第12章嵌入式系统设计

章节概述

嵌入式系统是一种以应用为中心、以计算机技术为基础的专用计算机系统，其核心三要素为"嵌入性"、"专用性"与"计算机系统"。嵌入式系统数量上远超通用计算机系统，广泛应用于工业控制、通信、家电、消费电子、交通、医疗等领域。典型的嵌入式系统由嵌入式硬件平台（嵌入式处理器、存储器、外部设备、总线与接口）、嵌入式操作系统、支撑软件和应用软件组成。

与通用计算机相比，嵌入式系统具有鲜明的特点：系统专用性强、实时性强、软硬件依赖性强、处理器专用、多种技术紧密结合、系统透明性、资源受限。设计者在有限的存储容量、处理能力、功耗、成本和体积约束下，需要通过软、硬件协同设计来满足功能和性能指标，并保证系统的可靠性与实时性。

本章内容涵盖七个方面：嵌入式系统概论与组成（硬件架构/软件架构）、嵌入式开发平台与调试环境（交叉编译与多种调试方法）、嵌入式网络系统（现场总线/家庭信息网/无线通信/嵌入式Internet）、嵌入式数据库管理系统、实时系统与嵌入式操作系统（实时概念/OS特点/性能指标）、嵌入式系统开发设计（设计流程/核心技术/软件设计模型/需求分析/系统设计/集成测试），构成从概念到工程实践的完整知识体系。

知识结构框架

12.1 嵌入式系统概论 — 定义（三要素：嵌入性/专用性/计算机系统）、七大特点（专用性/实时性/软硬件依赖/处理器专用/多技术融合/透明性/资源受限）
12.2 嵌入式系统的组成 — 硬件架构（嵌入式处理器EMPU/EMCU/EDSP/SoC、总线AMBA/PCI/Avalon、存储器Cache/主存/外存、I/O接口RS-232/USB/IEEE1394）与软件架构（操作系统/应用支撑软件/应用软件三层）
12.3 嵌入式开发平台与调试环境 — 交叉平台开发环境（宿主机/目标机）、交叉编译环境（COFF/ELF目标文件格式）、五种调试方法（直接测试法/调试监控法即插桩法/在线仿真法ICE/片上调试法ICD/模拟器法）
12.4 嵌入式网络系统 — 现场总线网（FCS控制系统）、家庭信息网、无线数据通信网（短程无线/无线Internet）、嵌入式Internet（直接接入/网关接入、嵌入式TCP/IP协议栈特点）
12.5 嵌入式数据库管理系统 — 使用环境特点（移动性/网络频繁断接/网络多样化/通信不对称）、系统组成（嵌入式DBMS/同步服务器/数据服务器/连接网络）、关键技术（数据一致性/事务处理/数据安全性）、移动DBMS八大特性
12.6 实时系统与嵌入式操作系统 — 实时概念（强/一般/弱实时、硬/软实时）、嵌入式OS特点与分类（商业型/免费型、实时/非实时）、实时嵌入式OS关键特性与性能指标（任务切换时间/中断相关时间/系统响应时间）、主流嵌入式操作系统
12.7 嵌入式系统开发设计 — 设计特点与技术指标（NRE成本/单位成本/大小/性能/功耗/灵活性等）、设计挑战、开发模型（瀑布/螺旋/逐步求精/层次）、设计方法、三大核心技术（处理器技术/IC技术/设计验证技术）、软件设计模型（状态机/数据流/并发进程/面向对象）、需求分析（UML规格说明）、系统设计（架构/硬件/软件子系统）、系统集成与测试

核心概念

嵌入式系统定义

以应用为中心、以计算机技术为基础，集可配置可裁减的软硬件于一体的专用计算机系统。三要素：嵌入性（嵌入对象系统，满足环境要求）、专用性（软硬件裁剪至最小配置）、计算机系统（满足对象系统控制要求）。

实时系统（硬实时/软实时）

正确性依赖逻辑结果和产生结果的时间。按响应时间分强实时（毫秒/微秒级）、一般实时（秒级）、弱实时。按错失时限后果分硬实时（错失即灾难性后果）和软实时（有一定灵活性，错失不会导致系统失败）。

嵌入式处理器分类

EMPU（嵌入式微处理器，由通用CPU演变，单板计算机）、EMCU（嵌入式微控制器/单片机，单片化，占市场约70%）、EDSP（数字信号处理器，哈佛结构，硬件乘法器，用于信号处理）、SoC（片上系统，多功能模块集成于单芯片）。

嵌入式操作系统

运行在嵌入式系统上的OS，特点：微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁减可配置。分类：商业型（VxWorks、pSOS、Palm OS）vs 免费型（嵌入式Linux、μC/OS）；实时型 vs 非实时型。采用微内核结构，仅负责调度、通信、内存分配、异常中断管理。

交叉开发环境

嵌入式软件开发采用交叉平台开发（CPD）：软件在通用平台（宿主机）上开发，在嵌入式平台（目标机）上运行。三部分组成：交叉开发工具、目标机上的可裁剪RTOS、宿主机与目标机间的通信连接（以太网/串口/ICE/ROM仿真器）。

调试方法

五种调试方法：直接测试法（最原始，观察指示灯）、调试监控法/插桩法（目标机加桩，与宿主机通信）、在线仿真法ICE（替代CPU，功能强但昂贵）、片上调试法ICD（BDM/JTAG，不占资源，环境一致）、模拟器法（纯软件，适合非实时应用早期开发）。

嵌入式总线与接口

片内总线与片外总线。AMBA（ARM规范，含AHB高性能/ASB系统/APB外设三种总线）、PCI/CPCI（高性能局部总线，欧洲卡结构高可靠）、Avalon（Altera SOPC用）。接口：RS-232串行、USB即插即用、IEEE1394火线（无需主控制器，点对点）。

嵌入式数据库（移动数据库）

运行在嵌入式/移动设备上的DBMS。特点：设备移动性、网络频繁断接、网络条件多样化、通信能力不对称。关键问题：数据一致性（乐观复制方法）、高效事务处理、数据安全性。特性含微核结构、SQL支持、数据同步、零管理等。

实时性能指标

核心时间指标：任务切换时间（保存恢复上下文+调度时间）、中断延迟时间（中断发生到系统获知）、中断响应时间（中断发生到执行用户ISR）、中断恢复时间、最大关中断时间（内核+应用）、任务响应时间、系统响应时间（调度延迟）。

软件设计模型

嵌入式常用计算模型：状态机模型FSM（六元组，适合控制系统，可扩展为FSMD/HCFSM）、数据流模型（结点=变换，边=数据流，令牌触发，适合数据处理）、并发进程模型（最广泛，RTOS多任务实现）、面向对象模型（隐式/显式并发）。

关键公式与规则

本章无数学公式，但包含以下关键定义、规则和性能指标计算关系：

有限状态机FSM定义

FSM = 六元组 F<S, I, O, F, H, S0> S = 状态集合 {s0, s1, ..., sl} // 系统任一时刻仅处于一个状态 I = 输入集合 {i0, i1, ..., im} O = 输出集合 {o0, o1, ..., on} F = 次态函数/转移函数 (S × I → S) // 状态+输入 → 新状态 H = 输出函数 (S → O) // 状态 → 输出 S0 = 初始状态 // 扩展: FSMD（带数据路径的FSM）、HCFSM（分级/并发FSM）

实时系统正确性条件

实时系统正确性 = 功能正确（逻辑正确） AND 时间正确（在预定时限内完成）硬实时: 时限必须满足，否则灾难性后果，结果错过后零级无用/高度贬值软实时: 时限有灵活性，可容忍统计分布的响应时间，错失不导致系统失败 // 时限（Deadline）: 系统必须对外部事件处理的最迟时间界限

可抢占实时内核性能指标计算关系

任务切换时间 = 保存当前任务上下文 + 恢复新任务上下文 + 调度选择时间 // 与微处理器寄存器数目和系统结构相关中断延迟时间 = 中断发生 → 系统获知中断 // 主要受系统最大关中断时间影响中断响应时间 = 中断发生 → 开始执行用户中断服务例程(ISR) // 中断延迟 + 中断处理执行准备中断恢复时间 = 用户ISR结束 → 回到被中断的代码 // 可抢占式调度时还需加上任务切换和恢复新任务上下文的时间最大关中断时间 = max(内核最大关中断时间, 应用关中断时间) 任务响应时间 = 任务对应的中断产生 → 该任务真正开始运行系统响应时间（调度延迟）= 发出处理请求 → 系统做出应答 // 主要由内核任务调度算法决定

嵌入式系统设计指标体系

关键设计指标（各指标互相竞争，改良一个常导致其他恶化）: NRE成本 = 一次性设计工程成本（设计完毕后不再支付）单位成本 = 生产单个产品的货币成本（不含NRE）大小 = 系统占用空间（软件:字节数; 硬件:逻辑门/晶体管数）性能 = 响应时间或完成量(单位时间任务量) 功率 = 决定电池寿命/散热需求灵活性 = 不增加NRE成本下改变功能的能力上市时间 = 设计+制造+检测时间可维护性 = 上市后修改的难易程度正确性 = 功能正确实现程度安全性 = 不造成伤害的概率

三大核心技术分类

1. 处理器技术: 通用处理器 → 灵活, NRE低, 上市快; 但量大时单位成本高单用途处理器 → 性能好, 体积小; 但NRE高, 灵活性差专用处理器 → 性能/功耗/大小平衡, 灵活性好; 但编译器开发昂贵 2. IC技术: 全定制/VLSI → 面积/速度/功耗最优; NRE高, 制造长半定制/ASIC → 门阵列/标准单元, 灵活, 性价比高可编程/ASIC → 实验室可烧制, NRE低; 单位成本高, 功耗大, 速度慢 3. 设计/验证技术: 硬件: 芯片级(编译/综合 + 库/IP + 测试/验证) + 电路板级软件: 软件语言(机器语言→汇编→结构化→面向对象→需求级)

考试要点

嵌入式系统三要素：嵌入性（满足对象系统环境要求）、专用性（软硬件裁剪至最小配置）、计算机系统（满足控制要求）——必考概念辨析。
嵌入式系统七大特点：专用性强、实时性强、软硬件依赖性强、处理器专用、多种技术紧密结合、系统透明性、资源受限——常以多选题出现。
嵌入式处理器四分类：EMPU（微处理器，通用CPU演变）、EMCU（微控制器/单片机，占市场约70%）、EDSP（DSP，哈佛结构+硬件乘法器）、SoC（片上系统，多功能集成）——注意区分各自特点和应用场景。
硬实时 vs 软实时：硬实时错失时限产生灾难性后果且结果零级无用；软实时有灵活性，错失不导致系统失败——高频辨析题。
嵌入式OS五大特点：微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁减可配置——对比通用OS记忆。
常见RTOS：商业型（VxWorks、pSOS、Palm OS）、免费型（嵌入式Linux、μC/OS）；实时型 vs 非实时型分类。
交叉开发环境：宿主机编译、目标机运行；三部分（交叉开发工具、目标机RTOS、通信连接）；目标文件格式COFF和ELF——必考概念。
五种调试方法：直接测试法、调试监控法（插桩法，需开发桩且占用资源）、在线仿真法ICE（替代CPU，功能强但昂贵）、片上调试法ICD（BDM/JTAG，不占资源）、模拟器法（纯软件，适合非实时早期开发）——注意各方法优缺点对比。
实时性能指标：任务切换时间、中断延迟时间、中断响应时间、中断恢复时间、最大关中断时间、任务响应时间、系统响应时间——理解各指标定义及影响因素。
AMBA总线三种：AHB（高性能，主模块发起）、ASB（逐步被AHB替代）、APB（低带宽外设，低功耗，唯一主模块APB桥，无仲裁器）。
嵌入式总线/接口区别：RS-232（串行，最高20kbps）、USB（即插即用，需主控制器）、IEEE1394（火线，无需主控制器，点对点，支持同步/异步）。
嵌入式数据库关键问题：数据一致性（乐观复制法）、高效事务处理、数据安全性（终端认证+通信加密+副本加密存储）；移动DBMS特性（微核、SQL支持、数据同步、零管理）。
软件设计模型：FSM（控制为主系统）、数据流模型（数据处理，令牌触发）、并发进程模型（最广泛，RTOS多任务实现）、面向对象模型（隐式/显式并发）——注意各模型适用场景。
三大核心技术：处理器技术（通用/单用途/专用处理器）、IC技术（全定制VLSI/半定制ASIC/可编程ASIC）、设计验证技术——注意三者优缺点对比。
设计指标互相竞争：NRE成本、单位成本、大小、性能、功率、灵活性等指标间需要权衡——理解设计最佳化原则。

关键图示

图12-1 嵌入式系统的基本硬件架构

微处理器是整个嵌入式系统的核心，配合RAM/ROM/混合存储器及Flash、键盘、触摸屏、LCD等外部设备构成硬件基础。

图12-5 典型的交叉编译环境示例

交叉编译器根据目标机CPU类型将C/C++/Java源代码生成目标文件（COFF/ELF），经归档、链接后产生可执行映像，下载到目标机运行。

图12-10 中断处理相关时序图

展示中断延迟时间、中断处理执行时间、中断响应时间、中断恢复时间及最大关中断时间等实时性能指标的时间关系。

图12-11 嵌入式系统设计流程

展示软硬件协同设计流程：前端活动（规格说明与系统架构）同时考虑软硬件，中间阶段独立开发构件，后端进行系统集成与测试。