《嵌入式復(fù)習(xí)課》課件

嵌入式系統(tǒng)復(fù)習(xí)本課程旨在幫助您全面復(fù)習(xí)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的知識點(diǎn)，為考試做好準(zhǔn)備。我們將涵蓋微處理器架構(gòu)、內(nèi)存管理、外設(shè)接口、操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)等關(guān)鍵主題。什么是嵌入式系統(tǒng)？智能手表智能手表內(nèi)置處理器、傳感器、操作系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)收集、處理和顯示。汽車儀表盤儀表盤顯示車輛狀態(tài)信息，如速度、里程、油量等，通過傳感器和微處理器控制。智能音箱智能音箱集成了語音識別、聯(lián)網(wǎng)功能，可控制家電設(shè)備，提供信息和娛樂服務(wù)。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制生產(chǎn)流程，例如機(jī)器臂控制、生產(chǎn)線監(jiān)控，需要高可靠性和實(shí)時(shí)性。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)專用性嵌入式系統(tǒng)通常針對特定應(yīng)用場景，具備高度定制化的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以滿足特定功能需求。例如，汽車上的車載導(dǎo)航系統(tǒng)、智能手機(jī)的觸摸屏控制器、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的控制系統(tǒng)等。實(shí)時(shí)性嵌入式系統(tǒng)需要對外部事件及時(shí)響應(yīng)，并完成相應(yīng)的操作，以滿足實(shí)時(shí)性要求。例如，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)做出調(diào)整，以保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。硬件系統(tǒng)的構(gòu)成微處理器嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和控制整個(gè)系統(tǒng)。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置信息，包括ROM、RAM、Flash等。外設(shè)與外界交互，包括傳感器、顯示屏、按鍵、網(wǎng)絡(luò)接口等。常見的嵌入式處理器11.ARM處理器ARM處理器以其低功耗、高性能和低成本而聞名，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)。22.MIPS處理器MIPS處理器以其高性能和易于編程的特點(diǎn)而著稱，常用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和路由器。33.x86處理器x86處理器在PC和服務(wù)器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，也應(yīng)用于一些高性能嵌入式系統(tǒng)。44.AVR處理器AVR處理器以其低功耗、高性價(jià)比和易于使用而聞名，適合小型嵌入式項(xiàng)目。嵌入式操作系統(tǒng)簡介嵌入式操作系統(tǒng)是一種專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)，它管理硬件資源并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。嵌入式操作系統(tǒng)通常具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、體積小、資源占用少等特點(diǎn)，以滿足嵌入式系統(tǒng)對性能和效率的要求。常見嵌入式操作系統(tǒng)包括：Linux、uCOS、FreeRTOS、VxWorks等。Linux操作系統(tǒng)概述開源Linux內(nèi)核是開源軟件，開發(fā)者可以自由地使用、修改和發(fā)布。多任務(wù)Linux支持多任務(wù)處理，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行。多用戶Linux允許多個(gè)用戶同時(shí)使用系統(tǒng)資源?？缙脚_Linux可以運(yùn)行在各種硬件平臺上，從嵌入式系統(tǒng)到大型服務(wù)器。Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)1內(nèi)核層最底層，直接與硬件交互，提供基礎(chǔ)服務(wù)，如內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、中斷處理。2系統(tǒng)調(diào)用層提供用戶程序與內(nèi)核之間的接口，允許用戶程序訪問內(nèi)核資源。3用戶空間用戶程序運(yùn)行的區(qū)域，包括應(yīng)用程序、庫函數(shù)、系統(tǒng)工具。Linux進(jìn)程管理進(jìn)程概念進(jìn)程是正在運(yùn)行的程序的一個(gè)實(shí)例，它擁有獨(dú)立的地址空間和系統(tǒng)資源。進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位。進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程在運(yùn)行過程中會(huì)處于不同的狀態(tài)，例如運(yùn)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)程控制Linux系統(tǒng)提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用于創(chuàng)建、終止、掛起、恢復(fù)和等待進(jìn)程。進(jìn)程間通信進(jìn)程間通信是指多個(gè)進(jìn)程之間相互交換數(shù)據(jù)和信息，常見的通信方式包括管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存和信號量等。Linux內(nèi)存管理Linux內(nèi)存管理是嵌入式系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)效率，確保程序正常運(yùn)行。1虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存技術(shù)將物理內(nèi)存擴(kuò)展到磁盤空間，使程序能夠使用比物理內(nèi)存更大的內(nèi)存空間。2頁面分配頁面分配算法負(fù)責(zé)將進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間映射到物理內(nèi)存，并進(jìn)行頁面置換操作。3內(nèi)存區(qū)域Linux系統(tǒng)將內(nèi)存空間劃分為不同的區(qū)域，例如內(nèi)核空間、用戶空間和設(shè)備空間。4內(nèi)存管理機(jī)制Linux內(nèi)核提供了一系列內(nèi)存管理機(jī)制，例如內(nèi)存分配、回收、共享和保護(hù)。Linux內(nèi)存管理機(jī)制確保系統(tǒng)資源得到高效利用，并有效地防止程序之間相互干擾。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述連接硬件和軟件橋梁2設(shè)備驅(qū)動(dòng)分類字符設(shè)備，塊設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)核心代碼，平臺相關(guān)代碼4驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)步驟探測硬件，初始化設(shè)備，處理設(shè)備請求Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接硬件和軟件的橋梁，為應(yīng)用程序提供訪問硬件設(shè)備的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，它們在功能和實(shí)現(xiàn)上有所區(qū)別。驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)通常需要進(jìn)行硬件探測、設(shè)備初始化和處理設(shè)備請求等步驟，以便應(yīng)用程序能夠正常使用設(shè)備。Linux文件系統(tǒng)1根文件系統(tǒng)包含內(nèi)核，系統(tǒng)庫，基本命令2用戶空間用戶程序和數(shù)據(jù)3設(shè)備文件代表硬件設(shè)備Linux使用樹狀結(jié)構(gòu)組織文件，根文件系統(tǒng)是所有文件系統(tǒng)的頂層目錄。用戶空間用于存放用戶程序，而設(shè)備文件提供對硬件的訪問接口。交叉編譯環(huán)境搭建1安裝編譯器首先，需要安裝交叉編譯器，例如GCC。2配置編譯環(huán)境配置交叉編譯工具鏈，包括目標(biāo)平臺、編譯器選項(xiàng)等。3測試編譯環(huán)境編寫一個(gè)簡單的程序并進(jìn)行交叉編譯，驗(yàn)證環(huán)境是否正確。交叉編譯工具鏈簡介1目標(biāo)平臺與宿主平臺交叉編譯工具鏈?zhǔn)沁\(yùn)行在一個(gè)平臺上，用于為另一個(gè)平臺生成可執(zhí)行代碼的軟件工具集合。2工具鏈組成通常包含編譯器、匯編器、鏈接器、庫文件等，這些工具協(xié)同工作才能最終生成目標(biāo)平臺的可執(zhí)行程序。3選擇工具鏈選擇合適的交叉編譯工具鏈取決于目標(biāo)平臺的處理器架構(gòu)、操作系統(tǒng)以及開發(fā)需求。4常用工具鏈常見的交叉編譯工具鏈包括GCC、ARMGCC、CrossGCC等。嵌入式開發(fā)板介紹嵌入式開發(fā)板是學(xué)習(xí)和實(shí)踐嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想工具。這些板卡通常包含了微處理器、內(nèi)存、外設(shè)接口、以及其他必要的硬件組件。不同的開發(fā)板針對不同的應(yīng)用場景，例如，一些板卡專為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，而另一些板卡則更加適合工業(yè)控制領(lǐng)域。GPIO接口編程GPIO概述GPIO是通用輸入輸出引腳，是嵌入式系統(tǒng)中連接外部設(shè)備的重要接口。GPIO引腳可以被配置為輸入或輸出，用于控制外部設(shè)備或獲取外部設(shè)備狀態(tài)。GPIO配置GPIO引腳需要進(jìn)行配置，包括方向設(shè)置、電平設(shè)置以及上拉下拉配置等，以滿足具體的應(yīng)用需求。GPIO編程在嵌入式系統(tǒng)中，通過GPIO編程可以控制GPIO引腳的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的控制或數(shù)據(jù)的采集。GPIO應(yīng)用GPIO應(yīng)用廣泛，例如控制LED燈、讀取按鍵狀態(tài)、采集傳感器數(shù)據(jù)等，是嵌入式系統(tǒng)編程的重要組成部分。定時(shí)器和中斷編程1定時(shí)器定時(shí)器用于精確計(jì)時(shí)2中斷中斷用于處理外部事件3組合應(yīng)用定時(shí)器和中斷共同使用，實(shí)現(xiàn)特定功能4案例LED閃爍、按鍵檢測、數(shù)據(jù)采集串口通信編程1串口基礎(chǔ)串口是嵌入式系統(tǒng)常用的通信接口，用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。2串口配置配置波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位等參數(shù)，確保發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的正確性。3數(shù)據(jù)發(fā)送使用庫函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入串口緩沖區(qū)，發(fā)送至接收設(shè)備。4數(shù)據(jù)接收讀取串口緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析和處理。串口通信編程涉及串口基礎(chǔ)知識、配置方法、數(shù)據(jù)收發(fā)等步驟。通過庫函數(shù)和驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)串口通信功能，用于設(shè)備之間的交互和數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線編程I2C總線是一種雙向串行通信協(xié)議，用于微控制器和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。1I2C協(xié)議概述了解I2C協(xié)議的基本概念，包括時(shí)序、地址和數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。2I2C硬件接口熟悉I2C接口的硬件連接方式，包括SDA和SCL引腳。3I2C驅(qū)動(dòng)程序?qū)W習(xí)編寫I2C驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)與I2C設(shè)備的通信。4應(yīng)用案例通過實(shí)際案例，了解I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。SPI總線編程SPI總線簡介SPI是一種同步串行通信協(xié)議，在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。SPI協(xié)議SPI協(xié)議定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序，使用四條信號線進(jìn)行通信：SCK、MOSI、MISO、SS。SPI設(shè)備SPI設(shè)備可以是各種傳感器、存儲(chǔ)器、顯示器等，它們與主控芯片通過SPI總線進(jìn)行通信。SPI編程SPI編程需要配置SPI控制器，設(shè)置時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)傳輸模式等參數(shù)。SPI應(yīng)用SPI總線用于各種應(yīng)用，例如讀取傳感器數(shù)據(jù)、控制顯示器、訪問外部存儲(chǔ)器。CAN總線編程1CAN總線簡介控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通信協(xié)議。它具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾性。2CAN總線數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀包含首部、控制字段、數(shù)據(jù)字段和校驗(yàn)和等部分，用于傳輸數(shù)據(jù)。3CAN總線編程步驟包括初始化CAN控制器、配置CAN通信參數(shù)、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等。RTOS基本概念實(shí)時(shí)性RTOS能夠及時(shí)響應(yīng)事件，以滿足時(shí)間敏感的應(yīng)用需求。多任務(wù)處理RTOS允許同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，提高系統(tǒng)效率。資源管理RTOS提供資源管理機(jī)制，如內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。通信機(jī)制RTOS提供通信機(jī)制，方便不同任務(wù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。uCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概述uCOS-II是一個(gè)廣泛使用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供高效的任務(wù)管理、內(nèi)存管理和通信機(jī)制。任務(wù)管理uCOS-II支持多任務(wù)并行運(yùn)行，并提供優(yōu)先級調(diào)度算法來確保重要任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。同步與通信uCOS-II提供信號量、互斥量等機(jī)制，用于協(xié)調(diào)不同任務(wù)之間的訪問和同步。內(nèi)存管理uCOS-II提供內(nèi)存分配和釋放功能，允許任務(wù)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)分配和使用內(nèi)存。任務(wù)管理與調(diào)度1任務(wù)創(chuàng)建創(chuàng)建任務(wù)，分配內(nèi)存和資源，初始化任務(wù)狀態(tài)。2任務(wù)調(diào)度根據(jù)優(yōu)先級、時(shí)間片等因素，選擇下一個(gè)要執(zhí)行的任務(wù)。3任務(wù)切換保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，恢復(fù)下一個(gè)任務(wù)的上下文，切換到新任務(wù)執(zhí)行。4信號量和互斥量信號量信號量用于控制對共享資源的訪問。它是一個(gè)計(jì)數(shù)器，表示可用資源的數(shù)量。當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要訪問資源時(shí)，它會(huì)嘗試獲取信號量。如果計(jì)數(shù)器大于零，則任務(wù)可以獲取信號量并使用資源。否則，任務(wù)必須等待其他任務(wù)釋放信號量?；コ饬炕コ饬坑糜诖_保一次只有一個(gè)任務(wù)可以訪問共享資源。它是一個(gè)二元信號量，表示資源是否被占用。當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要訪問資源時(shí)，它會(huì)嘗試獲取互斥量。如果互斥量可用，則任務(wù)可以獲取它并使用資源。否則，任務(wù)必須等待其他任務(wù)釋放互斥量。消息隊(duì)列和事件標(biāo)志消息隊(duì)列消息隊(duì)列是進(jìn)程間通信的一種機(jī)制，允許進(jìn)程之間異步地傳遞數(shù)據(jù)。事件標(biāo)志事件標(biāo)志是一種同步機(jī)制，允許進(jìn)程之間通過設(shè)置和清除標(biāo)志來進(jìn)行同步。內(nèi)存管理1內(nèi)存分配動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，滿足運(yùn)行時(shí)需求。2內(nèi)存保護(hù)防止程序訪問非法內(nèi)存區(qū)域。3內(nèi)存回收釋放不再使用的內(nèi)存，避免內(nèi)存泄漏。4虛擬內(nèi)存通過硬盤擴(kuò)展內(nèi)存容量，提高效率。嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理直接影響系統(tǒng)性能和可靠性。合理分配內(nèi)存，保證程序正常運(yùn)行，避免內(nèi)存泄漏。時(shí)間管理時(shí)間概念時(shí)間是嵌入式系統(tǒng)中至關(guān)重要的資源，需要進(jìn)行合理分配和管理。時(shí)鐘源嵌入式系統(tǒng)通常使用晶振或外部時(shí)鐘作為時(shí)間源，提供精確的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。時(shí)間管理機(jī)制嵌入式操作系統(tǒng)提供了時(shí)間管理機(jī)制，如定時(shí)器、中斷和系統(tǒng)時(shí)鐘，用于控制時(shí)間流程。時(shí)間同步在多任務(wù)系統(tǒng)中，需要保證不同任務(wù)的時(shí)間同步，以協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)交換。嵌入式系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)仿真調(diào)試?yán)梅抡嫫髂M目標(biāo)硬件環(huán)境，進(jìn)行軟件調(diào)試。仿真器提供更全面的控制，但性能略遜于目標(biāo)硬件。目標(biāo)板調(diào)試直接在目標(biāo)硬件上進(jìn)行調(diào)試，可以獲得更接近真實(shí)運(yùn)行環(huán)境的結(jié)果，但需要更加專業(yè)的硬件和軟件工具。代碼分析使用調(diào)試器跟蹤代碼執(zhí)行流程，設(shè)置斷點(diǎn)，觀察變量值，幫助定位錯(cuò)誤。日志記錄在代碼中添加日志記錄語句，將運(yùn)行信息記錄到文件或串口，方便分析和排查問題。嵌入式軟件工程實(shí)踐11.項(xiàng)目