蒙操作系统采用微内核架构整体采用层次式架构采用分布式理念且实现了分布式安全框架。 答案B
2、答案GENESYS架构的主要特征及优势包括 1)精确的构件定位。具体体现为简单化、跨领域重用、规模的经济型、健壮性、可降低系统集成工作量这5个特征。 2)开放性。体现为具有可集成性、可升级性、可扩展性、遗产系统集成、降低成本这5个特征。 3)三级集成。具有芯片级集成、设备级集成、系统级集成。 4)分层的服务。体现具有可重用性、领域定位、工效经济型的特性。 5)确定的核心。体现在具有及时性、降低复杂性、可测试性、认证、故障掩蔽的特征。 6)标准的互联集成。体现在对远程访问的保护、降低集成工作难度、常规人机交互、具有安全性4个方面。
3、答案鸿蒙操作系统架构具有4个技术特性 1)分布式架构用于终端操作系统实现跨终端无缝协同体验。 2)确定时延引擎和高性能进程间通信技术实现系统的流畅。 3)基于微内核架构重塑终端设备的可信安全。 4)统一集成开发环境一次开发多端部署实现跨终端生态共享。 4、答案DARTS方法的优势 1)强调将系统分解为并发任务并提供确认任务的标准。 2)提供定义任务间接口的指南。 3)强调用任务架构图的重要性。 4)提供从实时结构化分析规格到实时结构化设计的转换。 DARTS方法的不足 1)DARTS使用信息隐藏技术封装数据存储封装性不好。 2)如果实时结构化分析阶段完成得不好那么任务的结构化工作就会更加困难。
