嵌入式系统软件概览：从硬件到软件设计

"嵌入式1" 嵌入式系统是当今科技领域的重要组成部分，它们无处不在，从家用电器到复杂的工业设备，再到物联网(IoT)和 cyber-physical systems (CPS)。嵌入式系统是由硬件和软件相结合，专为特定功能而设计的系统。这些系统通常具有低功耗、体积小、高效能和高度定制化的特性。 嵌入式硬件系统是整个系统的基础，主要包括嵌入式微处理器。微处理器的体系结构有冯诺伊曼结构和哈佛结构两种，前者数据和指令共用同一存储空间，后者则分开。CISC（复杂指令集计算）和RISC（精简指令集计算）是两种主要的微处理器设计范式，前者指令集丰富，后者追求高效率。嵌入式微处理器的选型取决于具体应用需求，如性能、功耗、成本和可用性等因素。ARM是一种广泛应用的微处理器架构，具有多种工作状态和运行模式，以及独特的寄存器结构和中断异常处理机制。 存储体系在嵌入式系统中也扮演关键角色。存储器系统层次结构包括高速缓存(Cache)、RAM（随机访问存储器）、ROM（只读存储器）和Flash存储。ROM存储固定的程序，不易修改，而Flash提供了非易失性的大容量存储。RAM分为SRAM（静态RAM）和DRAM（动态RAM），用于暂时存储运行时的数据。Cache则用于提高CPU访问数据的速度。 嵌入式系统总线是连接系统组件的通信通道，常见的有SPI、I2C、UART、PCI等，每种总线都有其特定的应用场景和优缺点。输入输出编程通常涉及忙等IO和中断IO，前者CPU持续检查设备状态，后者通过中断机制提高效率。GPIO（通用输入/输出）接口是设备与系统交互的简单方式。 嵌入式软件方面，它有别于传统的桌面软件，具有实时性、资源受限、专用性强等特点。嵌入式软件分为系统软件（如操作系统内核）、支撑软件（如驱动程序）和应用软件（用户界面、业务逻辑）。嵌入式操作系统是系统的核心，如RTOS（实时操作系统），其任务管理、调度策略（如抢占式和非抢占式调度、FIFO、轮转调度等）、任务间通信（共享内存、消息队列、管道、信号量等）以及同步互斥机制（临界区、互斥锁、死锁防止）是其关键组成部分。 嵌入式软件开发涉及汇编语言、高级编程语言（如C、C++、Python等）、编译器、解释器和交叉开发工具链，其中，交叉开发是指在宿主机上进行编译，然后在目标机上运行。 嵌入式系统设计涵盖了硬件选择、软件开发、实时性考虑、存储和通信策略等多个方面，需要对软硬件有深入理解，才能设计出高效可靠的嵌入式解决方案。