系统架构设计师备考第60天——嵌入式硬件体系软件架构
一、嵌入式系统发展历程
1. 五个发展阶段
| 阶段 | 硬件平台 | 软件特征 | 典型特点 |
|---|---|---|---|
| 单片机阶段 | 单片微型计算机 | 无OS，汇编语言编程 | 功能单一、效率低、无用户接口 |
| 微控制器阶段 | 嵌入式微处理器 | 简单OS核心 | 扩展外围电路，突出智能化控制；系统开销小、效率高 |
| SoC阶段 | 片上系统 | 兼容多处理器，小型高效OS内核 | 高度集成，兼容性强 |
| 网络化阶段 | 集成网络接口 | 支持网络通信 | 设备网络化（如物联网节点） |
| 智能化阶段 | 低功耗高性能处理器 | 云协同、AI支持 | 低能耗、高可信、双向发展（微型传感器+智能服务设备） |
2. 考点提炼
- 关键转折点：从无OS到实时OS的演进，SoC对集成度的突破。
- 趋势：网络化→智能化→云边端协同。
- 典型考题：
嵌入式系统的第五阶段特征是什么？
答：低能耗、高速度、高集成、高可信，并向微型传感器设备和智能服务设备双向发展。
二、嵌入式系统硬件体系结构
1. 核心组件
| 组件 | 分类/类型 | 特点与应用场景 |
|---|---|---|
| 处理器 | MPU（微处理器）、MCU（微控制器）、DSP（信号处理器）、GPU（图形处理器）、SoC | - MCU：单片化，低成本高可靠（工业控制） - DSP：哈佛结构，高速信号处理（通信设备） |
| 存储器 | RAM：DRAM、SRAM、VRAM、SDRAM等 ROM：PROM、EPROM等 | - DRAM：需刷新，成本低（主存） - SRAM：无需刷新，高速（缓存） - SDRAM：同步CPU时钟 |
| 环境适应性 | 民用级（070℃）、工业级（-4085℃）、军用级（-55~150℃） | 选型需考虑温度、湿度、震动等环境因素 |
| 其他组件 | 定时器、看门狗电路、I/O接口（串口/USB/JTAG） | 看门狗电路防止程序跑飞，JTAG用于调试 |
2. 考点提炼
- 处理器选型：MCU vs MPU（集成度与成本）、DSP的哈佛结构优势。
- 存储器区别：DRAM（动态刷新） vs SRAM（静态高速）。
- 典型考题：
工业级嵌入式处理器的工作温度范围是多少？
答：-40℃ ~ 85℃。
三、嵌入式软件架构概述
1. 架构演进
- 早期（无架构）：监控程序（Monitor）+ 应用软件（两层结构）。
- 现代架构：五层模型：
- 硬件层：处理器、存储器、I/O接口。
- 抽象层：HAL（硬件抽象层） + BSP（板级支持包）。
- OS层：实时OS内核 + 可配置组件（文件系统/GUI/网络栈）。
- 中间件层：嵌入式数据库、DDS/CORBA等（跨技术共享资源）。
- 应用层：专用业务逻辑。
2. 通用开放架构（GOA）
- 设计目标：可移植性、互操作性、可剪裁性、易获得性。
- 接口设计：
- 直接接口：跨层直接调用（如应用→OS）。
- 逻辑接口：同层消息通信（如应用间交互）。
3. 嵌入式软件特点
| 特性 | 设计方法 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 可剪裁性 | 静态编译、动态库加载 | 资源受限设备（传感器） |
| 强实时性 | 表驱动、优先级调度算法 | 工业控制、航空航天 |
| 高安全性 | 编码标准（如DO-178C）、冗余设计 | 汽车电子（A级安全系统） |
| 高可靠性 | 容错技术、鲁棒性设计 | 医疗设备 |
| 开发模式 | 宿主机开发 → 目标机固化运行 | 跨平台调试（JTAG/Agent） |
4. 考点提炼
- GOA架构核心：四接口设计（直接+逻辑）解决可移植性与互操作。
- 安全等级：DO-178C标准（A~E级，A为最高）。
- 典型考题：
嵌入式软件的可剪裁性如何实现？
答：通过静态编译移除未用模块、动态库按需加载、配置表控制功能流程。
四、典型考题汇总
- 嵌入式系统第五阶段的两大发展方向：微型传感器设备 + 智能服务设备。
- 工业级处理器温度范围：-40℃ ~ 85℃。
- SRAM与DRAM的区别：SRAM无需刷新、高速（缓存），DRAM需刷新、低成本（主存）。
- GOA架构的四大特性：可移植性、互操作性、可剪裁性、易获得性。
- 嵌入式软件安全设计标准：DO-178C（航空电子）。