1.1 嵌入式系统的组成和定义
1.1.1嵌入式系统的定义
以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
1.1.2 嵌入式系统的发展史
(1)无操作系统阶段
特点：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小， 几乎没有用户接口，使用简便，价格低廉。
缺点：无法满足现今对执行效率和存储容量都有较高要求的需要。
(2)简单操作系统阶段
特点：高可靠性、低功耗，具备一定的兼容性和扩展性，内核精巧效率高。
(3)实时操作系统阶段
特点：高度的模块化和扩展性，提供了大量的应用程序接口。
(4)面向Internet阶段
特点:嵌入式设备与Internet结合，当今物联网技术。
1.1.3 嵌入式系统的发展趋势
(1)适应新的微处理器。(微处理器层出不穷)
(2)开发商需提供软硬件技术支持。
(3)新技术、新概念的技术移植。
(4)Linux操作系统的支持与发展。
(5)网络化、信息化、网络互连。
(6)精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和成本
(7)提供更加友好的多媒体人机交互界面。
1.1.4 知识产品核(IP核)
SOC(System On Chip):在单芯片的上集成数字信号处理、微控制器、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块，可直接实现信号采集、转换、存储、处理等功能。IP核是SOC设计的基础。
IP核：具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现SOC的基本构件。
IP核分为三类—软核、固核、硬核。
IP软核：灵活性大。缺点是缺乏对时序、面积、功耗的预见性。
IP硬核：性能保证、易于实现IP保护。缺点是灵活性和可移植性差。
IP固核：基于软核和硬核之间，一般以门级电路网表的形式提供给用户。
IC设计中采用IP复用可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。
1.1.5 嵌入式系统的组成
由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
(1)硬件层—微处理器、存储器、通用设备接口、IO接口
①嵌入式微处理器—硬件层的核心
为特定用户群所专门设计(与其他通用CPU最大的不同)，高效率和高可靠性。
冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构。
精简指令集(RISC)系统和复杂指令集系统(CISC)
②存储器—Cache、主存、辅助存储器
功能：存放和执行代码
Cache：一种容量小、速度快的存储阵列，位于主存和处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。作用：减小存储器(如主存和辅存)给处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理器速度更快，实时性更强。Cache可分为数据Cache、指令Cache、混合Cache。
主存：处理器可直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。可位于处理器内部或者外部，容量为256KB~1GB。一般片内存储器容量小，速度快；片外存储器容量大。
常用的主存：
ROM类—EPROM、PROM、NOR FLASH(存储速度快、价格低、存储容量大、可擦写次数多因此应用广泛)。
RAM类—SRAM、DRAM、SDRAM。
辅助存储器：用来存放大数据量的程序代码或信息，容量大。但读取速度慢，用来长期保存用户信息。常用的辅助存储器：硬盘、NAND FLASH、CF卡、MMC、SD卡。
③通用设备接口和IO口----A/D、D/A、IO口
常用通用设备接口：A/D(数/模转换接口)、D/A(模/数转换接口)
IO接口：RS-232(串行通信接口)、Ethernet(以太网接口)、USB(通用串行总线接口)、音频接口、VGA视频输出接口、I2C(现场总线)、SPI(串行外围设备接口)、IrDA(红外接口)。
(2)中间层—硬件抽象层(HAL)或板级支持包(BSP)
硬件和软件层之间，一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置等功能。
特点：①硬件相关性–为操作系统提供操作和控制硬件的方法
②操作系统相关性–不同操作系统具有特定的硬件接口
BSP的主要工作：
1)嵌入式系统的硬件初始化–片级初始化、板级初始化、系统级初始化
片级初始化：嵌入式微处理器的初始化。 —纯硬件
板级初始化：其他硬件设备的初始化。 —软硬件
系统级初始化：操作系统和软件的初始化 —纯软件
2)硬件相关的设备驱动程序。
(3)系统软件层—实时多任务操作系统(RTOS是应用软件的基础和开发平台)、文件系统、图形用户接口(GUI)、网络系统以及通用组件模块。
①嵌入式操作系统(EOS)
基本功能：任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等。
特点：可裁剪性、强实时性、统一的接口、操作方便简单，提供友好的图形GUI和图形界面，追求易学易用、提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议以及其他协议、强稳定性，弱交互性、固化代码、良好的移植性。
应用：主要用于工业控制和国防系统领域。
②文件系统
通用文件系统基本功能：提供用户对文件操作的命令、提供用户共享文件的机制、管理文件的存储介质、提供文件的存取控制机制，保障文件及文件系统的安全性、提供文件及文件系统的备份和恢复功能、提供对文件的加密和解密功能。
嵌入式文件系统基本功能：文件存储、检索、更新，无保护和加密、以系统调用和命令方式提供操作(设置/修改文件和目录的存取权限、建立/修改/改变/删除目录等服务、创建/打开/读写/关闭/撤销文件等服务)。
特点:兼容性(支持FAT32/JFFS2/YAFFS)、实时文件系统、可裁剪可配置、支持多种存储设备。
③图形用户接口GUI
特点：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等、
实现方法：针对特定的图形设备输出接口，自行开发相应的功能函数、购买针对特定嵌入式系统的图形中间软件包、采用源码开放的嵌入式GUI系统、使用独立软件开发商提供的嵌入式GUI产品。
④应用软件层
基于实时系统开发放入应用程序组成，实现对被控对象的控制功能，也叫系统的功能实现。
1.1.6 实时系统
定义：能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。
特点：
时间约束性—实时性
硬实时：时间需求要完全满足，否则造成重大安全事故或生命财产损失和生态破坏。如航天、军事、核工业等
软实时：偶尔违反某些应用的时间需求对系统运行及环境不会造成严重影响。如监控系统和信息采集系统等
可预测性—对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足任务的时限要求。
可靠性—衡量实时系统性能不可缺少的重要指标
与外部环境的交互作用性—计算机子系统与外部环境两者相互作用构成完整的实时系统。
多种任务类型(新)—包括周期任务、偶发任务、非周期任务、非实时任务、实时任务。
约束的复杂性(新)—时间约束、资源约束、执行循序约束、性能约束
具有短暂超载的特点(新)—系统元件的老化，环境的动态变化、应用规模的扩大导致超载。
实时系统调度:
包括调度策略和可调度性分析方法，两者紧密结合。
实时调度技术的划分：
抢占式调度和非抢占式调度。
抢占式调度：优点是实时性好、反应快、调度算法相对简单(高优先级任务抢占低优先级任务的CPU使用权)。缺点为上下文切换多。
非抢占式调度：优点是上下文切换少(不允许任务执行期间被中断)。缺点是处理器有效资源利用率低，可调度性不好。
静态表驱动策略和优先级驱动策略。
静态表驱动策略(离线调度策略)：系统运行前确定好各个任务间的时间约束关系，按照该关系执行。
优先级驱动策略：按照任务优先级高低确定任务执行循序。—静态驱动策略(运行过程中优先级不变)，动态驱动策略(优先级随时间或系统状态而改变)。
实时系统分类：
强实时系统、弱实时系统------硬实时和软实时类似。
实时任务分类：
按任务周期划分
周期任务：按一定周期到达并请求运行。
偶发任务：按照不高于某个值的速率到达。
非周期任务：随机达到的任务。
按实时性划分
强实时任务：必须在规定时间内完成(硬实时)
准实时任务：允许任务超时，任务超时后其计算结果无意义。
弱实时任务：允许任务超时，超时后计算结果的意义随时间增加而下降。
弱-强实时任务：一般是周期任务，并具有允许周期任务的一些任务实例超时，但任务实例的分布需满足一定的规律性