软考：高级软件架构师学习笔记----嵌入式技术

学前说两句嵌入式技术在整个架构师软考中占比也不是太高而且和其它的章节关联度不是太高我当时准备了鸿蒙操作系统也没有考这个章节还是比较简单的主要是看几遍刷刷题就好了不需要理解啥。课程概要嵌入式系统概述硬件抽象层是为了解耦操作系统和硬件层之间的关系抽象硬件层中间件层屏蔽底层操作系统层板级支持包易抑制嵌入式组成部件硬件典型架构层次架构递归架构层次化模式架构核心知识核心结构分层依赖高层抽象依赖低层具体实现通过接口交互。例如应用层调用操作系统API操作系统管理硬件驱动。双类型分类封闭型严格限制层间调用如只能调用同层或下一层确保高移植性如嵌入式系统跨平台适配。开放型允许跨多层调用优化性能如实时系统直接访问硬件加速模块。关键优势模块化清晰故障隔离如某层故障不影响其他层。接口标准化降低开发复杂度如POSIX标准接口。递归模式架构核心知识核心机制双向开发流自顶向下从系统级需求分解为子系统如先定义网络模块再细化协议栈。自底向上从基础组件构建高级功能如先实现传感器驱动再集成环境监测系统。包含关系迭代通过重复嵌套对象/子系统实现复杂功能如嵌套的异常处理机制。关键优势灵活适应需求变化如快速调整算法模块位置。协作式开发支持如多个团队并行开发不同层级模块。嵌入式系统的发展历史历史阶段一句话说明核心差异点单片微型计算机SCM将CPU、存储器、I/O接口集成于单一芯片实现基础计算与控制功能首次实现芯片级系统概念奠定嵌入式物理基础微控制器MCU集成ADC/DAC、定时器等外设并引入低功耗设计提升系统可靠性从纯计算转向计算外设集成支持复杂控制场景片上系统SoC集成GPU/DSP/基带处理器等专用模块支持多媒体处理与异构计算从通用计算转向专用计算集成实现片上异构架构联网嵌入式集成TCP/IP协议栈与无线通信模块支持物联网协议与云端交互从单机运行转向设备-云端双向通信构建物联网基础智能云化集成AI加速单元并支持边缘-云端协同实现实时智能决策从被动响应转向主动智能形成端-边-云三级架构嵌入式微处理器SOC不只是一款有运算能力的芯片嵌入式操作系统嵌入式操作系统的定义按时间敏感度进行分类还有一个特点就是固化可裁剪、可配置是说可定制化没有明确在什么时间内处理完成嵌入式操作系统调度算法按安全进行分类操作系统内核架构微内核和宏内核操作系统的空间分为用户空间和内核空间按照内核空间的复杂程度可以分为宏内核和微内核可以看到宏内核单体内核内部的功能很多而微内核的功能不多然后把一部分功能放到了用户空间来做了。优缺点微内核代码量少一般不会相互调用的而且性能偏低为什么说微内核适合于分布式系统呢在微内核中客户进程通过核心态请求到用户态中的服务器是一种B/S架构所以可以分布式调用。鸿蒙系统内核架构鸿蒙系统使用的是微内核嵌入式数据库特点按照数据存储位置进行分类嵌入式软件开发中断和查询是IO数据传输方式的两种。中断情况下微处理器的效率会更高一些思维导图# 嵌入式技术 - 核心知识思维导图 │ ├── 0️⃣ 嵌入式系统概述 (★★) │ ├── 基本概念 │ │ ├── 以应用为中心计算机技术为基础 │ │ ├── 软硬件可配置、可裁剪 │ │ ├── 满足功能、可靠性、成本、体积、功耗要求 │ │ └── 作为部件埋藏于控制装置中 │ ├── 组成 │ │ ├── 嵌入式处理器 │ │ ├── 相关支撑硬件 │ │ ├── 嵌入式操作系统 │ │ ├── 支撑软件 │ │ └── 应用软件 │ ├── 嵌入式中间件 │ │ └── 作用抽象底层硬件屏蔽硬件差异 │ ├── 典型架构 │ │ ├── 层次化模式架构 │ │ │ ├── 封闭型一层只能调用同层或下一层封装性好移植性强 │ │ │ └── 开放型一层可调用任意层性能高耦合度高 │ │ └── 递归模式架构 │ │ ├── 自顶向下从系统整体拆分为子系统 │ │ └── 自底向上从功能域构建抽象 │ └── 初始化过程 │ ├── 片级初始化CPU内核、寄存器、中断向量 │ ├── 板级初始化内存、时钟、外设等板级硬件 │ └── 系统级初始化OS启动、任务/服务创建 │ ├── 1️⃣ 嵌入式硬件 (★★) │ ├── 发展历程 │ │ ├── 第一阶段单片微型计算机SCM │ │ ├── 第二阶段微控制器MCU │ │ ├── 第三阶段片上系统SoC │ │ ├── 第四阶段以Internet为基础联网嵌入式 │ │ └── 第五阶段智能化、云技术推动AIoT │ └── 嵌入式微处理器 │ ├── MPU微处理器仅CPU需外配存储器和I/O │ ├── MCU微控制器/单片机集成CPU、RAM、ROM、I/O │ ├── DSP数字信号处理器哈佛结构擅长数学计算 │ ├── GPU图形处理器并行计算强峰值可达100 TFlops以上 │ └── SoC片上系统 │ ├── 不只是一块处理器而是一个微小型系统 │ ├── CPU是大脑 │ ├── SoC包含大脑CPU、心脏总线/DMA、眼睛和手外设接口 │ ├── 集成微处理器、模拟IP核、数字IP核、存储器 │ └── 面向特定用途的标准产品ASSP │ ├── 2️⃣ 嵌入式操作系统 (★★★) │ ├── 定义与特点 │ │ ├── 负责软硬件资源分配、任务调度 │ │ ├── 包含底层驱动、内核、设备接口、通信协议、图形界面等 │ │ ├── 微型化 │ │ ├── 代码质量高 │ │ ├── 专业化 │ │ ├── 实时性强 │ │ ├── 可裁剪、可配置 │ │ └── 可固化程序固化在ROM中 │ ├── 系统分类 │ │ ├── 按时间敏感度 │ │ │ ├── 嵌入式非实时系统如老式手机 │ │ │ └── 嵌入式实时系统RTOS │ │ └── 按安全性要求 │ │ ├── 安全攸关系统汽车、医疗 │ │ └── 非安全攸关系统普通家电 │ ├── 实时操作系统实时性评价指标 │ │ ├── 中断响应和延迟时间 │ │ ├── 任务切换时间 │ │ └── 信号量混洗时间任务间同步的开销 │ ├── 实时操作系统调度算法 │ │ ├── 时间片轮转 │ │ ├── 优先级调度非抢占 │ │ │ ├── 为每个任务分配固定优先级 │ │ │ └── 按优先级高低排队运行 │ │ ├── 抢占式优先级调度 │ │ │ ├── 高优先级任务可抢占低优先级 │ │ │ └── 优先级由任务紧急程度决定 │ │ ├── RMS单调速率调度 │ │ │ └── 周期越短优先级越高固定优先级 │ │ ├── EDF最早截止期优先 │ │ │ └── 截止时间越早优先级越高动态优先级 │ │ └── LLF最低松弛度优先 │ │ └── 松弛度 截止期 - 当前时间 - 剩余执行时间 │ └── 操作系统内核架构 │ ├── 核心概念内核是操作系统核心管理资源 │ ├── 单体内核宏内核 │ │ ├── 功能图形、驱动、文件系统全在内核中 │ │ ├── 优点函数直接调用效率高 │ │ ├── 缺点庞大、稳定性差、安全性低 │ │ └── 代表Linux内核早期/传统 │ └── 微内核 │ ├── 功能只实现IPC、调度、内存管理等基本功能 │ ├── 特点服务和驱动在用户态服务化 │ ├── 代表鸿蒙、QNX、L4 │ ├── 优点结构清晰、可裁剪、安全稳定、高可靠 │ └── 缺点传统实现效率较差IPC/上下文切换开销现代微内核已大幅优化 │ ├── 3️⃣ 鸿蒙操作系统 (★★★) │ ├── 概述华为研发的面向全场景的分布式操作系统 │ ├── 技术特性 │ │ ├── 分布式架构软总线 │ │ ├── 确定时延引擎 高性能IPC │ │ ├── 基于微内核架构的可信安全 │ │ └── 统一IDE一次开发多端部署 │ └── 架构层次自下而上 │ ├── 内核层 │ │ ├── 微内核设计LiteOS-A │ │ └── 内核抽象层支持多内核含Linux │ ├── 系统服务层 │ ├── 框架层 │ └── 应用层 │ ├── 4️⃣ 嵌入式数据库 (★) │ ├── 特点 │ │ ├── 嵌入式无需独立数据库服务器进程 │ │ ├── 实时性 │ │ ├── 移动性 │ │ └── 伸缩性 │ └── 分类 │ ├── 基于内存的数据库MDB速度快掉电易失 │ ├── 基于文件的数据库FDB │ │ ├── 以文件方式存储安全性低 │ │ └── 满足空间/时间受限场景如SQLite │ └── 基于网络的数据库NDB │ ├── 客户端 通信协议 远程服务器 │ ├── 无需解析SQL客户端小巧 │ └── 注意不正确的是“以文件方式存储” │ ├── 5️⃣ 嵌入式系统设计 (★) │ ├── 软件开发与调试 │ │ ├── JTAG国际标准测试协议调试/烧录接口 │ │ ├── 仿真器/烧录器 │ │ └── 串口调试输出 │ ├── 功耗控制 │ │ ├── 软硬件协同设计 │ │ ├── 编译优化 │ │ ├── 减少持续运行时间算法优化 │ │ ├── 用“中断”代替“查询”避免空转 │ │ └── 电源有效管理调频/休眠/动态电压调节 │ ├── 常见考点BootloaderU-Boot、看门狗、中断处理流程 │ └── 内存管理MMU、虚拟地址与物理地址映射部分RTOS无MMU │ └── 6️⃣ 习题与考点提示 (★★★) ├── 嵌入式中间件作用抽象底层硬件正确 ├── 典型架构层次化 递归模式正确 ├── GPU峰值性能100 TFlops以上正确 ├── 实时操作系统特点不包括“通用性”正确 ├── 实时系统响应时间被控对象允许的时间范围内正确 ├── 微内核特征不包括“功能代码互相调用性能很高”正确 ├── 鸿蒙内核微内核基本正确注意实际实现中存在多内核 ├── NDB特征不包括“以文件方式存储”正确 ├── 补充考点Bootloader的作用硬件初始化→加载OS ├── 补充考点看门狗定时器防止系统死锁 ├── 补充考点中断响应流程保护现场→执行ISR→恢复现场 └── 补充考点任务间通信方式信号量、消息队列、事件标志组# 嵌入式技术 - 核心知识思维导图│├── 0️⃣ 嵌入式系统概述 (★★)│ ├── 基本概念│ │ ├── 以应用为中心计算机技术为基础│ │ ├── 软硬件可配置、可裁剪│ │ ├── 满足功能、可靠性、成本、体积、功耗要求│ │ └── 作为部件埋藏于控制装置中│ ├── 组成│ │ ├── 嵌入式处理器│ │ ├── 相关支撑硬件│ │ ├── 嵌入式操作系统│ │ ├── 支撑软件│ │ └── 应用软件│ ├── 嵌入式中间件│ │ └── 作用抽象底层硬件│ ├── 典型架构│ │ ├── 层次化模式架构│ │ │ ├── 封闭型│ │ │ │ └── 一层中的对象只能调用同一层或下一底层封装移植性好│ │ │ └── 开放型│ │ │ └── 一层中的对象可以调用任意一层性能好│ │ └── 递归模式架构│ │ ├── 自顶向下│ │ │ └── 从系统层级开始标识结构对象分为子系统向下推进│ │ └── 自底向上│ │ └── 专注于域的构造实现子系统级的抽象│ └── 初始化过程│ ├── 片级初始化│ ├── 板级初始化│ └── 系统级初始化│├── 1️⃣ 嵌入式硬件 (★★)│ ├── 发展历程│ │ ├── 第一阶段单片微型计算机SCM│ │ ├── 第二阶段微控制器MCU│ │ ├── 第三阶段片上系统SoC│ │ ├── 第四阶段以Internet为基础│ │ └── 第五阶段智能化、云技术推动│ └── 嵌入式微处理器│ ├── MPU微处理器│ ├── MCU微控制器单片机│ ├── DSP信号处理器哈佛结构│ ├── GPU图形处理器│ │ └── 峰值性能可高达100 TFlops以上│ └── SoC片上系统│ ├── 不只是一块处理器芯片│ ├── 是一个微小型系统│ ├── CPU是大脑│ ├── SoC包含大脑、心脏、眼睛和手│ ├── 集成微处理器、模拟IP核、数字IP核、存储器│ └── 面向特定用途的标准产品│├── 2️⃣ 嵌入式操作系统 (★★★)│ ├── 定义与特点│ │ ├── 负责软硬件资源分配、任务调度│ │ ├── 包括底层驱动、内核、设备接口、通信协议、图形界面等│ │ ├── 微型化│ │ ├── 代码质量高│ │ ├── 专业化│ │ ├── 实时性强│ │ ├── 可裁剪、可配置│ │ └── 可固化│ ├── 系统分类│ │ ├── 按时间敏感度│ │ │ ├── 嵌入式非实时系统│ │ │ └── 嵌入式实时系统│ │ └── 按安全性要求│ │ ├── 安全攸关系统│ │ └── 非安全攸关系统│ ├── 实时操作系统实时性评价指标│ │ ├── 中断响应和延迟时间│ │ ├── 任务切换时间│ │ └── 信号量混洗时间│ ├── 实时操作系统调度算法│ │ ├── 时间片轮转│ │ ├── 优先级调度│ │ │ ├── 系统为每个任务分配一个相对固定的优先顺序│ │ │ └── 调度程序根据优先级的高低排序│ │ ├── 抢占式优先级调度│ │ │ ├── 在优先级算法的基础上允许高优先级抢占低优先级任务│ │ │ └── 根据紧急程度确定该任务的优先级│ │ ├── RMS单调速率调度│ │ │ └── 任务周期越短优先级越高│ │ ├── EDF最早截止期调度│ │ │ └── 根据任务截止时间头端来确定优先级│ │ └── LLF最低松弛度优先│ │ └── 根据任务截止时间末端来确定优先级│ └── 操作系统内核架构│ ├── 核心概念操作系统内核是操作系统的核心管理各种资源│ ├── 单体内核宏内核│ │ ├── 将图形、设备驱动及文件系统等功能全部在内核中实现│ │ ├── 优点效率高│ │ └── 缺点内核庞大稳定性安全性差│ └── 微内核│ │ ├── 只实现基本功能将图形系统、文件系统、设备驱动及通信功能放在内核之外│ │ ├── 代表鸿蒙操作系统│ │ ├── 优点结构清晰、可裁剪、安全稳定│ │ └── 缺点性能偏低│├── 3️⃣ 鸿蒙操作系统 (★★★)│ ├── 技术特性│ │ ├── 分布式架构│ │ ├── 确定时延引擎 高性能IPC│ │ ├── 基于微内核架构的可信安全│ │ └── 统一IDE一次开发多端部署│ └── 架构层次│ ├── 内核层微内核设计│ ├── 系统服务层│ ├── 框架层│ └── 应用层│├── 4️⃣ 嵌入式数据库 (★)│ ├── 特点│ │ ├── 嵌入式│ │ ├── 实时性│ │ ├── 移动性│ │ └── 伸缩性│ └── 分类│ ├── 基于内存的数据库MDB│ ├── 基于文件的数据库FDB│ │ └── 安全性低但满足空间/时间要求│ └── 基于网络的数据库NDB│ ├── 客户端 通信协议 远程服务器│ ├── 无需解析SQL客户端小│ └── 不正确的是以文件方式存储│├── 5️⃣ 嵌入式系统设计 (★)│ ├── 软件开发与调试│ │ └── JTAG国际标准测试协议│ └── 功耗控制│ ├── 软硬件协同设计│ ├── 编译优化│ ├── 减少持续运行时间算法优化│ ├── 用“中断”代替“查询”│ └── 电源有效管理│└── 6️⃣ 习题与考点提示 (★★★)├── 嵌入式中间件作用抽象底层硬件├── 典型架构层次化 递归模式├── GPU峰值性能100 TFlops以上├── 实时操作系统特点不包括“通用性”├── 实时系统响应时间被控对象允许的时间范围内├── 微内核特征不包括“功能代码互相调用性能很高”├── 鸿蒙内核微内核不是宏内核└── NDB特征不包括“以文件方式存储”