系统架构设计师笔记第7期：嵌入式系统及软件

嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被设计用于执行特定的功能或控制特定的设备。与一般的计算机系统不同，嵌入式系统通常是嵌入到其他设备或系统中，以完成特定的任务，如家电、汽车、医疗设备、工业控制系统等。嵌入式系统通常具有小型、低功耗、实时性要求高等特点。

嵌入式软件是嵌入式系统中运行的软件，它是与硬件密切结合的软件。嵌入式软件负责控制嵌入式系统的硬件组件，实现特定的功能和任务。嵌入式软件通常包括操作系统、驱动程序、应用程序等。

在嵌入式系统中，嵌入式软件具有以下特点：

1. 紧密集成：嵌入式软件与硬件紧密结合，通常被编译成与特定硬件平台相关的机器码，以最大程度地优化系统性能和资源利用。
2. 实时性要求：许多嵌入式系统需要实时响应，即在规定的时间内完成任务。因此，嵌入式软件需要具备实时性能，能够快速响应外部事件和实时数据。
3. 资源受限：嵌入式系统通常具有有限的处理能力、存储空间和能源。因此，嵌入式软件需要高效地利用系统资源，保证系统的可靠性和性能。
4. 可靠性和稳定性：嵌入式系统通常在长时间内连续运行，对系统的可靠性和稳定性要求很高。嵌入式软件需要具备稳定性和容错性，以确保系统长时间稳定运行。

常见的嵌入式操作系统包括实时操作系统（Real-time Operating System，RTOS），如VxWorks、FreeRTOS、Embedded Linux等。嵌入式软件开发通常使用低级语言，如C、C++汇编语言等。

嵌入式系统和嵌入式软件的设计和开发需要考虑特定的硬件平台、实时性要求、资源限制和稳定性等因素。它们在各个领域中扮演着重要的角色，推动了许多智能化和自动化的应用。

嵌入式系统的组成和特点

嵌入式系统的组成和特点如下：

1. 处理器（CPU）：嵌入式系统通常包含一个或多个专用的处理器，用于执行指令和控制系统的操作。处理器可以是单核或多核，根据系统需求选择适当的处理器。
2. 内存（Memory）：嵌入式系统需要存储程序代码、数据和临时变量等信息。内存包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等，用于存储系统的运行时数据和固化的程序代码。
3. 输入/输出接口（I/O Interfaces）：嵌入式系统与外部设备进行通信和交互，因此需要适当的输入/输出接口。这些接口可以包括串口、并口、USB、以太网、无线通信等，用于连接传感器、执行器、显示器、键盘等外部设备。
4. 操作系统（Operating System）：嵌入式系统通常运行在一个特定的操作系统之上，以管理和控制系统的资源和任务。嵌入式操作系统需要具备实时性能和低资源消耗，以满足嵌入式系统的实时需求。
5. 应用软件（Application Software）：嵌入式系统的应用软件是针对特定需求开发的软件程序，用于实现系统的特定功能。应用软件可能包括控制算法、传感器数据处理、用户界面等。

嵌入式系统的特点如下：

1. 实时性要求：许多嵌入式系统需要实时响应，即在规定的时间内完成任务。系统需要在确定的时间范围内对外部事件作出快速响应，以满足系统的实时需求。
2. 硬件和软件紧密结合：嵌入式软件与硬件紧密结合，被编译成与特定硬件平台相关的机器码。嵌入式软件需要充分利用硬件资源，并与硬件密切协作实现系统功能。
3. 资源受限：嵌入式系统通常具有有限的处理能力、存储空间和能源。因此，嵌入式系统需要高效地利用系统资源，保证系统的可靠性和性能。
4. 高度可靠性：许多嵌入式系统在长时间内连续运行，对系统的可靠性和稳定性要求很高。嵌入式系统需要具备稳定性和容错性，以确保系统长时间稳定运行。
5. 尺寸和功耗优化：嵌入式系统通常要求尺寸小、功耗低。

嵌入式系统的分类

嵌入式系统可以按照不同的分类标准进行分类。以下是几种常见的嵌入式系统分类：

1. 基于功能的分类：

o 实时嵌入式系统（Real-time Embedded Systems）：这种系统需要对外部事件做出实时响应，通常有严格的时间限制。

o 控制嵌入式系统（Control Embedded Systems）：这种系统用于控制和监测其他设备或系统，例如工业自动化、汽车控制系统等。

o 通信嵌入式系统（Communication Embedded Systems）：这种系统用于数据通信和网络连接，例如路由器、调制解调器等。

2. 基于应用领域的分类：

o 汽车嵌入式系统（Automotive Embedded Systems）：用于汽车中的各种功能和控制系统，例如引擎控制单元（ECU）、娱乐系统、驾驶辅助系统等。

o 医疗嵌入式系统（Medical Embedded Systems）：用于医疗设备和医疗仪器，例如心脏监护仪、血压计、假肢控制系统等。

o 工业嵌入式系统（Industrial Embedded Systems）：用于工业自动化和控制系统，例如工业机器人、PLC（可编程逻辑控制器）等。

o 家用电子嵌入式系统（Consumer Electronics Embedded Systems）：用于家用电器和消费类电子产品，例如智能手机、智能电视、家庭自动化系统等。

3. 基于处理器架构的分类：

o 基于微控制器的嵌入式系统（Microcontroller-based Embedded Systems）：使用单片机或微控制器作为处理器，集成了处理器核心、内存和各种外设。

o 基于嵌入式处理器的嵌入式系统（Embedded Systems based on Embedded Processors）：使用专用的嵌入式处理器，如ARM、MIPS等，用于高性能和复杂的应用。

4. 基于操作系统的分类：

o 实时操作系统嵌入式系统（Real-time Operating System-based Embedded Systems）：使用实时操作系统（RTOS）来管理和控制系统资源，满足实时性要求。

o 嵌入式Linux系统（Embedded Linux Systems）：基于Linux内核的嵌入式系统，提供丰富的功能和开发环境。

这些是嵌入式系统的一些常见分类，实际上，嵌入式系统的分类还可以根据具体的需求和应用进行更详细的划分。不同类型的嵌入式系统具有不同的特点和应用领域。

嵌入式软件

嵌入式软件的组成和特点如下：

组成：

1. 应用程序（Application Program）：实现嵌入式系统的特定功能和任务的软件模块。应用程序根据系统需求编写，可以包括控制算法、数据处理、用户界面等。
2. 驱动程序（Device Drivers）：与硬件设备进行交互的软件模块。驱动程序负责控制和管理硬件设备，提供与设备的通信接口。例如，控制传感器、执行器或者处理输入/输出设备的驱动程序。
3. 操作系统（Operating System）：管理和控制系统的资源和任务的软件。操作系统负责分配和调度系统资源，提供任务管理、内存管理、设备管理等功能。常见的嵌入式操作系统包括实时操作系统（RTOS）和嵌入式Linux等。
4. 中间件（Middleware）：提供特定功能的软件组件，用于简化和加速开发过程。中间件可以包括通信协议栈、数据存储库、图形库等。它们提供了常用的功能和接口，使开发人员能够更快速地构建嵌入式应用程序。

特点：

1. 硬件相关性：嵌入式软件与硬件紧密结合，需要直接与硬件进行交互。软件开发过程需要考虑硬件的特性和限制，确保软件能够正确地控制和操作硬件设备。
2. 实时性要求：许多嵌入式系统需要实时响应，即在规定的时间内完成任务。嵌入式软件需要具备实时性能，能够快速响应外部事件和实时数据。
3. 资源受限：嵌入式系统通常具有有限的处理能力、存储空间和能源。因此，嵌入式软件需要高效地利用系统资源，保证系统的可靠性和性能。
4. 稳定性和可靠性：嵌入式系统通常需要长时间连续运行，对系统的稳定性和可靠性要求很高。嵌入式软件需要具备稳定性和容错性，以确保系统长时间稳定运行。
5. 高度定制化：嵌入式软件通常是为特定的应用需求开发的，因此需要根据具体需求进行定制。开发人员需要理解应用场景和需求，将软件功能和性能进行合理的优化。
6. 难以更新和维护：一旦嵌入式系统部署到设备中，更新和维护软件可能变得困难。

安全攸关软件的安全性设计

安全攸关软件的安全性设计是确保软件在设计、实现和运行过程中具备高度的安全性，以防止恶意攻击、数据泄露和系统故障等安全威胁。以下是一些常见的安全性设计原则和措施：

1. 风险评估和威胁建模：在设计阶段，进行全面的风险评估和威胁建模，识别潜在的安全威胁和漏洞。通过分析威胁模型，了解攻击者的行为、攻击方式和潜在的安全漏洞，为后续的安全设计提供指导。
2. 安全需求分析：明确定义安全需求，并将其纳入软件设计和开发过程中。安全需求应涵盖身份认证、访问控制、数据保护、漏洞修复等方面，确保软件具备必要的安全性能。
3. 安全架构设计：基于风险评估和威胁建模的结果，设计安全架构来保护软件和系统。安全架构应包括安全层次结构、边界防御机制、身份认证和访问控制策略等，以确保系统的安全性和可靠性。
4. 安全编码实践：在软件开发过程中，采用安全编码实践来减少代码漏洞和安全漏洞。这包括输入验证、安全编程技术、安全库使用、避免常见的安全漏洞（如缓冲区溢出、注入攻击等）等。
5. 安全测试和审计：进行全面的安全测试和审计，发现潜在的安全漏洞和弱点。包括静态代码分析、动态漏洞扫描、安全测试、安全审计等，以确保软件在实际运行中具备高度的安全性。
6. 安全更新和维护：定期更新和维护软件，修复已知的安全漏洞和弱点。及时应对新的安全威胁，采取措施防止恶意攻击和数据泄露。
7. 安全培训和意识：提供安全培训和意识活动，使软件开发人员和用户了解常见的安全威胁和安全最佳实践。加强安全意识，帮助人员遵循安全规范和政策。