【架构专栏】第16章 嵌入式系统架构设计 3/3

架构设计 相关文档，希望互相学习，共同进步

风123456789～-CSDN博客

系统架构设计 相关文章：

【架构专栏】架构考试介绍

【架构专栏】架构知识点

知识总览​

共19章内容，主要包括：

       1）1绪论、2计算机系统、3信息系统、4信息安全技术、5软件工程

       2）6数据库设计、7系统架构设计基础知识

       3）8系统质量属性与架构评估、9软件可靠性、

           10软件架构演化与维护、11未来信息综合技术

       4）12信息系统架构设计、13层次式架构设计、14云原生架构设计、

             15面向服务架构设计、16嵌入式系统架构设计、17通信系统架构设计、

             18安全架构设计、19大数据架构设计

每天进步一点点，加油！小伙伴们！💪

  本文学习 第16章 嵌入式系统架构设计，以下为个人笔记，希望有所帮助，共同学习。

        （涉及案例分析25分，侧重知识点的记忆理解和应用，来源于教材）

包括：

        嵌入式系统概述（嵌入式系统发展历程、硬件体系结构、软件架构概述）、

        嵌入式系统软件架构原理与特征（典型架构模式、嵌入式操作系统、嵌入式数据库、嵌入式中间件、嵌入式系统软件开发环境）、

        嵌入式系统软件架构设计方法（基于架构的软件设计开发方法的应用、属性驱动的软件设计方法、实施系统设计方法）、

        嵌入式系统软件架构案例分析（鸿蒙操作系统架构案例分析、面向安全攸关系统的跨领域系统架构、物联网操作系统软件架构案例分析）。

第16章 嵌入式系统架构设计​

      嵌入式系统由硬件和软件组成，常被视为独立运行的器件或智能设备。相比于一般的微型计算机处理系统而言，嵌入式系统有着较大的特殊性和差异性，但其又与计算机系统工程和软件工程有着极大的相似性。

16.1 嵌入式系统概述

【架构专栏】第16章 嵌入式系统架构设计 1/3https://blog.csdn.net/weixin_42081167/article/details/166372621?spm=1001.2014.3001.5501

16.2 嵌入式系统软件架构原理与特征

【架构专栏】第16章 嵌入式系统架构设计 2/3https://blog.csdn.net/weixin_42081167/article/details/166373612

 16.3 嵌入式系统软件架构设计方法

    16.3.1 基于架构的软件设计开发方法 ABSD

      基于架构的软件设计开发方法（Architecture -Based Software Design，ABSD）, 详见：

【架构专栏】第7章 系统架构设计基础知识 1/3https://blog.csdn.net/weixin_42081167/article/details/164631943?ops_request_misc=elastic_search_misc&request_id=bd932632cc99a43b901d501d55e48efd&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~ElasticSearch~search_v2-1-164631943-null-null.541^v3^control&utm_term=ABSD&spm=1018.2226.3001.4450

    16.3.2 属性驱动的软件设计方法 ADD

       属性驱动的软件设计方法（Attribute -Driven Design，ADD）。

       ADD 是把一组质量属性（可用性、性能、安全性等）场景作为输入，利用对质量属性实现与架构设计之间的关系的了解（如体系结构风格、质量战术等）对软件架构进行设计的一种方法。

      这种方法在满足质量属性的基础上建立模块分解过程，通过输入质量场景，利用质量属性战术实现架构设计。

        1 . ADD 开发方法的质量属性

            1)质量属性             2)质量场景

        2.ADD开发过程

       采用 ADD 方法进行软件开发时，需要 7个阶段：经历评审、选择驱动因子、选择系统元素、选择设计概念、实体化元素和定义接口、草拟视图、分析评价

    16.3.3 实时系统设计方法 DARTS

       实时系统设计方法（Design Approach for Real -Time System，DARTS）。

       DARTS 基于传统结构化分析方法，扩展了行为建模部分。用实时结构化分析方法开发 系统规范、将系统划分为多个并发任务、定义任务间接口、设计每个任务、设计过程的成果。

        1 . DARTS开发方法的基本概念

            1 ) RTSAD 方法             2) 任务结构化标准             3) 信息隐藏             4) 任务架构图

        2. DARTS开发过程 (方法) 分为 5 个部分：

            1)用实时结构化分析方法 (RTSA) 开发系统规范             2)将系统划分为多个并发任务             3)定义任务间接口             4)设计每个任务             5)设计过程的成果

        3 . DARTS开发方法的评价

     DARTS 方法的优势如下：

1）强调将系统分解为并发任务，并提供确认任务的标准。

2）提供定义任务间接口的指南。

3）强调用任务架构图的重要性。

4）提供从实时结构化分析规格到实时结构化设计的转换。

    DARTS 方法的不足如下：

1）DARTS 使用信息隐藏技术封装数据存储，封装性不好。

2）如果实时结构化分析阶段完成得不好，那么任务的结构化工作就会更加困难。

16.4 嵌入式系统软件架构案例分析

    16.4.1 鸿蒙操作系统架构案例分析

      鸿蒙操作系统架构采用了分布式设计理念，实现了分布式软总线、分布式设备系统的虚拟化、 分布式数据管理和分布式任务调度 4 种分布式能力。  鸿蒙操作系统的架构是一种层次式架构，由内核层、系统服务层、应用框架层、应用层组成。

1.鸿蒙的层次化分析

       1）内核层：内核子系统和驱动子系统组成。

      内核层采用微内核设计，内核层中的内核抽象层屏蔽多内核差异，对上层提供基础内核能力，如进程/线程管理、内存管理、文件系统、网络管理、外设管理等。

      驱动子系统则 提供统一外设访问能力，驱动开发框架，驱动管理框架。

       2)  系统服务层：属于核心能力集合的部分，为应用程序提供服务。        3)  应用框架层：为应用服务提供多语言用户程序框架、能力框架，以及各种硬件服务对外开放的 API。

       4)  应用层：包括系统应用和第三方非系统应用，能够实现特定的业务功能，支持跨设备调 度与分发，为用户提供一致、高效的应用体验。

2.鸿蒙操作系统的架构分析

   鸿蒙操作系统架构具有4个技术特性：             1)分布式架构首次用于终端OS , 实现跨终端无缝协同体验             2)确定时延引擎和高性能IPC技术实现系统天生流畅             3)基于微内核架构重塑终端设备可信安全             4)通过统一 IDE 支撑一次开发，多端部署，实现跨终端生态共享

    16.4.2 面向安全攸关系统的跨领域  GENESYS 系统架构案例分析

        GENESYS 是一种跨领域的通用嵌入式架构平台。重要思想是分离计算与通信，将计算构件和通信设施作为独立构件进行设计。

        GENESYS 采用消息交换方式实现软硬件构件的抽象级别的提升，使得构件在接口规范基础上可以被重用，而不需要知道构件的内部实现。

        GENESYS 设计了故障或错误的隔离框架，构件在瞬态故障引起失效后，可选择性地重启和用构件复制来屏蔽瞬态和永久错误。同时 GENESYS 可以减少构件的功率需求或者在不需要时（功率门） 完全关闭构件。

        因此， GENESYS 的出现解决三方面挑战：             (1)复杂性管理的挑战             (2)系统健壮性的挑战             (3)能量有效使用的挑战

        GENESYS 架构提供三组服务，即领域无关服务、领域专用服务和应用专用服务(包括中间件)。

         （1）领域无关服务 分为：核心服务和选择服务；如嵌入式系统中的全局时间和消息传输等服务为核心服务。信息安全服务、外部存储器管理器或者 Internet 网关服务等属于选择服务。

         （2）领域专用服务 分为：领域专用中心服务 (DSC) 、领域专用选择服务 (DSO)。由领域特有的服务子集加上待开发领域特征的特定服务组合。GENESYS 架构从硬件、软件的观点遵循了面向构件的风格，分离了计算与通信，将计算构件和通信设施作为独立构件进行设计。

        GENESYS 架构的主要特征及优势包括：

       1）精确的构件定位。具体体现为简单化、跨领域重用、规模的经济型、健壮性、可降低系统集成工作量这 5 个特征。

       2）开放性。体现为具有可集成性、可升级性、可扩展性、遗产系统集成、降低成本这 5 个特征。

       3）三级集成。具有芯片级集成 (Chip Level)、设备级集成 (Device Level)、系统级集成 (System Level) 的集成。

       4）分层的服务。体现具有可重用性、领域定位、工效经济型的特性。        5）确定的核心。体现具有及时性、降低复杂性、可测试性、认证、故障掩蔽的特征。 

       6）标准的互联集成。体现在对远程访问的保护、降低集成工作难度、常规人机交互、具有安全性 4 个方面。                      GENESYS 架构将构件归为四类：硬件构件和软件构件、系统构件和应用构件

    16.4.3 物联网操作系统软件架构案例分析

       物联网操作系统至今没有一个明确的定义。

       物联网操作系统通常包括：芯片层、终端层、边缘层、 云端层等多个层面内容。

        物联网操作系统的主要特征：             (1)内核尺寸伸缩性、整体架构的可扩展性。             (2)内核的实时性。             (3)高可靠性。             (4)低功耗。

       物联网操作系统使用的软件以及技术主要有：开源物联网操作系统 （FreeRTOS）、公共服务组件（网络协议、外设支持、可移植操作系统接口 POSIX 等）、定制性服务组件有：消息队列遥测传输协议（MQTT），安全超文本传输协议（HTTPS），加密消息标准 PKCS #11 支持，安全套件等。

核心分层技术梳理

（1）开源物联网操作系统选型：

（2）公共服务组件选型

• ‌网络协议栈‌：优先选LwIP轻量协议栈，适配FreeRTOS等极简内核，TCP/UDP基础能力完备，内存占用仅几KB；复杂场景可直接选用RT-Thread/Zephyr内置的集成协议栈，减少适配工作量
• ‌外设支持‌：优先采用芯片厂商官方SDK配套驱动，搭配RT-Thread统一设备驱动框架，实现驱动跨硬件平台复用，降低移植成本
• ‌POSIX接口‌：NuttX系统原生完整支持POSIX标准，适合需要兼容Linux应用开发习惯的项目；FreeRTOS可通过第三方封装库实现基础POSIX接口兼容

（3）定制化服务组件选型

选型决策优先级

ok, 今天就到这里吧 🤗

相关系列文章，欢迎点赞、收藏，提供意见！​

计算机系统基础知识 1分：概述、计算机硬件、计算机软件   操作系统 3分：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理    数据库技术 3分：数据库设计、关系代数、范式、事务并发、数据库安全、新技术 嵌入式技术 3分：嵌入式硬件、嵌入式操作系统、嵌入式软件开发 计算机网络 3分（超纲较多）：OSI七层模型、TCP/IP协议族、网络生命周期、IP地址 其他计算机系统基础知识 1分：计算机语言、多媒体、系统工程 系统性能 1分：性能指标、性能设计 信息系统基础知识 3分：信息系统生命周期、开发方法、五大典型系统 信息安全技术基础 5分：安全属性、信息安全技术、网络安全技术、安全协议

软件工程 12分：概述、需求工程、系统设计、运维、测试、基于构件；

面向对象技术 3分：面向对象基础、分析设计、UML关系、图 项目管理 1分：进度管理、配置管理、质量管理、风险管理

系统架构设计 20分：架构概念、生命周期、ABSD、DSSA、架构风格、

                                  架构复用、质量属性、架构评估 软件可靠性 2分：可靠性建模、软件可靠性设计

软件架构的演化和维护1分：架构演化分类、评估、面向对象架构演化 未来信息综合技术 3分：信息物理系统、人工智能、边缘计算、机器人、数字李生、云计算 数学与经济管理 2分：最小生成树、最短路径、网络与最大流量、线性规划、决策论 知识产权和标准化 2分：知识产权属性、保护期限、产权人确定、侵权判定 专业英语 5分：完形填空，大学英语3级难度，自学

希望有所帮助，互相学习、共同进步，欢迎点赞、收藏！