系统架构设计师备考第8天——嵌入式系统
一、嵌入式系统概述
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定义
- 为特定应用构建的专用计算机系统，软硬件紧密结合，满足功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求。
- 核心特征：专用性强、技术融合（计算机+通信+半导体技术）、软硬一体以软件为主、资源受限、程序固化在非易失存储器中。
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组成
组件 功能说明 嵌入式处理器 抗恶劣环境（分民用级[0,70]℃、工业级[-40,85]℃、军用级[-55,150]℃），如MPU、MCU、DSP、GPU、SoC 支撑硬件 存储器（ROM/RAM）、定时器、I/O接口（串口/USB/JTAG）、专用硬件（如传感器） 嵌入式操作系统 管理资源，具备实时性、可剪裁性、安全性（如VxWorks、Android） 支撑软件 提供公共服务（如运行时库），以库形式被应用调用 应用软件 完成特定功能的业务逻辑程序 -
分类
- 按实时性：
- 强实时系统：必须在严格时限内响应（如航天控制）。
- 弱实时系统：允许轻微延迟（如智能家居）。
- 按安全性：
- 安全攸关系统：失效会导致重大损失（如医疗设备）。
- 非安全攸关系统：失效影响较小（如消费电子）。
- 按实时性：
二、嵌入式软件架构与特点
1. 分层架构（图2-14）
| 层级 | 功能 |
|---|---|
| 硬件层 | 处理器、存储器、I/O接口等物理设备 |
| 抽象层（HAL/BSP） | 硬件抽象层（HAL）虚拟化硬件资源；板级支持包（BSP）驱动硬件芯片 |
| 操作系统层 | 内核（任务/内存/通信管理）、文件系统、网络协议栈（TCP/IP）、可配置组件（GUI/设备管理） |
| 中间件层 | 嵌入式数据库、OpenGL、DDS/CORBA等，实现跨技术资源共享 |
| 应用层 | 具体业务逻辑软件 |
2. 嵌入式软件核心特点
- 可剪裁性：静态编译/动态库移除冗余模块（如定制OS功能）。
- 可配置性：数据驱动/配置表适应不同场景（如调整通信协议）。
- 强实时性：表驱动/汇编优化确保任务时限（EDF调度算法）。
- 高安全性：遵循编码标准（如DO-178航空软件A~E安全等级）。
- 高可靠性：容错/余度设计（如双机热备）。
- 确定性：静态资源分配避免运行时异常（如固定内存池）。
三、开发环境与工具
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交叉开发模式
- 宿主机（PC）：代码编辑、编译、调试。
- 目标机（嵌入式设备）：运行固化程序。
- 工具链：Eclipse框架（支持JDK/CDT）、交叉编译器、调试代理（Agent）。
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开发环境特点
- 开放式架构（支持第三方工具集成）、可移植性（跨平台）、实时性优化（编译器代码优化）。
四、重点考点与典型考题
考点1：嵌入式处理器类型
考题：
下列哪种处理器适合实时信号处理？
A. MPU
B. MCU
C. DSP
D. GPU
答案：C（DSP采用哈佛结构，专为算法优化）
考点2：实时系统调度算法
考题：
在强实时系统中，若任务截止时间严格，应优先采用哪种调度算法？
A. 轮转调度
B. EDF（最早截止时间优先）
C. 静态优先级
D. FIFO
答案：B（EDF动态分配优先级确保时限）
考点3：安全攸关系统设计
考题：
提高嵌入式软件安全性的方法不包括？
A. 冗余设计
B. 动态内存分配
C. 故障模式分析（FMECA）
D. 代码审查
答案：B（动态分配易导致不可预测行为，违反确定性原则）
五、总结
- 嵌入式系统 = 专用硬件 + 实时软件 + 严格约束。
- 设计核心：软硬件协同、资源优化、安全可靠。
- 趋势：IoT/云技术推动低功耗、高集成度发展（如边缘计算设备）。