嵌入式软件基础

一。嵌入式软件的特点

• 规模较小
• 开发难度大
  • 硬件资源有限
  • 一般涉及到底层软件的开发，需要软硬件基础
  • 开发环境与运行环境不同
• 实时性和可靠性要求高
• 要求固化存储

二。嵌入式软件

1.分类

• 系统软件：控制和管理嵌入式系统资源，如嵌入式操作系统、驱动程序、中间件等
• 支撑软件：辅助软件开发的工具软件
• 应用软件：定义嵌入式设备的主要功能和用途，负责与用户进行交互

2.软件体系结构

1)无操作系统阶段

• 硬件配置较低，系统应用主要集中在控制领域
• 嵌入式软件的设计以应用为核心，应用软件直接建立在硬件上

两种实现方式

• 循环轮转
• 前后台系统(在循环轮转基础上增加了中断处理功能)

循环轮转

• 把系统分解成若干不同任务，包含在死循环的for语句中，按顺序逐一执行

​ 优点：

• 简答，直观，开销少

​ 缺点：

• 所有代码按顺序执行，无法处理异步事件，缺乏并行处理能力

前后台系统

• 前台程序(事件处理级)：中断服务程序。负责处理异步事件
• 后台程序(任务级)：一个无限循环，负责资源分配、管理和系统调度
  • 系统运行时，后台程序会检查每个任务是否具有运行条件，对实时性要求严格的操作通用由中断完成

​ 注意：

• 前后台系统认为所有的任务具有相同优先级，任务执行时通过队列排队
• 实时性较差

2)有操作系统阶段

• 开发应用在操作系统的基础上编写

优点：

• 提高系统可靠性
• 提高系统开发效率，降低成本，缩短开发周期
  • 可以按软件工程的思想，分解程序为多个任务模块，对每个任务模块调试
  • 商业软件提供了良好的多任务调试环境
• 有利于系统的扩展和移植

体系结构

• 硬件层(最底层)
• 设备驱动层(BSP)
  • 包含了嵌入式系统中所有与硬件相关的代码
  • 它负责直接与硬件打交道，对硬件进行管理和控制，为上层软件提供所需的驱动支持(类似与BIOS和驱动)
• 操作系统层
• 中间件层
• 应用软件层

1)设备驱动层

BSP(板级支持包 Board Support Package)

• 把嵌入式系统与具体的硬件平台隔离开来
• BSP中，所有与硬件相关的代码都封装起来，向上提供一个虚拟的硬件平台，供操作系统运行
• 操作系统用一组定义好的编程接口与BSP交互，通过BSP访问真正的硬件

BSP包含两个方面内容

• 引导加载程序Boot Loader(类似与BIOS)
  • 嵌入式系统加电后运行的第一段软件代码，是在操作系统内核运行前运行的一段小程序
    • 初始化硬件设备、建立内存空间的映射图
    • 将系统的软硬件设置到一个合适的状态，为调用操作系统内核做准备
• 设备驱动程序
  • 是一组库函数，用来对硬件进行初始化和管理，并向上层软件提供良好的访问接口
  • 基本功能：启动、关闭、停用、启用、读操作、写操作

Boot Loader的基本功能

• 片级初始化
  • 完成微处理器的初始化
  • 包括设置微处理器的核心寄存器和控制寄存器、微处理器的核心工作模式、局部总线模式等
  • 把微处理器从上电的默认状态设置成系统要求的工作状态。
  • 纯硬件初始化过程
• 板级初始化
  • 设置各种硬件寄存器来完成微处理器以外的其他硬件设备的初始化
  • 设置某些软件的数据结构和参数
  • 同时有软件和硬件的初始化过程
• 加载内核
  • 将操作系统和应用程序的映象从Flsh存储器复制到系统内存中，
  • 然后跳转到系统内核的第一条指令处继续执行。

设备驱动程序的组织结构

• 分层结构
  • 把设备驱动程序中的函数分为硬件接口函数喝调用接口函数
  • 
    • 上层接口不直接与硬件打交道
  • 优点：
    • 与硬件相关的细节都封装在硬件接口中，硬件需要升级时，只需要改硬件接口中的函数即可
• 混合结构
  • 没有明确层级关系

  • 上层接口和硬件接口函数混在一起、相互调用

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2）中间件

定义：操作系统内核、设备驱动程序和应用软件之外的所有系统软件

特点：

• 可以有效实现软件的可重用，减低应用软件的复杂性、提高系统的开发效率、缩短开发周期，节约开发成本和维护费用，提高系统的高伸缩性、易升级性、稳定性
• 缺点：带来额外的开销

分类

• 消息中间件 RM2
• 对象中间件 CORBA
• 远程过程调用、数据库访问中间件
• 安全中间件