嵌入式系统架构设计

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一. 嵌入式系统硬件

3、存储器就是一种存储程序和数据用的时序逻辑电路。存储器分类为：随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）

4、随机存取存储器（RAM）的特点是一旦系统断电，存放在里面的所有数据和程序都会自动清空掉，并且再也无法恢复。

6、只读存储器（ROM）在元件正常工作的情况下，其中的代码数据将永久保存，并且不能够进行修改。ROM 一般应用于 PC 系统程序码和主机板 BIOS 上。

8、总线是功能部件间传输信息的公共通信干线。总线的拓扑结构有星型、树状、环型、总线型和交叉开关型等 5 种。总线的类型可以按照计算机所传输的信息种类、按连接部件进行划分。

9、按照计算机所传输的信息种类可以分为：数据总线、地址总线、控制总线。

11、看门狗为嵌入式系统提供必需的系统恢复能力，在系统发生软件问题和程序跑飞时重新启动系统。它的基本原理是由计数器自动计数，程序定期将其重置，如果系统卡死或程序跑飞，计数器溢出，进入中断处理，在设定时间间隔内，系统保留状态后复位重启。

二. 嵌入式系统软件

1、嵌入式操作系统（EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统。与通用的操作系统相比，嵌入式操作系统具有：可剪裁性，可移植性，强实时性，强紧凑性，高质量代码，强定制性，标准接口，强稳定性，弱交互性，强确定性，操作简捷、方便，较强的硬件适应性，可固化性的特点。

2、嵌入式操作系统分为面向控制、通信领域以及面向消费电子产品两类。

4、任务管理。任务是嵌入式操作系统调度最小单位，类似于计算机操作系统中进程的概念。任务有 3 种工作状态：执行状态、就绪状态、阻塞状态。

5、嵌入式操作系统大都支持优先级抢占调度算法和时间片轮转调度算法。在实时系统的任务调度中，存在大量的实时调度方法，大致可以分为：离线调度算法、在线调度算法、抢占调度算法、非抢占调度算法、静态调度算法、动态调度算法。

6、实时调度算法中还有强实时调度算法，具体可以分为：最早截止时间优先（EDF）调度算法、最低松弛度优先（LLF）调度算法、单调速率（RMS）调度算法（根据任务周期确定有限期，周期越短，优先级越高，这种算法被认为是最优的）

7、存储管理。存储管理的主要目的是解决多个用户使用主存的问题，存储管理方法主要包括分区、分页、分段、段页式存储管理以及虚拟存储管理等。

8、任务间通信。它主要为操作系统的应用程序提供多种类型的数据传输、任务同步/异步操作等手段。

9、嵌入式数据库具有嵌入式、实时性、移动性、伸缩性的特点。嵌入式数据库可以按照如下方式分类：
● 按嵌入对象分为：软件嵌入数据库、设备嵌入数据库、内存数据库。
● 按系统结构分为：嵌入数据库、移动数据库、小型 C/S 结构数据库。
● 按存储位置分为：基于内存的数据库系统（典型产品是 eXtremeDB 嵌入式数据库）、基于文件的数据库（典型产品是 SQLite）、基于网络的数据库（B/S数据库、C/S数据库、云数据库等）。

10、数据库管理系统与嵌入式数据库使用对比

11、除了具有与通用数据库相似的功能外，嵌入式数据库还具有的功能包括：足够高效的数据存储机制、数据安全控制（锁机制）、实时事务管理机制、数据库恢复机制（历史数据存储）。

12、嵌入式中间件是在嵌入式系统中处于嵌入式应用和操作系统之间层次的中间软件，其主要作用是对嵌入式应用屏蔽底层操作系统的异构性，常见功能有网络通信、内存管理和数据处理等。典型的嵌入式中间件有消息中间件、分布式对象中间件。

13、嵌入式系统软件开发环境的特点是：集成开发环境，交叉开发，开放式架构，可扩展性，可操作性，可移植性，可配置性，实时性，可维护性，用户界面友好。

三. 嵌入式系统软件架构设计方法

1、嵌入式系统软件架构设计方法有：基于架构的软件设计开发方法（ABSD）、属性驱动的软件设计方法（ADD）、实时系统设计方法（DARTS）。

2、属性驱动的软件设计方法（ADD）是把一组质量属性（可用性、性能、安全性等）场景作为输入，利用对质量属性实现与架构设计之间的关系的了解（如体系结构风格、质量战术等）对软件架构进行设计的一种方法。采用 ADD 方法进行软件开发时，需要经历评审、选择驱动因子、选择系统元素、选择设计概念、实体化元素和定义接口、草拟视图和分析评价等 7 个阶段。

3、实时系统设计方法（DARTS）基于传统结构化分析方法，扩展了行为建模部分。DARTS 方法分为 5 个部分：用实时结构化分析方法开发系统规范、将系统划分为多个并发任务、定义任务间接口、设计每个任务、设计过程的成果。

四. 鸿蒙操作系统

1、鸿蒙操作系统架构采用了分布式设计理念，实现了分布式软总线、分布式设备系统的虚拟化、分布式数据管理和分布式任务调度 4 种分布式能力。

2、鸿蒙操作系统的架构是一种层次式架构，由内核层、系统服务层、应用框架层、应用层组成
● 内核层。内核层采用微内核设计，内核层中的内核抽象层屏蔽多内核差异，对上层提供基础内核能力，如进程/线程管理、内存管理、文件系统、网络管理、外设管理等。驱动子系统则提供统一外设访问能力、驱动开发框架、驱动管理框架。
● 系统服务层。属于核心能力集合的部分，为应用程序提供服务。
● 应用框架层。为应用服务提供多语言用户程序框架、能力框架，以及各种硬件服务对外开放的 API。
● 应用层。包括系统应用和第三方非系统应用，能够实现特定的业务功能，支持跨设备调度与分发，为用户提供一致、高效的应用体验。

五. 面向安全攸关系统的跨领域系统架构（GENESYS）

1、GENESYS 是一种跨领域的通用嵌入式架构平台。GENESYS 采用消息交换方式实现软硬件构件的抽象级别的提升，使得构件在接口规范基础上可以被重用，而不需要知道构件的内部实现。GENESYS 设计了故障或错误的隔离框架，构件在瞬态故障引起失效后，可选择性地重启和用构件复制来屏蔽瞬态和永久错误。同时 GENESYS 可以减少构件的功率需求或者在不需要时（功率门）完全关闭构件。因此 GENESYS 的出现解决了复杂性管理、系统健壮性、能量有效使用 3 个方面的挑战。

2、GENESYS 架构主要提供了 3 组服务，即领域无关服务、领域专用服务和应用专用服务。

3、领域无关服务包括核心服务和选择服务，如嵌入式系统中的全局时间和消息传输等服务为核心服务。信息安全服务、外部存储器管理器或者 Internet 网关服务等属于选择服务。

4、领域专用服务是由领域特有的服务子集加上待开发领域特征的特定服务组合。GENESYS 架构从硬件、软件的观点遵循了面向构件的风格，分离了计算与通信，将计算构件和通信设施作为独立构件进行设计。

六. 物联网操作系统软件架构

1、物联网操作系统通常包括芯片层、终端层、边缘层、云端层等多个层面内容。

2、物联网操作系统使用的软件以及技术主要有：开源物联网操作系统（FreeRTOS）、公共服务组件、定制性服务组件。

3、公共服务组件有：网络协议、外设支持、可移植操作系统接口 POSIX 。

4、定制性服务组件有：消息队列遥测传输协议（MQTT），安全超文本传输协议（HTTPS），消息标准 PKCS #11 支持，安全套件等。

5、物联网操作系统主要特征有：内核实时性、内核尺寸伸缩性、架构可扩展性、高可靠性、低功耗。