嵌入式基礎(chǔ)知識演講人：日期：嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用編程語言與開發(fā)環(huán)境配置通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)調(diào)試、測試與優(yōu)化策略安全性考慮未來發(fā)展趨勢預(yù)測CATALOGUE目錄01嵌入式系統(tǒng)概述定義與特點定義嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，它是嵌入到其他設(shè)備中，用于控制、監(jiān)視或輔助該設(shè)備運行的計算機系統(tǒng)。特點組成嵌入式系統(tǒng)具有嵌入性、專用性、穩(wěn)定性、高效性等特點，通常需要滿足低功耗、小體積、高可靠性等要求。嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件包括嵌入式處理器、存儲器、接口電路等，軟件包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等。發(fā)展趨勢隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能終端等技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將進(jìn)一步向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、低功耗等方向發(fā)展。發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)起源于20世紀(jì)60年代，經(jīng)歷了從單片機到嵌入式微處理器再到片上系統(tǒng)（SOC）的發(fā)展歷程?，F(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、醫(yī)療、交通、消費等領(lǐng)域。發(fā)展歷程及現(xiàn)狀應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、醫(yī)療、交通、消費電子等領(lǐng)域，如智能家電、手機、汽車電子、安防監(jiān)控等。應(yīng)用領(lǐng)域與市場需求市場需求隨著智能化、信息化時代的到來，嵌入式系統(tǒng)的市場需求不斷增長，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)、智能終端等新興領(lǐng)域，對嵌入式系統(tǒng)的需求更加迫切。市場趨勢未來嵌入式系統(tǒng)市場將呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，市場前景廣闊，同時也需要不斷提高嵌入式系統(tǒng)的性能、降低成本、加強安全性等方面的技術(shù)創(chuàng)新。02嵌入式硬件組成作為計算機系統(tǒng)的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執(zhí)行單元。由超大規(guī)模的集成電路組成，具有邏輯結(jié)構(gòu)、運行效率高和功能外延等特點。中央處理器（CPU）將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器包含CPU、存儲器和輸入/輸出接口等，特點為成本低、體積小、功耗低、可靠性高，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。微控制器處理器與微控制器介紹只讀存儲器（ROM）數(shù)據(jù)只能被讀出，而不能被寫入或修改。用來存儲固定的程序或數(shù)據(jù)，如計算機的啟動程序或設(shè)備的基本操作指令。隨機存取存儲器（RAM）可讀寫，且讀和寫的速度非常快。用于存儲程序運行時的臨時數(shù)據(jù)，如變量和緩存數(shù)據(jù)等。斷電后數(shù)據(jù)會丟失。存儲器類型和選擇依據(jù)輸入/輸出設(shè)備及接口技術(shù)輸出設(shè)備將計算機處理后的信息或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人們能夠識別或感知的形式，如顯示器、打印機、音響等。輸出設(shè)備同樣通過接口與處理器或微控制器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出功能。輸入設(shè)備將外部信息或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別和處理的形式，如鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、傳感器等。輸入設(shè)備通過接口與處理器或微控制器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入功能。03嵌入式操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用常見嵌入式操作系統(tǒng)簡介是一種可剝奪型實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有良好的可裁剪性、可移植性和可固化性，常用于工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。μC/OS-II是一款開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有豐富的中間件組件和良好的可擴展性，適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能家居等領(lǐng)域。是一個小型、可裁剪的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有低功耗、高穩(wěn)定性和高可靠性的特點，適用于小型嵌入式設(shè)備。RT-Thread是一個開源的操作系統(tǒng)，具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能和豐富的應(yīng)用生態(tài)，廣泛應(yīng)用于嵌入式開發(fā)、服務(wù)器等領(lǐng)域。Linux01020403FreeRTOS實時操作系統(tǒng)概念及特點分析實時性實時操作系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成特定任務(wù)，具有及時響應(yīng)外部事件的能力。可靠性實時操作系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性和可靠性，能夠保證系統(tǒng)的安全運行。多任務(wù)支持實時操作系統(tǒng)通常支持多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，能夠有效提高系統(tǒng)資源利用率。可裁剪性實時操作系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行裁剪，減少系統(tǒng)開銷，提高系統(tǒng)性能。任務(wù)調(diào)度算法和優(yōu)先級管理策略先進(jìn)先出算法（FIFO）01按照任務(wù)到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度，簡單易懂，但無法保證高優(yōu)先級任務(wù)的及時響應(yīng)。最短作業(yè)優(yōu)先算法（SJF）02選擇執(zhí)行時間最短的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，可以提高系統(tǒng)效率，但可能導(dǎo)致長任務(wù)長時間得不到執(zhí)行。優(yōu)先級調(diào)度算法03根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，可以保證高優(yōu)先級任務(wù)的及時響應(yīng)，但可能導(dǎo)致低優(yōu)先級任務(wù)長時間得不到執(zhí)行。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法04將每個任務(wù)分成若干時間片，輪流占用CPU資源，可以實現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，但需要合理設(shè)置時間片大小。04編程語言與開發(fā)環(huán)境配置C/C語言可以直接操作硬件，適用于底層驅(qū)動開發(fā)，如操作系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)備驅(qū)動的編寫等。底層驅(qū)動開發(fā)C/C語言具有高效、可控制的特點，能夠精細(xì)控制硬件資源，滿足嵌入式系統(tǒng)對性能和資源的要求。高效與可控制C/C是嵌入式開發(fā)中最常用的編程語言，擁有龐大的用戶群體和豐富的庫資源。廣泛應(yīng)用C/C在嵌入式開發(fā)中重要性010203精確控制匯編語言可以精確控制程序的執(zhí)行過程，優(yōu)化程序性能，適用于對代碼大小和執(zhí)行速度要求極高的場景。高效執(zhí)行匯編語言直接對應(yīng)機器指令，執(zhí)行效率高，適用于對實時性要求極高的場合。底層操作匯編語言可以直接操作硬件，進(jìn)行底層編程，如操作系統(tǒng)的內(nèi)核開發(fā)、設(shè)備驅(qū)動的編寫等。匯編語言使用場景和優(yōu)勢分析集成開發(fā)環(huán)境（IDE）選擇與配置方法選擇集成開發(fā)環(huán)境時，應(yīng)關(guān)注其是否提供豐富的功能，如代碼編輯、編譯、調(diào)試、燒寫等，以提高開發(fā)效率。功能強大集成開發(fā)環(huán)境應(yīng)具備友好的用戶界面和便捷的操作方式，方便開發(fā)者使用。根據(jù)具體硬件平臺和開發(fā)需求，配置集成開發(fā)環(huán)境，包括編譯器、調(diào)試器、燒寫工具等，確保開發(fā)環(huán)境能夠正常工作。易于使用選擇支持多種開發(fā)語言的集成開發(fā)環(huán)境，可以滿足不同項目的需求，提高開發(fā)靈活性。支持多種開發(fā)語言01020403配置方法05通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）是一種通用異步收發(fā)傳輸器，用于異步串行通信，將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。UART工作原理SPI原理I2C原理SPI（SerialPeripheralInterface）是一種高速、全雙工、同步的通信總線，常用于短距離通信，包括一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備。I2C（Inter-IntegratedCircuit）是一種多主從、低速、短距離的通信協(xié)議，常用于在集成電路之間進(jìn)行通信。串行通信協(xié)議（UART、SPI等）原理I2C總線特點I2C總線具有接口線少、通信效率高、操作簡便、支持多主從設(shè)備等優(yōu)點。嵌入式應(yīng)用I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于連接微控制器和各種外圍設(shè)備，如存儲器、顯示驅(qū)動、傳感器等。I2C總線特點及其在嵌入式中應(yīng)用WiFi采用無線局域網(wǎng)技術(shù)，基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速度快、組網(wǎng)靈活、覆蓋范圍廣等特點。WiFi原理及特點藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，常用于移動設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和語音通信，具有低功耗、低成本、易實現(xiàn)等優(yōu)點。藍(lán)牙原理及應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如WiFi，藍(lán)牙）06調(diào)試、測試與優(yōu)化策略調(diào)試方法和工具選擇建議調(diào)試工具如GDB、LLDB等調(diào)試器，可以幫助設(shè)置斷點、查看變量值、單步執(zhí)行等；還有Valgrind等內(nèi)存檢查工具，用于檢查內(nèi)存泄漏和內(nèi)存錯誤。調(diào)試方法包括回溯調(diào)試、分段調(diào)試、單元測試等，回溯調(diào)試通過逐步跟蹤程序執(zhí)行流程，定位問題根源；分段調(diào)試則將程序劃分為若干段，逐段檢查；單元測試則是對程序各個模塊進(jìn)行測試。性能測試指標(biāo)包括執(zhí)行時間、內(nèi)存占用、CPU占用、響應(yīng)時間、吞吐量等，這些指標(biāo)能夠全面反映程序的性能狀況。評估方法可以采用基準(zhǔn)測試、對比分析、負(fù)載測試等方法來評估性能，基準(zhǔn)測試通過運行標(biāo)準(zhǔn)測試集得出性能指標(biāo)；對比分析則是對比不同算法或?qū)崿F(xiàn)的性能；負(fù)載測試則是在高負(fù)載條件下測試程序的穩(wěn)定性。性能測試指標(biāo)及評估方法論述代碼優(yōu)化技巧分享代碼結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過簡化代碼邏輯、減少冗余代碼、提高代碼可讀性等方式，優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)，從而提高程序執(zhí)行效率。編譯器優(yōu)化利用編譯器的優(yōu)化功能，如開啟優(yōu)化選項、內(nèi)聯(lián)函數(shù)等，可以進(jìn)一步提升程序性能。但需注意編譯器優(yōu)化可能會帶來一些潛在的風(fēng)險和問題，需要謹(jǐn)慎使用。算法優(yōu)化選擇高效的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，避免不必要的復(fù)雜度，例如使用哈希表替代鏈表等。03020107安全性考慮如AES、DES等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速加密和解密，保證數(shù)據(jù)機密性。對稱加密算法如RSA、ECC等，用于密鑰交換和數(shù)字簽名，確保數(shù)據(jù)完整性和真實性。非對稱加密算法如SHA-256、MD5等，將任意長度的數(shù)據(jù)映射為固定長度的散列值，用于數(shù)據(jù)完整性校驗。散列函數(shù)加密算法在嵌入式系統(tǒng)中運用確保嵌入式設(shè)備只能執(zhí)行經(jīng)過驗證的代碼，防止惡意軟件在啟動時攻擊。安全啟動權(quán)限管理安全更新采用最小權(quán)限原則，為每個任務(wù)分配最小必要權(quán)限，限制惡意代碼的擴散。提供安全可靠的軟件更新機制，及時修復(fù)已知漏洞，提高系統(tǒng)安全性。防止惡意攻擊措施數(shù)據(jù)加密定期備份重要數(shù)據(jù)，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。數(shù)據(jù)備份訪問控制實施嚴(yán)格的訪問控制策略，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和修改。對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲，防止數(shù)據(jù)被非法訪問。數(shù)據(jù)保護(hù)策略08未來發(fā)展趨勢預(yù)測安全性與隱私保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式設(shè)備的安全性問題日益突出，如何保護(hù)用戶隱私和數(shù)據(jù)安全成為重要挑戰(zhàn)。高效能源管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量眾多，如何實現(xiàn)低功耗、高效率的能源管理是關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性物聯(lián)網(wǎng)涉及多種設(shè)備和協(xié)議，如何實現(xiàn)不同設(shè)備之間的互操作性和數(shù)據(jù)交換是難題。物聯(lián)網(wǎng)時代下嵌入式技術(shù)挑戰(zhàn)嵌入式設(shè)備將更多地承擔(dān)數(shù)據(jù)處理和決策任務(wù)，邊緣計算將提高處理速度和隱私保護(hù)。邊緣計算與智能決策嵌入式系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用機器學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)設(shè)備自適應(yīng)控制和性能優(yōu)化。機器學(xué)習(xí)與自適應(yīng)控制嵌入式設(shè)備