系统架构设计师-嵌入式系统

张瑞东

已于 2024-09-24 08:58:32 修改

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分类专栏：软考高级系统架构师文章标签：系统架构软件工程

于 2023-09-04 17:49:06 首次发布

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本文详细探讨了嵌入式系统的概念，包括其软件组成架构、嵌入式微处理器、人工智能芯片的选择，以及嵌入式操作系统如实时操作系统、鸿蒙OS的特点和内核架构。此外，还介绍了嵌入式数据库的特性及其分类。

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一、嵌入式系统概述

1、基本概念

（1）嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并将可配置与可裁剪的软、硬件集成于一体的专用计算机系统，需要满足应用对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面的严格要求。

（2）从计算机角度看，嵌入式系统是指嵌入各种设备及应用产品内部的计算机系统。它主要完成信号控制，体积小、结构紧凑，可作为一个部件埋藏于所控制的装置中。

（3）一般嵌入式系统由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、支撑软件以及应用软件组成。

2、典型架构

嵌入式系统的典型架构可概括为层次化模式架构和递归式架构。

2.1 层次化模式架构

层次化模式依赖于概念的抽象，不同使用者可关注到架构的不同层面的细节。层次化模式架构主要设计思想是：

（1）当一个系统存在高层次的抽象，这些抽象的表现形式是一个个的抽象概念，而这些抽象概念需要具体的低层概念进行实现时，就可采用层次化模式。

（2）分层模式结构只包含了一个主要的元素(域包)和它的接口，以及用来说明模式结构的约束条件。

（3）层次化模式可以分为两种:封闭型和开放型。

- 封闭型：一层中的对象只能调用同一层或下一个底层的对象提供的方法。(封装、移植性较好)

- 开放型：一层中的对象可以调用同一层或低于该层的任意一层的对象提供的方法。(性能较好)

2.2 递归式架构

递归模式实际上是对系统的抽象：系统中的交互协作可以在不同的层次上进行抽象，只不过每层反映的细节不同而已。递归模式的实现实际上就是靠重复应用简单的包含关系。

在创建这种模式的实例时，通常使用两种相反的工作流程。

- 自顶向下：自顶向下的工作流从系统层级开始并标识结构对象，这些对象提供实现协作的服务。在实时系统和嵌入式系统中，大多数情况下是基于某个标准方法，将系统分成一个个子系统。当开发人员逐步降低抽象层级，向下推进时，容易确保开发者的工作没有偏离用例中所规定的需求。

- 自底向上：自底向上专注于域的构造--首先确定域中的关键类和关系。这种方法之所以可行是因为：开发者以往有丰富的开发经验，并能将其他领域所获得的知识映射到当前开发所在的域中。通过这种方法，最终开发者会到达子系统级的抽象。

3、嵌入式系统软件组成架构

一般嵌入式系统有嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、支撑软件以及应用软件组成。

嵌入式系统初始化过程：片级初始化 -> 板级初始化 -> 系统初始化

HAL和BSP是易移植性的前提

从传统意义上讲，嵌入式系统主要由以下部件组成：

（1）嵌入式微处理器(MCU)（2）存储器(RAM/ROM)

（3）内(外)总线逻辑（4）定时/计数器

（5）看门狗电路：定时器溢出则中断，系统复位处理。

（6）I/O接口(串口、网络、USB、JTAG接口--用来进行CPU调试的常用接口)

（7）外部设备(UART、LED等)（8）其他部件

二、嵌入式软件开发

嵌入式软件的开发与传统的软件开发方法存在比较大的差异，主要表现在以下方面：

（1）生成二进制代码后，需要使用工具卸载到目标机或固化在目标机储存器上运行。

（2）更强调软/硬件协同工作的效率和稳定性。

（3）开发的结果通常需要固化在目标系统的储存器或处理器内部储存器资源中。

（4）一般需要专门的开发工具、目标系统和测试设备。

（5）嵌入式软件对实时性、安全性和可靠性的要求较高。

（6）嵌入式软件开发是要充分考虑代码规模。

（7）在安全攸关系统中的嵌入式软件，其开发还应满足某些领域对设计和代码审定。

（8）模块化设计，即将一个较大的程序按功能划分成若干程序模块，每个模块实现特定的功能。

嵌入式软件设计层面的功耗控制主要可以从以下方面展开：

（1）软硬件协同设计，即软件的设计要与硬件的匹配，考虑硬件因素。

（2）编译优化，采用低功耗优化的编译技术。

（3）减少系统的持续运行时间，可从算法角度进行优化。

（4）用 “中断” 代替 “查询”。

（5）进行电源的有效管理。

三、嵌入式硬件

1、嵌入式微处理器

通常嵌入式处理器需要根据不同的使用场景选择不同类型的处理器，从处理器分类看，大致可分为MPU、MCU、DSP、GPU、SoC：

（1）微处理器(MPU)：将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的母板功能。微处理器一般以某一种微处理内核为核心，每一种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。

（2）微控制器(MCU)：又称单片机。与MPU相比MCU的最大优点在于单片化，体积大大减小，，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。

（3）信号处理器(DSP)：DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计(通常，DSP采用一种哈佛结构)，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。

（4）图形处理器(GPU)：GPU是图形处理单元的缩写，是一种可执行3D图形渲染等图修的半导体芯片(处理器)。GPU可用于个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备上做图像和图形相关运算工作的微处理器。它可减少对CPU的依赖，并执行部分原本属于CPU的工作，尤其是在3D图形处理中，GPU采用了核心技术(如：硬件T&L、纹理压缩等)保证了3D快速渲染的能力。GPU目前已广泛应用于各行各业，GPU中集成了同时运行在GHz的频率上的成千上万个core，可以高速处理图像数据。最新的GPU峰值性能可高达100TFlops以上。

（5）片上系统(SoC)：

- 追求产品系统最大包容的集成器件。

- 它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。

- 同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

- 成功实现了软硬件的无缝结合，直接在微处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

- 减小了系统的体积和功耗、提高了可靠性和设计生产效率。

- 狭义角度：信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一片芯片上。

- 广义角度：SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。

- 国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。

2、人工智能芯片

人工智能（Artificial intelligence，AI）芯片的定义：从广义上讲只要能够运行人工智能算法的芯片都叫做AI芯片。但是通常意义上的AI芯片指的是针对人工智能算法做了特殊加速设计的芯片，现阶段，这些人工智能算法一般以深度学习算法为主，也可以包括其他机器学习算法。

人工智能芯片四大类（按技术架构分类）：

（1）GPU

（2）FPGA（现场可编程门阵列）

（3）ASIC（专用集成电路）

（4）类脑芯片

AI芯片的关键特征：

（1）新型的计算范式：AI计算既不脱离传统计算，也具有新的计算特质。

（2）训练和推断：AI系统通常涉及训练和推断过程。

（3）大数据处理能力：满足高效能机器学习的数据处理要求。

（4）数据精度：降低精度的设计。

（5）可重构的能力：针对特定领域而不针对特定应用的设计，可以通过重新配置，适应新的AI算法、架构和任务。

（6）开发工具：AI芯片需要软件工具链的支持。

3、嵌入式微处理器体系结构

四、嵌入式操作系统

嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源分配、任务调度、控制、协调并行活动等工作。通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。

根据系统对时间敏感程度可将嵌入式系统划分为：

（1）嵌入式非实时系统

（2）嵌入式实时系统：能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间作出响应的系统。

如果从安全性要求看，嵌入式系统还可分为：

（1）安全攸关系统：安全攸关系统也称为安全关键系统或者安全生命关键系统，是指其不正确的功能或者失效会导致人员伤亡、财产损失等严重后果的计算机系统。

（2）非安全攸关系统。

1、嵌入式实时操作系统

嵌入式实时操作系统兼具嵌入式操作系统的特点和实时操作系统的特点。

嵌入式操作系统主要有以下特点：

（1）微型化（2）代码质量高（3）专业化（4）实时性强（5）可裁剪、可配置

实时操作系统的最核心特点是实时性强。

嵌入式实时操作系统实时性的评价指标

（1）中断响应和延迟时间

（2）任务切换时间

（3）信号量混洗时间

嵌入式实时操作系统调度算法

（1）优先级调度算法：系统为每个任务分配一个相对固定的优先顺序。

（2）抢占式优先级调度算法：根据任务的紧急程度确定该任务的优先级。大多数RTOS调度算法都是抢占方式（可剥夺方式）。

（3）最早截止期调度算法（EDF算法）：根据任务的截止时间头端来确定优先级，对于时间期限最近的任务，分配最高的优先级。指一个任务执行到接近自己的截止期，就优先调度，但是此时自己的截止期不一定是所有任务中最早的。（比较的是任务截止期-执行时间，越小越先执行）

（4）最晚截止期调度算法：根据任务的截止时间末端来确定其优先级，对于时间期限最近的任务，分配最高的优先级。指按每个任务的截止期时间比较，谁的截止期最靠早，谁优先调度执行。（比较就是每个任务的截止期）

2、操作系统内核架构

内核是操作系统的核心部分，它管理着系统的各种资源。内核可以看成连接应用程序和硬件的一座桥梁，是直接运行在硬件上的最基础的软件实体。

目前从内核架构来划分，可分为宏内核（Monolithic Kernel，也称单体内核）和微内核（Micro kernel）。

3、鸿蒙操作系统

鸿蒙（Harmony OS）整体采用分层的层次化设计，从下向上依次为：内核层、系统服务层、框架层和应用层。系统功能按照 “系统” - “子系统” - “功能/模块” 逐级展开，在多设备部署场景下，支持根据实际需求裁剪某些非必要的子系统或功能/模块，如图所示。

鸿蒙操作系统架构具有4个技术特性：

（1）分布式架构首次用于终端OS，实现跨终端无缝协同体验

Harmony OS的 “分布式OS架构” 具有分布式软总线、分布式数据管理、分布式任务调度和虚拟外设等4大能力，将相应分布式应用的底层技术难点对应用开发者屏蔽，使开发者能够聚焦自身业务逻辑，像开发同一终端一样开发跨终端分布式应用，也使最终消费者享受到强大的跨终端业务协同能力为各使用场景带来无缝体验。

（2）确定时延引擎和高性能IPC技术实现系统天生流畅

确定时延引擎可在任务执行前分配系统中任务执行优先级及时限进行调度处理，优先级高的任务资源将优先保障调度，应用响应时延降低25.7%。鸿蒙微内核结构小巧的特性使IPC（进程通信间）性能大大提高，进程通信效率较现有系统提成5倍。

（3）基于微内核架构重塑终端设备可信安全

Harmony OS采用全新的微内核设计，拥有更强的安全特性和低时延等特点。

Harmony OS架构的系统安全性主要体现在搭载Harmony OS的分布式终端上，可以保证 “正确的人，通过正确的设备，正确的使用数据”。这里通过 “分布式多端协同身份认证” 来保证 “正确的人” ，通过 “在分布式终端上构筑可信运行环境” 来保证 “正确的设备” ，通过 “分布式数据在跨终端流动的过程中，对数据进行分类分级管理” 来保证 “正确的使用数据”。

（4）通过统一IDE支撑一次开发，多端部署，实现跨终端生态共享。