原子标签索引:[概念×16 | 机制×4 | 流程×3 | 决策×1 | 分类体系×12 | 判据×4 | 案例×3 | 数据×12] 上游:第2章(操作系统)、第7章(ABSD/ADD 设计方法)、第8章(质量属性) 下游:物联网/实时系统相关论文素材

标准表述

  1. 嵌入式系统:为了特定应用而专门构建的计算机系统,软件架构与硬件组成紧密相关。
  2. 嵌入式系统发展五阶段:单片微型计算机(SCM)→ 微控制器(MCU)→ 片上系统(SoC)→ 以 Internet 为基础 → 智能化、云技术推动(低能耗、高速度、高集成、高可信;向微型传感设备与智能服务设备两方向)。
  3. 典型嵌入式系统硬件组成:嵌入式微处理器(MCU)、存储器(RAM/ROM)、内(外)总线逻辑、定时/计数器、看门狗电路、I/O 接口、外部设备。
  4. 芯片工作温度分级:民用级 0~70℃、工业级 -40~85℃、军用级 -55~150℃。
  5. 看门狗电路:嵌入式系统必须具备的系统恢复能力——计数器溢出即进中断,保留关键数据后复位重启。
  6. 嵌入式操作系统 EOS:负责嵌入式系统全部软硬件资源分配、任务调度、控制、协调并行活动的系统软件。
  7. EOS 内核两分法:宏内核(用户服务与内核服务同一空间,耦合度高,如 VxWorks5.5、VRTX);微内核(不同地址空间,经消息传递通信,结构清晰、移植性好、代码少,但性能偏低,如嵌入式 Linux、L4、WinCE)。
  8. 任务 = 程序 + 执行;任务三态:执行态、就绪态、阻塞态。
  9. 实时调度三对划分:离线/在线、抢占/非抢占、静态/动态。
  10. EDF:截止时间越早优先级越高,既可用于剥夺式也可用于非剥夺式;LLF:松弛度最低者优先,主要用于可剥夺方式;RMS:静态优先级,周期越短优先级越高,是最优的静态优先级算法。
  11. 松弛度 = 必须完成时间 - 本身运行时间 - 当前时间。
  12. 存储管理五法:分区(静态/可变/可重定位)、分页、分段、段页、虚拟存储。
  13. 任务间通信五手段:共享内存、信号量、消息队列、Socket 与远程调用、Signals。
  14. 信号量三种:二进制(最快最常用,解决同步)、互斥(解决互斥、优先级继承、递归)、计数(保护资源的多个实例)。
  15. 嵌入式数据库与数据库服务器的根本区别:运行地址空间不同——嵌入式数据库与应用程序同进程,经 API 访问而非 TCP/IP。
  16. 嵌入式数据库三分类(按存储位置):基于内存(MMDB)、基于文件(FDB)、基于网络(NDB)。
  17. 中间件 = 平台 + 通信;嵌入式中间件处于嵌入式应用和操作系统之间,屏蔽底层 OS 异构性;最常用两种为 CORBA 与 DDS。
  18. 消息中间件两特点:异步处理模式、应用间松耦合;两服务模型:点对点(PTP)与发布-订阅(Pub/Sub)。
  19. 交叉开发(Cross Development):软件在通用平台(宿主机)开发,在嵌入式目标平台(目标机)运行调试。
  20. 典型嵌入式软件架构两模式:层次化模式架构、递归模式架构。
  21. ADD:以一组质量属性场景为输入的递归分解设计方法,共七步骤。
  22. DARTS:实时系统设计方法,将实时系统分解为多个并发任务并定义任务间接口,源自 RTSAD。

蒸馏笔记

概念

机制

流程

  1. ADD 七步骤:①评审输入(架构驱动因子:设计目的、质量属性、主要功能、架构关注点、约束条件)②选择驱动因子建立迭代目标(迭代模型/瀑布模型决定设计回合)③选择一个或多个系统元素细化 ④选择一个或多个设计概念(结构模式、分层设计、域对象设计等)⑤实例化架构元素、分配职责、定义接口 ⑥草拟视图并记录设计决策 ⑦分析当前设计、评审迭代目标、实现设计目的(风险评估判别是否需更多迭代)。
  2. DARTS 五步:①用 RTSA 开发系统规范(系统环境图 SCD、状态转换图 STD、层次 DFD/CFD)②将系统划分为多个并发任务(任务结构化标准应用于 DFD/CFD 叶子节点;I/O 转换→异步 I/O/周期 I/O/资源监视任务;内部转换→控制/周期/异步任务)③定义任务间接口(数据流→松/紧耦合消息接口;事件流→事件信号;数据存储→IHM;完成时间约束分析与时间预算)④设计每个任务(任务再分模块,转换/事务分析,PDL 描述)⑤成果:RTSA 规范、任务结构规范、任务分解。
  3. 鸿蒙系统功能展开:"系统"→"子系统"→"功能/模块"逐级展开,多设备部署时可按需裁剪非必要子系统或功能模块。

决策

决策点 选项与条件
层次化模式选择 封闭型:一层只能调用同层或下一层——移植性好;开放型:可调用低于该层的任意层——性能较好但破坏封装、移植性差
可变分区分配 首次适应(顺序找第一个满足的,易产生碎片);最佳适应(挑最小满足分区,空闲区递增排列);最坏适应(挑最大分区,对中小作业有利,空闲区递减排列)
调度算法选择 任务特征可预先确定→离线/静态(RMS);需动态响应→在线/动态(EDF、LLF);关键任务须满足截止时间→抢占式
实时库封锁粒度 锁开销与数据处理开销相当→选关系表为封锁单位(而非传统小粒度),降低复杂度、提高整体性能

分类体系

判据

案例

  1. 鸿蒙 HarmonyOS(16.4.1):华为分布式 OS,四层——内核层(多内核+KAL 内核抽象层+HDF 驱动框架)、系统服务层(基本能力/基础软件服务/增强软件服务/硬件服务四个子系统集)、框架层(多语言用户程序框架与 Ability 框架)、应用层(FA 有 UI,PA 无 UI);四大技术特性:分布式架构首次用于终端 OS、确定时延引擎(响应时延降低 25.7%)+高性能 IPC(效率提升 5 倍)、微内核+形式化方法重塑可信安全(微内核代码量仅为 Linux 宏内核的千分之一,TEE 获 CC EAL5+ 认证)、统一 IDE 一次开发多端部署(方舟编译器静态编译)。
  2. GENESYS(16.4.2):欧洲 ARTEMIS 2008—2009 年提出的跨领域通用嵌入式架构平台,应对复杂性管理、系统健壮性、能量有效使用三挑战;"腰"型架构三组服务(领域无关——核心服务[强制、确定性、需认证]+选择服务;领域专用——DSC/DSO;应用专用);分离计算与通信,构件四类消息接口(LIF 链接/LI 局部/TII 技术无关/TDI 技术相关);三级集成:芯片级(IP 核+NoC)、设备级(芯片)、系统级(设备)。
  3. FreeRTOS(16.4.3):开源物联网操作系统(亚马逊托管),由 BSP 驱动、内核、组件构成,内核可剪裁,核心代码约 9000 行;物联网 OS 四特征:内核尺寸伸缩性与架构可扩展性、内核实时性、高可靠性、低功耗。

数据

数据项 数值 条件/出处
芯片工作温度 民用 0~70℃;工业 -40~85℃;军用 -55~150℃ 处理器选型首要因素
DRAM 刷新周期 每几微秒刷新一次;存取约 2~4ms 电容漏电所致
RDRAM 速度 500~530MB/s,为 DRAM 的 10 倍以上 专业图形加速/游戏机视频内存
SDRAM 规格 168Pin、3.3V 工作电压 与 CPU 外频同步
EEPROM 擦除电压 约 20V 电可擦除
VDBE 操作码 128 个 SQLite 虚拟机
SQLite 支持库大小 Windows 版 DLL 374KB;支持数据库至 2TB ACID 事务
Berkeley DB 数据库规模 高达 256TB;1991 年发布 后被 Oracle 收购
LynxOS 优先级 256 个全局用户线程优先级 硬实时调度
HarmonyOS 关键数字 响应时延降 25.7%;IPC 效率提升 5 倍;微内核代码量为 Linux 宏内核千分之一;CC EAL5+ 确定时延引擎/形式化 TEE
FreeRTOS 核心代码 约 9000 行 轻量级内核可剪裁
VxWorks API 多达 1800 个 1983 年,WindRiver

易错点 / 边界情况