【软考架构】嵌入式系统及软件
2.4 嵌入式系统及软件
- 基本定义：嵌入式系统是为特定应用构建，将信息处理与物理过程结合的专用计算机系统，随20世纪70年代单片微型计算机兴起，应用于多领域；嵌入式软件指嵌入式系统中可运行的程序代码及相关开发工具/环境软件。
2.4.1 嵌入式系统的组成及特点
- 组成
- 嵌入式处理器：需适应恶劣环境（高温、电磁等），分民用、工业、军用档次，满足低功耗、小体积需求。
- 相关支撑硬件：除处理器外的硬件，包括存储器（Flash、SDRAM等）、输入输出设备（LCD、键盘等）、接口（RS-232、USB等）及网络总线（TCP/IP、CAN等）。
- 嵌入式操作系统：运行于嵌入式系统的基础软件，具备实时性、可剪裁性、安全性等特征。
- 支撑软件：为应用软件开发与运行提供公共服务、开发及调试能力，以库的形式被应用软件引用。
- 应用软件：为完成嵌入式系统特定目标开发的软件。
- 特点
- 专用性强，面向特定应用，利于小型化；
- 技术融合，结合多领域先进技术与具体应用；
- 软硬一体，软件为主体，可高效设计、去除冗余；
- 资源少于通用计算机，成本低、结构简单；
- 程序代码固化在非易失存储器中，提升速度与可靠性；
- 需专门开发工具和环境，用户通常无法修改程序；
- 体积小、价格低、实时性强，对安全性和可靠性要求高。
2.4.2 嵌入式系统的分类
- 按实时性：
- 嵌入式实时系统：能在指定时间内完成功能并响应事件，结果正确性依赖时间约束，分强实时（Hard Real-Time）和弱实时（Weak Real-Time）系统。
- 嵌入式非实时系统：无严格时间约束。
- 按安全性要求：
- 安全攸关系统（Safety-Critical System）：功能不正确或失效会导致严重后果（人员伤亡、财产损失等）。
- 非安全攸关系统：失效后果较轻。
2.4.3 嵌入式软件的组成及特点
-
组成架构（层次化，可配置、可剪裁）
- 硬件层：提供运行支撑，包括微处理器、存储器、I/O接口、总线等。
- 抽象层：实现硬件抽象（HAL），通过板级支持包（BSP）驱动硬件，为上层提供硬件管理支持。
- 操作系统层：含嵌入式操作系统及可配置模块（文件系统、GUI、网络系统等），负责资源调度与管理，组件可按需组合。
- 中间件层：连接独立应用的系统软件，分服务、集成、数据、消息、安全中间件等，常用产品有嵌入式数据库、OpenGL等。
- 应用层：具体应用软件，需适应恶劣环境影响（如辐射导致的数据变化）。
-
软件特点
- 可剪裁性：通过静态编译等方式增减功能模块，使系统紧凑。
- 可配置性：根据运行需求调整工作状态，采用数据驱动、配置表等设计方法。
- 强实时性：多数属强实时系统，需在时限内完成任务，依赖算法优化。
- 安全性：按危害程度分安全等级（如机载DO-178标准分A~E级），通过编码标准、安全机制等提升。
- 可靠性：衡量系统在规定条件下执行功能的能力，采用容错、余度技术等设计。
- 高确定性：运行时间、状态等预先规划，通过静态资源分配等确保无未预计错误。
-
开发差异
- 在宿主机开发，生成代码后固化到目标机；
- 强调软硬件协同效率与稳定性；
- 需专门开发工具、测试设备，对实时性、安全性、代码规模要求高；
- 安全攸关软件需满足领域设计与代码审定要求，采用模块化设计。
2.4.4 安全攸关软件的安全性设计
- 定义：可能导致不可接受风险的软件，在航空航天等领域至关重要，需通过安全性工程技术控制风险。
- DO-178标准（以DO-178B为例）
- 目的：指导机载软件开发，确保满足适航安全性要求，涵盖软件生命周期目标、活动及证据（生命周期数据）。
- 核心内容：
- 目标：规定66个生命周期目标，按软件重要程度分A~E五级安全等级，等级不同目标要求不同。
- 过程：分软件计划过程、软件开发过程（含需求、设计、编码、集成子过程）、软件综合过程（含验证、配置管理、质量保证、审定联络子过程）。
- 数据：涵盖生命周期中所有文档、代码、记录等，作为目标达成的证据。
- DO-178与CMMI差异
维度 DO-178 CMMI 视角 适航审定，关注项目软件对安全性的影响 过程改进，关注组织整体软件能力提升 内容 以目标、活动、数据为主，要求具体 基于行业最佳实践，覆盖多层次要求 聚焦范围 仅软件领域，易理解 集成系统、软硬件等，易生歧义 应用侧重 安全攸关软件项目质量保障 企业多项目持续成功与商业目标达成
补充
