软考系统架构设计师 - 第 19 章 嵌入式系统设计
作者：互联网
单选题及案例分析题，6-10分。已阅第19小时和教程。
19.1 嵌入式系统
1. 什么是嵌入式系统？
一种以应用为中心、以计算机技术为基础，可以适应不同应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面的要求，集可配置，可裁剪的软硬件于一体的专用计算机系统。
2. 嵌入式系统的组成
嵌入式硬件平台、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、支撑软件以及相应的应用软件。
3. 嵌入式系统的特点
①专用性强；②实时性强；③软硬件依赖性强；④处理器专用；⑤多种技术紧密结合；⑥系统透明性；⑦系统资源受限。
4. 实时嵌入式系统
兼有实时系统的特性和嵌入式系统特性的系统称为实时嵌入式系统。
5. 嵌入式系统的分类
按嵌入方式、嵌入程度、实时性和系统的复杂程度4种准则进行划分。
嵌入方式：整机式嵌入、部件式嵌入、芯片式嵌入
嵌入程度：深度嵌入、中度嵌入、浅度嵌入
实时性：实时嵌入式系统、非实时嵌入式系统
系统的复杂程度：单微处理器嵌入式系统、组件式嵌入式系统、分布式嵌入式系统
6. 嵌入式系统的应用领域
工业控制、家电、商业和金融、交通运输、通信、建筑、环境监测、医疗卫生
7. 嵌入式系统的基本架构
嵌入式系统一般由软件和硬件两个部分组成，其中嵌入式处理器、存储器和外设等（如下图所示）构成整个系统的硬件基础。
软件部分分为多个层次（如下图所示），其中系统软件和支撑软件是基础，应用软件则是最能体现整个嵌入式系统的。
微处理器是整个嵌入式系统的核心，负责控制系统的执行。根据目前的是要情况，嵌入式处理器分为如下几类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信息处理器、嵌入式片上系统。
19.2 嵌入式操作系统
1. 定义
嵌入式操作系统是指运行在嵌入式计算机系统上支持嵌入式应用程序的操作系统，是用于控制和管理嵌入式系统中的软/硬件资源、提供系统服务的软件集合。
2. 特点
嵌入式操作系统与通用操作系统相比，具有如下特点：微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁剪、可配置。
3. 分类
- 获得形式：商业型、非商业型
- 实时性：实时、非实时
4. 一般结构
嵌入式操作系统主要由应用程序接口、设备驱动程序、操作系统内核等几部分组成。
大多数内核都包含三个公共部件：
- 调度器
- 内核对象：包括信号量、消息队列、管道、事件等
- 内核服务：包括异常和终端、计时器、IO管理等
5. 多任务调度
调度算法：任务优先级分配方法、时间片轮转调度、任务操作（提供给开发者操作任务的系统调用）
19.3 嵌入式数据库管理系统
1. 概念
通常，嵌入式数据库管理系统就是嵌入式设备上使用的数据库管理系统。也称移动数据库或嵌入式移动数据库（因为大多是移动信息设备）。其作用主要是解决移动计算环境下数据的管理问题，移动数据库是移动计算环境中的分布式数据库。
2. 系统使用环境的特点
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
3. 系统组成与关键技术
主要包括：主数据库管理系统、同步服务器、嵌入式数据库管理系统、连接网络等
3. 嵌入式数据库管理系统在应用中的关键
解决好数据一致性、高效事务处理和数据安全性等
4. 特点
微核结构、对标准SQL的支持、事务管理功能、完善的数据同步机制、支持多种连接协议、完备的嵌入式数据库管理功能、支持多种嵌入式操作系统
5. 应用领域
以移动信息为终端、并需要定期汇总的金融、零售、医疗、公安、保险、工业制造、仓储以及电信等多个行业和领域
19.4 嵌入式网络及其它
1. 嵌入式网络
嵌入式网络是用于连接各种嵌入式系统，使之可以相互传递信息、共享资源的网络系统。
2. 嵌入式网络的分类
在不同的场合，采用的不同的连接技术。比如家庭居室采用家庭信息网、工业自动化领域采用现场总线、移动信息设备采用移动通信网。
- 现场总线网：现场总线是一种低带宽的底层控制网络，位于生产控制和网络结构的底层，因此也称为底层网。有总线型和星型拓扑结构
- 家庭信息网：分为有线连接和无线连接技术
- 无线数据通信网：分为短程无线网和无线因特网
- 嵌入式因特网：有直接接入因特网和通过网关接入因特网两种接入方法
3. 嵌入式窗口系统
嵌入式窗口系统是用于通知嵌入式系统中的位映像显示设备与输入设备的软件系统，管理屏幕、窗口、字体、图标、图形图像以及输入设备等资源。
常用的嵌入式图形用户界面有：Qt/Embedded、MiniGUI、OpenGUI、MicroWindows。
4. 嵌入系统的Java虚拟机
运行J2ME（Java 2 Platform Micro-Edition）微型版的嵌入式设备主要有两大类：受限连接设备和连接设备。
J2ME的结构分为4个层次：框架、配置、Java虚拟机、嵌入式操作系统。J2ME的核心是Java虚拟机。
19.5 嵌入式系统设计
1. 嵌入式系统设计的核心技术
- 处理器技术：分为通用处理器、单用途处理器、专用处理器
- IC技术：分为全定制/VLSI、半定制ASIC、可编程ASIC
- 设计/验证技术：嵌入式系统的设计技术分为硬件设计技术和软件设计。其中硬件设计领域的技术主要包括芯片级设计技术和电路板级设计技术。芯片级设计技术的核心是编译/综合、库/IP、测试/验证。软件设计技术的核心是软件语言。
2. 嵌入式系统软件的开发过程
项目计划、可行性分析、需求分析、概要设计、详细设计、程序建立、下载、调试、固化、测试及运行
3. 嵌入式系统的设计流程
- 评估需求
- 需求分析与调查，提炼出规格说明
- 选择处理器
- 制定系统方案
- 软、硬件分别设计
- 实验室联调
- 现场调试及试运行
- 验收
4. 嵌入式系统设计常用模型
- 瀑布模型：分为5个阶段，需求分析、系统结构设计、编码、测试、维护阶段
- 螺旋模型
- 逐步求精模型：是一个系统被建立多次，第一个系统被作为原型，其后将系统进一步求精
- 层次模型
19.6 嵌入式系统软件开发环境
1. 嵌入式系统的软件开发方法
嵌入式系统的软件开发采用交叉平台开发方法，即软件在一个通用的平台上开发，而在另一个嵌入式目标平台上运行。这个用于开发嵌入式软件的通用平台通常叫做宿主机系统，被开发的嵌入式系统成为目标机系统。而当软件执行环境与开发环境一致时的开发过程成为本地开发。
2. 调试方法
直接测试法、调试监控法、在线仿真法、片上调试法、模拟器法等
3. 开发环境分类
- 与嵌入式操作系统配套的开发环境：比如Windows CE、VxWorks、PalmOS、THOS等
- 与处理器芯片配套的开发环境：由处理器厂商提供
- 与具体应用平台配套的开发环境：这类开发环境针对性较强，如高通额Brew SDK等
- 其它类：这类主要指一些嵌入式系统供应商在GUN开源工具的基础上开发或定制较为通用的开发环境。这类工具可以免费获得，支持处理器种类多，功能齐全，但是技术支持略逊于商业化工具
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