1.嵌入式软件基础

1.1嵌入式软件概述

• 嵌入式软件的特点：

  • 规模较小

  • 开发难度大

    • 硬件资源有限

    • 嵌入式软件一般涉及到底层软件的开发，需要软硬件基础

    • 开发环境和运行环境不同

  • 实时性和可靠性要求高。如火箭飞行控制、核电站

  • 要求固化存储

1.2嵌入式软件分类

• 按照通常的分类方法，嵌入式软件可以分为系统软件、应用软件和支撑软件三大类。

• 系统软件：

  • 控制和管理嵌入式系统资源，包括设备驱动程序、嵌入式操作系统、嵌入式中间件等

• 应用软件

  • 上层软件，定义设备主要功能和用途，负责与用户交互，如飞行控制软件、手机软件等

• 支撑软件

  • 辅助软件开发的工具软件，如系统分析设计工具、在线仿真工具、交叉编译器等

1.3嵌入式软件的体系结构

1.3.1无操作系统阶段

• 程序直接在硬件上运行，没有操作系统层。开发者需要直接操作寄存器、中断向量表和硬件外设，对硬件细节有完全的控制权。

• 两种实现方式：

  • 循环轮转

    • 所有任务在一个无限循环中顺序执行，结构简单但实时性较差，适合功能单一的场景。

  • 前后台系统（在循环轮转的基础上增加了中断处理）

    • 在轮询基础上增加中断机制，前台处理紧急事件（中断），后台处理常规任务（主循环）。

1.3.2有操作系统阶段

• 开发应用程序不再直接面对嵌入式硬件设备，而是在操作系统的基础上编写，优点有：

  • 提高系统的可靠性

  • 提高了系统的开发效率，降低了开发成本，缩短了开发周期

    • 可以按照软件工程的思想，将程序分解成多个任务模块，每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。

    • 商业软件提供了良好的多任务调试环境

  • 有利于系统的扩展与移植

1.3.3五层架构模型

• 硬件层 (Hardware)——微处理器、存储器、外设

  • 提供嵌入式系统的物理基础，包括微处理器（MCU/MPU）、存储器（Flash/RAM）、I/O接口、定时器、通信接口等。这一层决定了系统的计算能力、功耗特性和成本基础。

• 硬件驱动层 (Driver)——驱动程序、板级支持包 BSP

  • 将硬件细节封装，向上层提供统一的API接口。HAL使上层软件无需关心具体硬件型号，只需调用标准化接口即可操作硬件资源，极大提升了代码的可移植性。

• 操作系统层 (RTOS/OS)——任务调度与资源管理

  • 负责任务调度、内存管理、中断处理、同步机制等核心功能。实时操作系统（RTOS）提供确定性响应，满足嵌入式系统对时效性的严格要求。

• 中间件层 (Middleware)——通信机制与资源共享

  • 提供通用的软件服务，如网络协议栈、文件系统、数据库、图形界面等。中间件屏蔽了底层复杂性，让应用开发者专注于业务逻辑实现。

• 应用层 (APL)——业务逻辑与用户交互

  • 实现具体的业务功能，如数据采集、控制算法、用户界面、通信协议等。应用层直接面向产品需求，是体现产品价值的核心代码层。

1.4设备驱动层

1.4.1板级支持包BSP

• 一般BSP主要包括两个方面的内容：

  • 引导加载程序Boot Loader

  • 设备驱动程序

1.4.1.1引导加载程序Boot Loader

• 引导加载程序Boot Loader 是嵌入式系统加电后运行的第一段软件代码，是在操作系统内核运行之前的一段小程序

  • 通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图

  • 将系统的软硬件环境设置到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核做准备

• Boot Loader的实现高度依赖具体的硬件平台，主要的基本功能如下：

  • 片级初始化

    • 主要完成微处理器的初始化

    • 包括设置微处理器的核心寄存器和控制寄存器、微处理器的核心工作模式、局部总线模式等

    • 把微处理器从上电的默认状态设置成系统要求的工作状态

    • 纯硬件初始化过程

  • 板级初始化

    • 设置各种硬件寄存器来完成微处理器以外的其他硬件设备的初始化

    • 设置某些软件的数据结构和参数

    • 同时有软件和硬件的初始化过程

  • 加载内核

    • 将操作系统和应用程序的映象从flash存储器复制到系统内存中

    • 然后跳转到系统内核的第一条指令处继续执行

1.4.1.2设备驱动程序

• 在一个嵌入式系统中，操作系统可能有也可能无，设备驱动程序是必不可少的。

• 设备驱动程序，是一组库函数，用来对硬件进行初始化和管理，并向上层软件提供良好的访问接口

• 大多数设备驱动程序都具备下面的基本功能：

  • 启动、关闭、停用、启用、读操作、写操作

• 设备驱动程序的组织结构

  • 特定的功能一般用函数的形式来实现，这些函数之间的组织结构主要有两种：

    • 分层结构

    • 混合结构

• 分层结构：把设备驱动程序中的函数分为硬件接口函数和调用接口函数

  • 硬件接口：直接操作和控制硬件

  • 上层接口：为上层软件提供服务和函数接口。不直接和硬件打交道，会调用硬件接口中的函数

  • 优点：把所有与硬件相关的细节都封装在硬件接口中，在硬件需要升级需要更新设备驱动程序的时候，只需要改动硬件接口中的函数即可，而上层调用接口中的函数不用做任何修改。

• 混合结构：

  • 在设备驱动程序当中，没有明确的层次关系

  • 上层接口和硬件接口函数混在一起，互相调用

1.5嵌入式中间件

• 中间件：在操作系统内核、设备驱动程序和应用软件之外的所有系统软件

• 基本思路：

  • 把原本属于应用软件层的一些通用的功能模块抽取出来，形成独立的一层软件，从而为运行在它上面的哪些应用软件提供一个灵活、安全、移植性好、互相通信、协同工作的平台

• 特点：

  • 可以有效地实现软件的可重用，降低应用软件的复杂性，提高系统的开发效率，缩短开发周期，节约开发成本和维护费用，保证了系统的高伸缩性、易升级性、稳定性。

  • 但会带来额外的开销

• 嵌入式中间件可以分为不同类型，如消息中间件、对象中间件、远程过程调用、数据库访问中间件、安全中间件等

1.6嵌入式软件的运行流程

• 基于多任务操作系统的嵌入式软件的主要运行流程

  • 上电复位、板级初始化阶段

  • 系统引导、升级阶段

  • 系统初始化阶段

  • 应用初始化阶段

  • 多任务应用运行阶段

2.嵌入式操作系统概述

2.1嵌入式操作系统的基本概念

• 嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）是一种专为嵌入式系统设计的系统软件，负责全面管理和调度嵌入式系统中的软硬件资源。与通用操作系统不同，EOS通常具有小型化、高实时性、可裁剪性、低功耗等核心特征，以适应嵌入式设备对成本、功耗和可靠性的严格要求

• 嵌入式操作系统的特点

  • 非通用型操作系统

  • 资源占用极小：这是最显著的特点。为适应资源受限的硬件，嵌入式操作系统的内核设计得非常小巧。例如，像 FreeRTOS 这样的操作系统内核通常只需要几KB（千字节）的内存；而更极致的如 embOS，其最小只读存储器（ROM）占用仅为 1KB，随机存取存储器（RAM）占用仅为 30字节。

  • 实时性强：许多嵌入式应用（如工业控制、自动驾驶）对任务响应时间有严格要求。嵌入式操作系统能够提供确定的、可预测的响应，确保关键任务在规定时限内完成。根据响应时间的要求，可以分为硬实时系统（响应时间通常在几十毫秒以内）和软实时系统（响应时间在几百毫秒）。

  • 可裁剪与模块化：嵌入式操作系统通常采用模块化设计，允许开发者根据具体应用需求，只选择必要的功能组件（如文件系统、网络协议栈、图形界面等）进行组合或裁剪，从而在满足功能的前提下，最大限度地缩减系统体积和成本。

  • 能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素

• 不同的操作系统包含的组件不同，但所有操作系统都会有一个内核（kernel）

• 内核是指操作系统中的一个组件，它包含了OS的主要功能，即OS的各种特性及其相互之间的依赖关系：

  • 任务管理

  • 存储管理

  • 设备管理

  • 文件管理

• 不同的嵌入式操作系统的内核设计不同，不一定包含所有的4个功能模块

2.2嵌入式操作系统的分类

2.2.1按实时性分类

• 这是最核心、最常用的分类标准，直接决定了系统适用于哪种任务类型。

  类型	核心特点	典型代表	典型应用
  硬实时系统	任务必须在绝对确定的截止时间内完成，任何超时都视为系统错误甚至故障。响应时间通常在微秒到毫秒级。	VxWorks, QNX, FreeRTOS (配置为硬实时模式), ThreadX	汽车安全气囊、飞机飞行控制、医疗心脏起搏器、工业机器人
  软实时系统	任务大多数情况下能在截止时间内完成，但偶尔的超时不会被视为致命错误，仅可能导致服务质量下降。	标准Linux (经过PREEMPT_RT补丁后可达硬实时级别), Windows Embedded	音视频播放、手机用户界面、网络数据包处理
  非实时系统	没有时间截止要求，任务按分时调度，响应时间不可预测。	早期的简单轮询系统（裸机）	简单的玩具、电子计算器

• 如何选择：

  • 如果你的设备涉及安全、运动、医疗等对时间极其敏感的领域，必须选择硬实时系统。

  • 而消费电子中的UI交互、媒体播放等，软实时通常就足够了。

2.2.2按内核架构分类

• 内核架构决定了系统的稳定性、扩展性和开发复杂度。

  架构	核心特点	优点	缺点	典型代表
  宏内核	操作系统内核的所有功能（任务调度、内存管理、文件系统、驱动等）都编译在一个大内核中，运行在单一地址空间。	内部函数调用效率高，性能好。	任何一个模块（尤其是驱动）崩溃都可能导致整个系统崩溃；扩展性稍差。	嵌入式Linux, 传统的μC/OS-II
  微内核	内核只保留最核心功能（任务调度、内存管理、进程间通信），其他功能（驱动、文件系统、网络协议栈）都作为独立的用户态服务运行。	高可靠性（单个服务崩溃可重启而不影响内核）、高安全性、易于扩展和移植。	服务间频繁的进程间通信（IPC）会带来一定性能开销。	QNX, L4, 现代版Symbian
  混合内核 / 模块化内核	实际的折衷方案。内核仍以宏内核为核心，但允许在运行时动态加载/卸载功能模块（如驱动程序）。	兼顾宏内核的性能和微内核的灵活性，是目前最主流的设计。	驱动的崩溃理论上仍可能带崩内核（如果驱动运行在内核空间）。	嵌入式Linux (支持内核模块), Windows NT系列 (含Windows Embedded)

• 如何选择：

  • 追求极致安全与稳定（如医疗、无人驾驶），首选微内核（如QNX）。

  • 追求高性能和丰富的功能（如智能设备、路由器），宏内核或混合内核（如嵌入式Linux）是更实际的选择。

2.2.3按应用领域与商业模式分类

这是从开发者的实际接触角度进行的分类。

类别	特点	授权方式	典型代表	适合人群/场景
开源/自由RTOS	代码完全开放，可免费用于商业产品，社区活跃，资料丰富。	GPL, MIT, Apache等开源协议	FreeRTOS, RT-Thread, Zephyr, LiteOS	初创公司、个人开发者、学习研究、成本敏感的项目
商业闭源RTOS	专业公司开发维护，提供完整的技术支持、认证服务（如功能安全ISO 26262），代码不可见或需付费获取。	商业许可证，需要支付授权费或版税	VxWorks, QNX, ThreadX (微软收购后部分开放), μC/OS (原为商业，后开源)	汽车、航空航天、军工、医疗等对安全和可靠性要求极高、预算充足的领域
嵌入式Linux发行版	基于Linux内核，针对嵌入式环境裁剪和定制，生态极为庞大。	GPL等开源协议 (核心部分)	Yocto Project, Buildroot, OpenWrt, Android (基于Linux)	几乎所有需要复杂功能、网络通信、图形界面的中高端嵌入式设备

如何选择：

• 学习入门：首选 FreeRTOS 或 RT-Thread，社区活跃，资料众多。

• 商业低成本项目：FreeRTOS (MIT许可证，非常宽松) 或 RT-Thread (Apache许可证，同样宽松) 是绝佳选择。

• 商业高安全/高认证项目：预算足够则选 VxWorks 或 QNX；预算有限可考虑已获安全认证的开源方案（如 RT-Thread Smart 的相关认证版）。

• 复杂功能项目：需要摄像头、触摸屏、完整的网络浏览器、AI算法库等，几乎只能选择嵌入式Linux。

2.3常见的嵌入式操作系统

2.3.1实时操作系统（RTOS）

操作系统	开源/商业	关键特征	典型应用
FreeRTOS	开源	市场占有率极高，内核小巧（KB级），支持大量MCU架构，被AWS收购	消费电子、物联网设备、电机控制
RT-Thread	开源	国产RTOS，组件丰富（软件包生态），支持SMP多核，最小内核4KB ROM	工业控制、智能家居、国产化项目
Zephyr	开源	Linux基金会托管，微内核风格，内置内存保护和SBOM安全特性	物联网安全设备、蓝牙/WiFi接入点
VxWorks	商业	微秒级确定性响应，功能安全认证齐全，可靠性极高	火星探测器、战斗机、工业机器人
QNX	商业	微内核架构，驱动/服务用户态运行，天然容错，已通过ISO 26262最高等级	汽车数字仪表盘、医疗设备、轨道交通
ThreadX	开源（Azure RTOS）	硬实时，通过SIL4/ASIL D认证，部署设备超120亿台	汽车、航空航天、打印机
µC/OS (II/III)	开源（原商业）	源码经典，文档丰富，曾获FAA认证	教学研究、安全关键系统（旧项目）
LiteOS	开源	华为出品，最小6KB，极低功耗Tickless机制，鸿蒙内核基石	华为IoT设备、智能传感器
Mbed OS	开源	ARM主导，深度集成ARM Cortex-M生态，内置安全套件	物联网原型开发、ARM MCU项目
RIOT	开源	类Linux API但资源占用极低（最小1.5KB RAM），支持C++	物联网端侧节点、无线传感器网络
SylixOS	商业（国产）	大型RTOS，兼容POSIX，支持SMP，O(1)任务调度，用于轨道交通/国防	工业控制、国防装备

2.3.2分时操作系统

操作系统	开源/商业	关键特征	典型应用
嵌入式Linux	开源	基于Linux内核裁剪，支持多任务、网络、GUI、海量驱动和中间件，是嵌入式分时系统的绝对主流	路由器、智能家居中控、车载信息娱乐、工业HMI
Android	开源（AOSP）	基于Linux内核，专为移动/嵌入式设备定制的完整软件栈	智能手机、平板、智能电视、车载系统
OpenWrt	开源	专为嵌入式网络设备（无线路由器）优化的Linux发行版，包管理强大	路由器、网关、物联网接入点
Yocto Project	开源	不是单一OS，而是一个定制嵌入式Linux的工具集，可构建最小化分时系统	各类需要定制Linux的工业/消费嵌入式产品
Windows Embedded	商业	微软嵌入式产品线（如Windows Embedded Compact/Standard），模块化，支持x86/ARM	工业平板、POS机、瘦客户机
HarmonyOS（鸿蒙）	开源	分布式架构，当运行在大型设备（手机、车机）时底层使用Linux内核，表现出分时特性	手机、平板、车机、智慧屏