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【嵌入式系统设计师（软考中级）】第三章：嵌入式系统软件基础知识——①软件及操作系统基础

news 来源：原创 2025/7/19 0:48:24

文章目录

- 1. 嵌入式系统软件基础知识
- - 1.1 嵌入式软件分类
  - 1.2 嵌入式系统初始化
  - 1.3 无操作系统支持的嵌入式软件体系结构
  - 1.4 有操作系统支持的嵌入式软件体系结构
  - 1.5 嵌入式支撑软件
- 2. 嵌入式操作系统基础知识
- - 2.1 嵌入式操作系统基本概念
  - 2.2 处理器管理
  - - 2.2.1 多道程序
    - 2.2.2 分区、进程、线程、任务的概念
    - 2.2.3 任务管理
    - 2.2.4 任务调度
    - 2.2.5 优先级反转问题
    - 2.2.6 任务间通信
    - 2.2.7 同步与互斥
    - 2.2.8 高可靠性系统的分区调度与通信
  - 2.3 存储管理
  - - 2.3.1 存储管理方式
    - 2.3.2 分区存储管理
    - 2.3.3 地址重定位
    - 2.3.4 页式存储管理
    - 2.3.5 虚拟存储技术
  - 2.4 设备管理
  - - 2.4.1 物理设备、逻辑设备、虚拟设备
    - 2.4.2 设备分类
    - 2.4.3 设备管理方式
    - 2.4.4 设备驱动程序
  - 2.5 文件系统
  - - 2.5.1 文件与目录
    - 2.5.2 文件结构与组织
    - 2.5.3 存取方法与存取控制
    - 2.5.4 常见嵌入式文件系统
    - 2.5.5 网络文件系统
  - 2.6 操作系统移植

1. 嵌入式系统软件基础知识

1.1 嵌入式软件分类

嵌入式软件按照功能和作用可以分为以下几个类别：

系统软件：如引导程序（Bootloader）、板级支持包（BSP）等，负责系统的初始化和底层驱动。
支撑软件：包括文件系统、数据库、图形界面（GUI）等，为应用提供运行环境。
中间件：在操作系统和应用之间提供服务，如通信协议栈、分布式对象系统等。
可配置组件：可以根据需求进行动态配置的模块，提升系统的灵活性。
应用软件：直接面向用户或实现具体功能的程序，如控制逻辑、数据处理等。

1.2 嵌入式系统初始化

嵌入式系统的启动过程是整个系统运行的基础，主要包括以下两个关键部分：

系统引导（Bootloader）
Bootloader（系统引导程序）是嵌入式系统启动的第一段代码，主要完成三项核心工作：1）硬件初始化（时钟、内存、外设等）；2）加载操作系统镜像到内存；3）跳转到OS入口。典型代表如U-Boot支持多种架构，提供网络、存储等扩展功能。其执行流程为：ROM代码→Bootloader阶段1（低级初始化）→阶段2（高级功能）→启动内核。
板级支持包（BSP）
BSP（板级支持包）是硬件与操作系统间的适配层，包含：1）处理器特定代码（中断控制器、定时器驱动）；2）板级硬件抽象（GPIO映射、存储器配置）；3）设备驱动框架。开发时需根据具体硬件修改BSP，如调整内存映射表、实现定制外设驱动等。

Bootloader与BSP的关系是：Bootloader依赖BSP完成基础硬件初始化，而OS通过BSP管理硬件资源。两者共同确保系统从启动到运行的平滑过渡。

系统启动流程如下图所示：

1.3 无操作系统支持的嵌入式软件体系结构

在一些资源受限或对实时性要求极高的系统中，可能不使用操作系统。这类系统通常采用轮询机制或中断服务程序来实现任务调度，具有结构简单、响应迅速的特点，但缺乏多任务管理和资源调度能力。

1.4 有操作系统支持的嵌入式软件体系结构

引入嵌入式操作系统后，系统具备了多任务管理、内存管理、设备驱动抽象、文件系统支持等功能，提高了系统的稳定性、可移植性和可扩展性。典型的嵌入式操作系统包括 FreeRTOS、VxWorks、μC/OS、Linux 等。

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1.5 嵌入式支撑软件

嵌入式支撑软件为应用开发提供基础服务，主要包括：

嵌入式文件系统：如 FAT、JFFS、YAFFS、EXT 等，适用于不同存储介质和应用场景。
嵌入式数据库：轻量级数据库如 SQLite、TinyDB，用于本地数据存储与查询。
分布式对象系统：如 CORBA、DDS，支持跨平台通信与数据共享。
图形用户界面（GUI）：如 Qt、MiniGUI、LVGL，用于构建可视化交互界面。

2. 嵌入式操作系统基础知识

2.1 嵌入式操作系统基本概念

嵌入式操作系统（Embedded OS）是专为嵌入式系统设计的操作系统，具有体积小、功耗低、实时性强、可裁剪等特点。它通常运行在资源有限的处理器上，如 ARM、MIPS、RISC-V 等架构。

2.2 处理器管理

2.2.1 多道程序

多道程序是指允许多个程序同时驻留在内存中，通过分时共享 CPU 资源来提高系统利用率。核心特点为：

并发执行：多个程序交替占用 CPU，宏观上"同时"运行。
资源复用：CPU、内存、I/O 设备等资源被多个程序共享。
调度机制：采用时间片轮转（Round-Robin）或优先级调度决定哪个程序先执行。

2.2.2 分区、进程、线程、任务的概念

分区：将系统资源（内存、CPU、外设等）划分为多个独立区域，用于隔离不同功能模块或应用程序。防止一个模块崩溃影响整个系统（如微内核架构）。关键任务独占分区，避免资源竞争。
进程：程序的执行实例，拥有独立的地址空间、文件描述符等资源。进程间通常不直接共享内存（需 IPC 机制，如管道、消息队列）。
线程：进程内的执行单元，共享同一进程的资源（如内存、文件句柄）。线程间可直接读写共享数据（需同步机制，如互斥锁）。
任务（Task）：通常指实时调度的基本单位，内存占用极简（可能无MMU支持）。

2.2.3 任务管理

由操作系统内核提供完整的管理机制，包括：

创建：分配任务控制块（TCB），设置优先级和栈空间
调度：基于优先级或时间片的就绪队列管理
同步：通过信号量、事件标志等机制实现任务协调
状态控制：支持挂起、恢复、删除等操作
资源回收：任务终止时自动释放占用的系统资源

2.2.4 任务调度

抢占式调度：

高优先级任务可以随时中断低优先级任务的执行，例如任务A在运行过程中，突然来了任务B，如果任务B优先级更高，则CPU会挂起任务A先直接抢占执行任务B。

非抢占式调度：

任务一旦获得CPU就会一直运行，直到完成或主动放弃CPU，例如任务A在运行过程中，突然来了任务B，即使任务B优先级更高，CPU也会先执行完任务A，等到任务A主动放弃CPU后才会执行优先级更高的任务B。

2.2.5 优先级反转问题

优先级反转是指高优先级任务被迫等待低优先级任务的情况，通常发生在资源共享时。

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这张图展示了在没有优先级继承和有优先级继承两种情况下，优先级抢占对系统行为的影响。我们可以通过对比这两种情况来理解优先级继承的作用。

没有优先级继承的情况

初始状态：
- 低优先级线程（绿色）获得锁并开始执行。
高优先级线程介入：
- 高优先级线程（红色）尝试获取锁，但因为锁被低优先级线程持有，所以它进入等待状态。
- 此时，中等优先级线程（橙色）可以抢占低优先级线程的CPU资源，并开始执行。
- 低优先级线程被挂起，直到中等优先级线程释放CPU资源。
锁释放与重新获取：
- 当低优先级线程再次获得CPU资源并释放锁后，高优先级线程才能继续执行。
- 在此过程中，高优先级线程经历了不必要的延迟，这种现象被称为“优先级反转”。

有优先级继承的情况

初始状态：
- 低优先级线程（绿色）获得锁并开始执行。
高优先级线程介入：
- 高优先级线程（红色）尝试获取锁，但因为锁被低优先级线程持有，所以它进入等待状态。
- 此时，低优先级线程的优先级被临时提升到高优先级线程的级别，以防止中等优先级线程（橙色）抢占其CPU资源。
- 因此，低优先级线程能够尽快完成其任务并释放锁。
锁释放与恢复优先级：
- 当低优先级线程释放锁后，其优先级恢复到原来的低优先级。
- 高优先级线程立即获得锁并继续执行，避免了不必要的延迟。

总结：通过优先级继承机制，当一个低优先级线程持有某个资源（如锁），而高优先级线程需要访问该资源时，低优先级线程的优先级会被临时提升，以确保它能尽快完成任务并释放资源。这样可以避免优先级反转问题，保证高优先级线程能够及时得到所需的资源，从而提高系统的实时性和响应性。

2.2.6 任务间通信

共享内存：多个任务直接访问同一块内存区域进行数据交换，需配合同步机制避免冲突。
消息队列：内核维护的FIFO缓冲区，任务通过发送/接收结构化消息实现异步通信。
邮箱：简化版消息队列，通常只允许存储单条消息，提供消息通知机制。
管道：基于文件描述符的字节流通信方式，支持单向数据流动，常用于父子进程通信。
信号量：用于控制资源访问的计数器，实现任务间的同步/互斥，分二进制和计数型两种。

2.2.7 同步与互斥

互斥：在多线程或多进程环境中，为了防止同时访问共享资源而引起的数据不一致问题，可以使用信号量实现互斥访问。这通常通过一个初始值为1的二进制信号量来完成，也称为互斥锁。任何需要访问共享资源的线程必须首先执行P操作以获得锁，访问结束后执行V操作释放锁。
同步：信号量也可以用来控制进程或线程之间的执行顺序，确保某些事件按照预定的顺序发生。例如，在生产者-消费者问题中，可以通过两个信号量分别控制缓冲区的空位数量和满位数量，从而协调生产者和消费者的行为。

在同步与互斥机制中，"PV操作"是一种经典的信号量（Semaphore）操作，用于解决进程或线程间的同步和互斥问题。

“P操作"和"V操作"这两个术语来源于荷兰语：“Proberen”(尝试)和"Verhogen”(增加)，它们是由计算机科学家艾兹赫尔·戴克斯特拉（Edsger Dijkstra）提出。

P操作（Proberen, 减少）：通常被理解为“等待”或“减量”操作。当一个进程执行P操作时，如果当前信号量的值大于0，该值将减1，并且进程可以继续执行；如果信号量的值0，表示没有可用资源或者需要等待的条件尚未满足，这时进程会被阻塞，直到有其他进程执行了V操作使得信号量的值变为正数。
V操作（Verhogen, 增加）：通常被理解为“释放”或“增量”操作。当一个进程执行V操作时，它会增加信号量的值。如果此时有其他进程正在等待这个信号量（即之前执行P操作后被阻塞的进程），那么其中一个（或者多个，取决于信号量的类型是二进制还是计数）将会被唤醒并允许继续执行。

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2.2.8 高可靠性系统的分区调度与通信

采用分区机制（如 ARINC 653 标准），将系统划分为多个隔离的时间与空间分区，保证关键任务的实时性和安全性。

2.3 存储管理

2.3.1 存储管理方式

连续分配：程序装入内存时分配连续的物理地址空间，包括单一连续分配和固定/可变分区分配。
- 优势：实现简单，访问速度快（无地址转换开销），适合静态程序。
- 劣势：内存碎片化严重（外部碎片），内存利用率低，程序大小受分区限制
离散分配：将程序分散存储在非连续的物理内存中，通过分页/分段/段页式机制实现地址映射。
- 优势：提高内存利用率（减少碎片），支持动态加载，程序大小不受物理内存限制
- 劣势：实现复杂，需要硬件支持（MMU），存在地址转换开销（页表/段表查询）

2.3.2 分区存储管理

固定分区：静态划分内存区域。
可变分区：根据任务大小动态划分。
内存保护：防止非法访问其他任务的内存空间。

2.3.3 地址重定位

地址重定位是指将程序中的逻辑地址（相对地址）转换为内存中实际物理地址的过程，这是实现多道程序运行的关键技术。

在程序编译时生成的逻辑地址需要通过静态重定位（程序装入时一次性转换）或动态重定位（运行时通过内存管理单元MMU实时转换）映射为物理地址，其中动态重定位是现代操作系统的主流方式，它通过页表、段表等映射机制实现地址转换，既支持虚拟内存管理，又能实现内存访问保护和共享。

这种机制的优势在于提高了内存利用率，使程序可以分散存储在非连续的物理内存中，同时支持内存保护和进程隔离；但需要硬件MMU的支持，且地址转换会带来一定的性能开销。

2.3.4 页式存储管理

将内存划分为固定大小的“页”，便于管理与调度。

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2.3.5 虚拟存储技术

程序局部性原理
- 时间局部性：最近被访问的数据很可能短期内再次被访问
- 空间局部性：程序倾向于访问邻近当前地址的内存区域
虚拟页式存储管理
将进程地址空间划分为固定大小的页（Page），通过页表实现虚拟地址到物理地址的映射，支持按需调页和页面置换
页面置换算法
- FIFO：替换最先进入内存的页面，实现简单但效率较低
- LRU（最近最少使用）：替换最长时间未被访问的页面，效果较好但实现复杂
- OPT（最优置换）：理论最优算法，替换未来最长时间不被访问的页面（实际无法实现）

2.4 设备管理

2.4.1 物理设备、逻辑设备、虚拟设备

物理设备：实际存在的硬件。
逻辑设备：操作系统提供的抽象接口。
虚拟设备：通过软件模拟的设备。

2.4.2 设备分类

字符设备：按字节顺序访问（如串口）。
块设备：按固定大小的数据块读写（如硬盘）。
网络设备：处理网络通信。

2.4.3 设备管理方式

设备文件：Linux系统将硬件设备抽象为/dev目录下的特殊文件，通过标准文件操作接口（open/read/write）访问设备。
设备无关性：操作系统提供统一的设备访问接口，使应用程序无需关心具体设备的硬件特性差异。
中断处理：当外设完成I/O操作时通过中断信号通知CPU，由中断服务程序进行即时响应和处理。
缓冲技术：在内存中建立数据缓冲区，用于平滑CPU与I/O设备间的速度差异，减少中断次数。
假脱机技术（SPOOLing）：将独占设备虚拟为多个共享设备，典型应用如打印任务队列管理。

2.4.4 设备驱动程序

驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁，负责控制和管理设备的行为。

2.5 文件系统

2.5.1 文件与目录

文件是信息的基本单位。
目录用于组织文件结构。

2.5.2 文件结构与组织

连续结构、链式结构、索引结构等。

2.5.3 存取方法与存取控制

随机访问、顺序访问。
权限控制、加密等。

2.5.4 常见嵌入式文件系统

FAT：兼容性好，适合小型存储。
RAMFS：基于内存的文件系统，速度快。
ROMFS：只读文件系统，适合固件。
JFFS/JFFS2：适用于 NOR Flash。
YAFFS/YAFFS2：针对 NAND Flash 的优化。
EXT4：Linux 常用，功能丰富。

2.5.5 网络文件系统

NFS（Network File System）：远程挂载文件系统。

2.6 操作系统移植

操作系统移植是指将操作系统适配到新的硬件平台，主要包括以下步骤：

硬件配置分析
BSP 移植：修改底层硬件初始化代码。
驱动移植：编写或适配外设驱动。
系统配置：选择内核模块、配置参数。
交叉编译：在宿主机上编译目标平台的代码。
部署与测试：烧录镜像、验证功能。

嵌入式系统的开发是一个软硬件协同的过程，理解嵌入式软件体系结构与操作系统的工作机制是构建高效、稳定、可靠系统的关键。

文章目录

1. 嵌入式系统软件基础知识

1.1 嵌入式软件分类

1.2 嵌入式系统初始化

1.3 无操作系统支持的嵌入式软件体系结构

1.4 有操作系统支持的嵌入式软件体系结构

1.5 嵌入式支撑软件

2. 嵌入式操作系统基础知识

2.1 嵌入式操作系统基本概念

2.2 处理器管理

2.2.1 多道程序

2.2.2 分区、进程、线程、任务的概念

2.2.3 任务管理

2.2.4 任务调度

2.2.5 优先级反转问题

2.2.6 任务间通信

2.2.7 同步与互斥

2.2.8 高可靠性系统的分区调度与通信

2.3 存储管理

2.3.1 存储管理方式

2.3.2 分区存储管理

2.3.3 地址重定位

2.3.4 页式存储管理

2.3.5 虚拟存储技术

2.4 设备管理

2.4.1 物理设备、逻辑设备、虚拟设备

2.4.2 设备分类

2.4.3 设备管理方式

2.4.4 设备驱动程序

2.5 文件系统

2.5.1 文件与目录

2.5.2 文件结构与组织

2.5.3 存取方法与存取控制

2.5.4 常见嵌入式文件系统

2.5.5 网络文件系统

2.6 操作系统移植

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