系统分析师-第五章(嵌入式系统)

嵌入式系统概论

• 特点
  • 系统专用性强
  • 软、硬件依赖强
  • 系统实时性强
  • 处理器专用
  • 多种技术紧密结合
  • 系统透明性
  • 系统资源受限
• 嵌入式系统I/O 工作方式：查询方式，实现上简单
• 实时系统 RTES(实时嵌入式系统[Real-Time Embedded System])
  • 兼容 实时性 和 嵌入式的称为 实时嵌入式系统
  • 特点
    • 逻辑正确：能产生预计的结果
    • 时间正确：处理时间必须在预计时间内完成
    • Deadline：系统必须在 deadline 前完成计算
    • 实时系统：时间正确 和 功能正确
  • 不同场景对 deadline 的容忍度不同，将 RTES 分为
    • 硬RTES deadline 必须满足不允许出现，否则价值为零
    • 软RTES deadline 必须满足，可容忍出现，需要自动尝试恢复
  • RTES 的开始时间和完成时间一样重要，当任务缺少必要资源(CPU、内存)会阻碍任务的启动，造成deadline，这时候问题演变为资源调度问题
• 硬件体系结构
  • 微处理器(负责控制系统)
  • 外部设备
  • 存储器(RAM/ROM/混合存储器)
  • 分类
  • 嵌入式微处理器：和RAM、ROM、总线安装在一个主板上
  • 嵌入式微控制器（单片机）：集成了CPU等等，单片化
  • 嵌入式数字信号处理器：提供特殊的DSP(Digital Signal Processor)指令，包括 数字滤波、快速傅里叶变化和 频谱分析
  • 嵌入式片上系统
• 软件体系结构
  • 应用软件
  • 支撑软件 窗口软件、Java虚拟机、数据库系统、网络系统
  • 嵌入式操作系统(EOS)
• 嵌入式操作系统 EOS
  • 特点
    • 微型化 没有外存，主存很少，资源占用小，精简
    • 代码质量高 存储空间小，代码精简且高效
    • 专业
    • 实时性强
    • 可裁剪可配置
  • 分类
    • 实时嵌入式操作系统(RTOS)
      • 影响实时性能
        • 上下文切换时间
        • 最大中断延迟时间
        • 任务调度算法
      • 优先级反转
        • 由于 RTOS 中 高优先级任务 需要的共享资源被 低优先级任务阻塞，导致高优先级任务的耗时不可预测
        • 采用 优先级继承 解决，释放资源顺序与获取资源书序相反
        • 拥有多个共享资源的任务 优先级提高多次，当有高优先任务的等待低优先任务释放资源时，可以临时提高低优先级任务的优先级，尽快的释放共享资源
        • 由 RTOS 执行完成
        • 良好的系统设计
    • 非实时嵌入式操作系统
  • 结构
    • 调度器 核心 分配器、调度算法
    • 内核对象 任务、信号量
    • 内核服务 内存管理
  • 多任务调度机制
    • 任务之间是不公平的对于 RTOS 调度器来说
    • 任务、任务对象、多任务、调度器、可调度实体
    • 上下文切换 每个任务都有自己的上下文状态，将状态保存在寄存器
    • 可重入性 有此特性的代码都支持中断
    • 分发器 经过三个区域之一：应用程序、ISR(Interrupt Service Routines 中断程序)或内核
  • 内核提供 任务管理服务 允许任务操作有：任务创建、删除，任务调度控制、任务信息获取
  • 内核算法
    • 基于优先级抢占的时间片轮转调度 为每个任务提供确定份额的CPU执行时间
    • 基于优先级的抢占调度
      • 静态优先级 固定好优先级
      • 动态优先级 执行过程中优先级会变动，单调执行速率调度发(Rate Mornitonic Scheduling RMS)

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• 内核对象
  • 信号量 相当于锁，达到同步和异步
    • 二值信号量 全局信号，0不可用，1可用
    • 计数信号量 全局信号，0不可用，大于0可用，释放信号量+1，获取信号量-1
    • 互斥信号量 局部信号 初始为开锁、获取闭锁，释放开锁
  • 消息队列 任务除了同步状态，还需要交换信息，将交换数据存放在 数据通道中 实现 任务和 ISR的交换。
  • 管道 类似一个 队列提供两端，一端是Read，一端是Write，中间传输的是非结构化字节流
    • 命名管道 类似于一个文件名，使用名字即可访问
    • 非命名管道 必须使用创建后返回的描述符才可用
  • 事件
  • 信号 事件发生时产生的软中断
  • 条件变量 当一个任务等待其他任务创建共享资源需要的条件，经常与互斥信号一起使用
• 内核服务
  • 异常
    • 同步异常 程序与指令执行相关事件引起的异常
      • 精确异常
      • 不精确异常 流水线和指令预取处理机不能精准判断
    • 异步异常 外部时间异常，系统复位异常等
      • 屏蔽异常 可以被软件阻塞或开放的
      • 不可屏蔽异常
    • 异常的优先级高过 内核对象：任务、信号量、队列
  • 中断 属于异常的一种，关中断时长 是实时内核的重要指标
  • 计数器
    • 实时时钟
    • 系统时钟
    • 时钟节拍
    • 可编程计时器
    • 软件计时器
  • I/O管理
• 常见嵌入式系统
  • VxWorks 持续性、高性能，试用面广
  • Palm 强开放
  • Windows CE
  • Linux

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嵌入式系统数据库

• 环境特点
  • 设备随时移动性、网络频繁断接、网络条件多样化、通信能力不对称
• 完整嵌入式数据库系统
  • 移动设备端：嵌入式DBMS
    • 安全性
    • 事务性
    • 一致性 -> 乐观复制
    • 同步数据
    • 微结构、标准SQL支持
    • 多种协议支持 串行通信、TCP/IP
    • 支持多种 EOS：palm、windows ce
    • 嵌入式数据库管理功能
  • 连接网络
  • 服务端：同步服务器，数据服务器[主备]

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嵌入式系统网络

• 现场总线(FieldBus)控制器 工业标准
  • 全数字化、全分布、双向传输
  • 自诊断、节省布线和控制器空间、多功能
  • 开放性、互操作性、智能化与自治性
  • 可靠性
• 嵌入式Internet
  • 接入方式
    • 直连因特网 需要耗费IP资源，IPv6可以考虑
    • 通过网关接入 需要一个额外的接入设备
  • TCP/IP协议栈
    • 与普通协议栈不同，不同厂家做了修改
    • 可裁剪性、平台兼容性、高效性

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嵌入式系统开发

• 开发方法：交叉平台开发法(Cross Platform Development CPD)，软件在一个通用平台开发，在另一个嵌入式目标平台运行
  • 工具：交叉编译器、交叉链路器、源代码调试器
• 调试方法
  • 直接调试：在目标平台直接调试
  • 调式监控法（插桩法）：通过 在目标平台装有监控程序
    • 通过 串口、并口、以太网、ICE、ROM仿真器等 相连 宿主机和目标机
    • 目标机 启动一个 模块 桩 监控和控制被调程序
    • 宿主机通过 连接线路 向调式监控器发送请求
    • 宿主机 与 目标主机需要建立的是一组连接，包括了逻辑连接
    • ROM仿真器 实现了监控模块
  • 在线仿真法(ICE) 好用贵
  • 片上调式法(ICD) 性能不如ICE，使用范围受限
  • 模拟器法

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能耗问题

• 动态电源管理(Dynamic Power Manager DPM) 根据系统的负载和工作情况动态改变管理策略
  • 休眠状态 设定一个极限T 作为进入休眠的系统空闲时间
  • 动态速度缩放
  • 算法
    • 基于阈值
    • 预测算法 通过动态分析以往空闲时间间隔，得出间隔时间（研究发现、学习树、回归等式法）
    • 随机法