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嵌入式系统的软件结构一般分为 不带操作系统#xff08;Bare Metal#xff09; 和 带操作系统#xff08;RTOS / Linux#xff09; 两种。不同的软件架构适用于不同的应用场景#xff0c;如 简单控制系统、实时控制系统、物联网、工业自动化等。 嵌…嵌入式系统的软件结构
嵌入式系统的软件结构一般分为 不带操作系统Bare Metal 和 带操作系统RTOS / Linux 两种。不同的软件架构适用于不同的应用场景如 简单控制系统、实时控制系统、物联网、工业自动化等。 嵌入式软件结构可以分为不带 OS裸机和带 OSRTOS / Linux两种裸机系统适用于简单任务代码直接运行在 MCU 上RTOS 适用于多任务管理提高系统稳定性和可扩展性。
1. 不带 OS 的嵌入式软件结构Bare Metal
概述不带操作系统的软件架构通常应用于 单片机MCU运行简单的任务程序直接控制硬件。如 Arduino、STM32无 RTOS、AVR、8051、PIC 等。
软件结构
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| 应用程序 | 用户编写的功能代码
| Application |
------------------
| 设备驱动 | 控制外设如 GPIO、UART、SPI
| Driver |
------------------
| 硬件MCU | 处理器、存储器、外设
------------------特点1. 程序直接运行在硬件上没有操作系统的调度2. 代码简单执行效率高 3. 适用于小型嵌入式设备如 8-bit、32-bit MCU 4. 缺乏多任务管理任务间靠循环或中断实现。
应用场景 传感器采集 LED 控制、电机驱动 简单串口通讯UART、I2C、SPI 低功耗 IoT 设备如无线传感器节点
示例代码裸机 LED 闪烁 - STM32
int main(void) {HAL_Init(); // 初始化 MCUGPIO_Init(); // 初始化 GPIOwhile (1) {HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0);HAL_Delay(500); // 延时 500ms}
}2. 带 OS 的嵌入式软件结构RTOS / Linux
概述带操作系统的软件架构通常用于 复杂的嵌入式系统MPU / 高级 MCU需要多任务处理、实时性、网络通信等功能。 常见的操作系统包括
RTOS实时操作系统FreeRTOS、RT-Thread、Zephyr嵌入式 LinuxYocto、Buildroot、Ubuntu Core
软件结构
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| 应用程序 (Application) | 用户应用业务逻辑、UI、通信协议
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| 标准 API 层 (API) | 提供标准接口如 POSIX、CMSIS-RTOS
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| 实时操作系统 (RTOS) | 任务调度、线程管理、定时器
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| 硬件抽象层 (HAL) | 提供硬件驱动接口如 STM32 HAL
| BSPBoard Support | 板级支持包适配不同硬件平台
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| 硬件 (MCU/MPU) | 处理器、存储器、外设
------------------------特点1. 支持多任务调度如 FreeRTOS 任务管理2. 提高系统稳定性任务隔离防止崩溃 3. 适用于复杂嵌入式应用如 TCP/IP、USB、GUI 4. 功耗管理更精细。
应用场景 物联网设备无线通信、MQTT 车载系统仪表盘、导航 工业控制PLC、机器人 智能家居智能音箱、网关
示例代码FreeRTOS 任务调度 - STM32
void Task1(void *pvParameters) {while (1) {HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 任务延时 500ms}
}
int main(void) {HAL_Init();xTaskCreate(Task1, LED_Task, 128, NULL, 1, NULL);vTaskStartScheduler(); // 启动 FreeRTOS
}不带 OS vs 带 OS 的对比
对比项不带 OSBare Metal带 OSRTOS / Linux任务管理通过循环或中断任务调度多线程实时性高取决于 RTOS 设计复杂度代码简单需要 RTOS 框架功耗管理低功耗适合小 MCU需要 OS 支持应用场景传感器、LED 控制物联网、工业控制
如果系统简单如 LED 控制、UART 通信 → 使用 Bare Metal 如果需要多任务调度、网络功能如 MQTT → 使用 RTOS 如果系统复杂如 Linux GUI 网络 → 使用嵌入式 Linux 嵌入式系统的硬件特性
硬件
1. 体积小、集成效率高嵌入式设备通常体积小适用于便携式或嵌入式环境高度集成的 SoCSystem on Chip减少 PCB 设计复杂度部分系统采用 SIPSystem in Package进一步缩小体积部分应用智能手表Apple Watch, 华为手表物联网传感器无线温湿度检测无人机控制芯片2. 面向特定的应用嵌入式系统为特定任务设计如工业控制、汽车电子、医疗设备硬件定制化程度高优化 CPU、存储、通信接口不需要通用计算能力而是专注于某项功能部分应用车载 ECU发动机控制单元智能家居智能门锁、摄像头工业 PLC可编程逻辑控制器3. 功耗低、电磁兼容性EMC好嵌入式设备通常采用低功耗架构如 ARM Cortex-M 系列支持低功耗模式Sleep, Deep Sleep延长电池续航优化 PCB 布局减少 EMI电磁干扰和 EMC电磁兼容问题部分应用低功耗 IoT 设备ESP32, STM32L 系列医疗植入设备心脏起搏器无线通信模块LoRa, Zigbee嵌入式系统的软件特性
1. 软件开发与硬件紧密相关嵌入式软件依赖于具体硬件通常需要驱动开发不同的 MCU / MPU 需要不同的 BSPBoard Support Package与低级硬件交互如 GPIO、UART、I2C、SPI示例STM32 配置 GPIOHAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 设置引脚高电平2. 代码要求高效率和高可靠性嵌入式系统资源有限RAM / Flash 小代码需优化通常需要实时性避免延迟和死机使用 RTOS如 FreeRTOS实现任务调度提高代码可靠性示例FreeRTOS 任务调度void Task1(void *pvParameters) {while (1) {HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 500ms 延时}
}3. 软件一般固化在 Flash 或 ROM嵌入式程序存储在 Flash / ROM而非硬盘部分设备支持 OTAOver-the-Air更新固件升级需谨慎避免损坏 Bootloader示例STM32 Flash 读取uint32_t data *(__IO uint32_t*)FLASH_ADDRESS; // 读取 Flash 数据4. 具有高实时性嵌入式系统通常需要实时响应如汽车刹车系统、工业控制使用 RTOS实时操作系统或裸机Bare Metal提高实时性定时器Timer、中断Interrupt在嵌入式系统中至关重要示例STM32 定时器中断void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {if (htim-Instance TIM2) {HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 定时器触发 LED 闪烁}
}5. 一般采用 C 语言开发C 语言是嵌入式开发的主要语言因其高效、可移植性强部分系统使用 C如 Qt GUI、Python如 MicroPython汇编用于极限优化如 Bootloader、DSP 算法示例STM32 C 代码#include stm32f4xx.h
int main(void) {HAL_Init();while (1) {HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0);HAL_Delay(500);}
} 嵌入式系统的硬件和软件特点决定了它的高效、低功耗、实时性和可靠性硬件小型化、低功耗、面向特定应用软件高效、实时、代码固化、多任务管理。在开发中需要合理应用与设计硬件和软件。
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