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

  1. 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)。
  2. 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

  1. 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)。
  2. 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

复制代码
# 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:Bootloader(U-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"

相关推荐
拆房老料2 小时前
DeepSeek Super-agent 架构解析:从单任务 Agent 到持续运行的任务系统
人工智能·设计模式·系统架构
Jmyd01233 小时前
文物3D数字化的技术选型指南:从WW/T 0115标准到落地工程,一次讲透采集、建档、管理与展示
3d·系统架构·博物馆·数字展厅·博物馆数字化
薛定谔的猫-菜鸟程序员21 小时前
软件架构设计师开发资料大全(从入门到精通)
后端·python·系统架构·flask·架构设计师
无心水1 天前
22、数学与经济管理(运筹学) 核心考点与学习笔记
人工智能·笔记·学习·架构师·软考·软考架构师·软考系统架构师
无心水1 天前
20、大数据架构设计理论与实践 核心考点与学习笔记
大数据·笔记·学习·架构师·系统架构设计师·软考系统架构设计师·架构设计师
被放养的研究生1 天前
第一章 信息系统架构
系统架构·金融监管计算机类
人邮异步社区2 天前
怎样才能做一个架构师?
程序员·架构师
装不满的克莱因瓶2 天前
支付订单成功异步MQ权益发放设计和开发
java·架构·系统架构·rabbitmq·硬件架构
数字新视界3 天前
数字孪生技术赋能智能化转型与创新实践
嵌入式硬件·物联网·系统架构·机房管理·动力与环境监控系统
微三云 - 廖会灵 (私域系统开发)3 天前
企业级 SaaS 系统架构设计:单体、微服务还是模块化单体?技术选型实战
微服务·架构·系统架构