一、嵌入式系統概述

1. 定義

   • 為特定應用構建的專用計算機系統，軟硬件緊密結合，滿足功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求。
   • 核心特征：專用性強、技術融合（計算機+通信+半導體技術）、軟硬一體以軟件為主、資源受限、程序固化在非易失存儲器中。

2. 組成

   組件	功能說明
   嵌入式處理器	抗惡劣環境（分民用級[0,70]℃、工業級[-40,85]℃、軍用級[-55,150]℃），如MPU、MCU、DSP、GPU、SoC
   支撐硬件	存儲器（ROM/RAM）、定時器、I/O接口（串口/USB/JTAG）、專用硬件（如傳感器）
   嵌入式操作系統	管理資源，具備實時性、可剪裁性、安全性（如VxWorks、Android）
   支撐軟件	提供公共服務（如運行時庫），以庫形式被應用調用
   應用軟件	完成特定功能的業務邏輯程序

3. 分類

   • 按實時性：
     • 強實時系統：必須在嚴格時限內響應（如航天控制）。
     • 弱實時系統：允許輕微延遲（如智能家居）。
   • 按安全性：
     • 安全攸關系統：失效會導致重大損失（如醫療設備）。
     • 非安全攸關系統：失效影響較小（如消費電子）。

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二、嵌入式軟件架構與特點

1. 分層架構（圖2-14）

層級	功能
硬件層	處理器、存儲器、I/O接口等物理設備
抽象層（HAL/BSP）	硬件抽象層（HAL）虛擬化硬件資源；板級支持包（BSP）驅動硬件芯片
操作系統層	內核（任務/內存/通信管理）、文件系統、網絡協議棧（TCP/IP）、可配置組件（GUI/設備管理）
中間件層	嵌入式數據庫、OpenGL、DDS/CORBA等，實現跨技術資源共享
應用層	具體業務邏輯軟件

2. 嵌入式軟件核心特點

• 可剪裁性：靜態編譯/動態庫移除冗余模塊（如定制OS功能）。
• 可配置性：數據驅動/配置表適應不同場景（如調整通信協議）。
• 強實時性：表驅動/匯編優化確保任務時限（EDF調度算法）。
• 高安全性：遵循編碼標準（如DO-178航空軟件A~E安全等級）。
• 高可靠性：容錯/余度設計（如雙機熱備）。
• 確定性：靜態資源分配避免運行時異常（如固定內存池）。

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三、開發環境與工具

1. 交叉開發模式

   • 宿主機（PC）：代碼編輯、編譯、調試。
   • 目標機（嵌入式設備）：運行固化程序。
   • 工具鏈：Eclipse框架（支持JDK/CDT）、交叉編譯器、調試代理（Agent）。

2. 開發環境特點

   • 開放式架構（支持第三方工具集成）、可移植性（跨平臺）、實時性優化（編譯器代碼優化）。

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四、重點考點與典型考題

考點1：嵌入式處理器類型

考題：

下列哪種處理器適合實時信號處理？
A. MPU
B. MCU
C. DSP
D. GPU
答案：C（DSP采用哈佛結構，專為算法優化）

考點2：實時系統調度算法

考題：

在強實時系統中，若任務截止時間嚴格，應優先采用哪種調度算法？
A. 輪轉調度
B. EDF（最早截止時間優先）
C. 靜態優先級
D. FIFO
答案：B（EDF動態分配優先級確保時限）

考點3：安全攸關系統設計

考題：

提高嵌入式軟件安全性的方法不包括？
A. 冗余設計
B. 動態內存分配
C. 故障模式分析（FMECA）
D. 代碼審查
答案：B（動態分配易導致不可預測行為，違反確定性原則）

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五、總結

• 嵌入式系統 = 專用硬件 + 實時軟件 + 嚴格約束。
• 設計核心：軟硬件協同、資源優化、安全可靠。
• 趨勢：IoT/云技術推動低功耗、高集成度發展（如邊緣計算設備）。