嵌入式系統開發需要在資源有限的環境下兼顧效能和可靠性，這也讓軟體架構設計至關重要。不同於通用電腦，嵌入式系統的硬體和軟體都受到嚴格限制，例如 CPU 速度、記憶體容量、功耗等，開發者需要根據具體應用場景做出取捨。此外，軟體設計也需要考慮即時性、容錯性和安全性等因素，才能確保系統穩定執行。
在嵌入式系統的開發過程中，系統架構設計是至關重要的環節。它不僅可以幫助開發者更好地理解系統的功能和限制，還可以指導軟體設計，確保軟體滿足系統的需求。系統架構設計的第一步是明確系統的功能和需求，包括輸入輸出、使用者需求和系統限制等。接下來，需要建立一個高層次的系統架構圖，描述系統的各個組成部分以及它們之間的關係。
嵌入式系統導論
嵌入式系統對不同的人有不同的含義。對於伺服器開發人員，手機應用程式可以被視為嵌入式系統。對於微控制器開發人員，任何具有作業系統的系統都不像嵌入式系統那樣「嵌入」在硬體中。我通常會告訴非技術人員，嵌入式系統是指像微波爐和汽車等執行軟體但不是電腦的系統。也許有一種簡單的方式來定義嵌入式系統：嵌入式系統是一個為特定應用而設計的電腦化系統。
由於嵌入式系統的任務比通用電腦狹窄，因此它對於不相關於工作的東西提供的支援較少。硬體通常具有限制，例如CPU執行速度較慢以節省電池電力、系統使用較少的記憶體以降低製造成本、處理器僅在特定速度或支援特定外圍裝置下提供。
硬體並不是系統中唯一具有限制的部分。在某些系統中，軟體必須以確定的方式執行（每次都相同）或實時執行（始終能夠快速反應事件）。一些系統需要軟體具有容錯性，在出現錯誤時能夠優雅地降級。例如，考慮一個系統，其中維修故障軟體或硬體可能不可行（例如衛星或鯨魚上的追蹤標籤）。其他系統需要軟體在出現問題的第一個跡象時停止執行，通常提供明確的錯誤訊息（例如心臟監測器不應默默失敗）。
本章簡要概述了嵌入式系統的高層次視角。實際上，您可以閱讀維基百科文章，但這是讓我們互相瞭解的一種方式。不幸的是，本章主要談論了嵌入式系統開發的困難。由於不同的編譯器、除錯工具和資源限制，我們設計和實作程式碼的方式與其他軟體型別不同。有些人可能會將這個領域稱為「過時」，但事實並非如此；我們專注於解決不同的問題，大多數情況下如此。然而，有一些軟體工程技術是有用的但被忽視了（但這是本文的其他部分將要討論的內容）。
嵌入式系統最好的方面之一是創客運動。每個人都喜歡發光的燈，因此人們對從事低層次軟體開發感興趣。如果您是其中之一，歡迎。但我承認我期待的是那些對嵌入式系統開發感興趣的人。
內容解密：
上述內容簡要介紹了嵌入式系統的基本概念，包括其定義、限制和特點。嵌入式系統是一種為特定應用而設計的電腦化系統，其硬體和軟體都具有限制。這些限制使得嵌入式系統開發具有挑戰性，但同時也使得這個領域非常有趣和充滿挑戰。
graph LR
A[嵌入式系統] --> B[硬體限制]
A --> C[軟體限制]
B --> D[CPU執行速度較慢]
B --> E[記憶體較少]
C --> F[確定的執行方式]
C --> G[實時執行]
圖表翻譯：
上述Mermaid圖表展示了嵌入式系統的基本結構，包括其硬體和軟體限制。圖表中，A代表嵌入式系統，B代表硬體限制，C代表軟體限制。硬體限制包括CPU執行速度較慢和記憶體較少，而軟體限制包括確定的執行方式和實時執行。這些限制使得嵌入式系統開發具有挑戰性，但同時也使得這個領域非常有趣和充滿挑戰。
嵌入式系統開發導論
嵌入式系統是一種特殊的系統，需要面對許多挑戰。作為一名嵌入式系統開發人員，您需要了解如何在資源有限的環境中開發高效且可靠的系統。本章將介紹嵌入式系統開發的基礎知識，包括嵌入式系統的特點、開發工具、除錯技術以及資源限制等。
嵌入式系統的特點
嵌入式系統是一種專用系統，旨在執行特定的任務。它們通常具有有限的資源，例如記憶體、處理器週期和電源消耗。嵌入式系統需要在這些限制下執行，同時還需要考慮到系統的可靠性、安全性和實時性。
開發工具
嵌入式系統開發人員需要使用跨編譯器（cross-compiler）來生成可以在目標嵌入式系統上執行的程式碼。跨編譯器可以在桌面或筆記型電腦上執行，但生成的程式碼需要在目標嵌入式系統上執行。另外，嵌入式系統開發人員還需要使用除錯工具，例如硬體偵錯程式（hardware debugger）或軟體偵錯程式（software debugger），來除錯和測試程式碼。
除錯技術
嵌入式系統除錯是一個挑戰性的工作，因為目標嵌入式系統通常具有有限的資源和除錯功能。嵌入式系統開發人員需要使用特殊的除錯技術，例如使用printf陳述式或輕量級日誌記錄，來除錯和測試程式碼。另外，硬體偵錯程式可以提供更強大的除錯功能，例如單步執行、斷點設定和暫存器檢視。
資源限制
嵌入式系統開發人員需要面對許多資源限制，例如記憶體限制、處理器週期限制和電源消耗限制。這些限制需要在設計和實作系統時考慮，以確保系統的可靠性和實時性。
設計原則
嵌入式系統開發人員需要遵循一些設計原則，以確保系統的可靠性和實時性。這些原則包括模組化、封裝和抽象。模組化可以幫助減少程式碼的複雜性和提高可維護性。封裝可以幫助保護程式碼的內部實作細節。抽象可以幫助簡化程式碼的結構和提高可讀性。
測試和驗證
嵌入式系統開發人員需要進行全面性的測試和驗證，以確保系統的可靠性和實時性。這些測試和驗證包括單元測試、整合測試和系統測試。單元測試可以幫助驗證個別模組的正確性。整合測試可以幫助驗證多個模組之間的互動作用。系統測試可以幫助驗證整個系統的正確性。
檔案和維護
嵌入式系統開發人員需要保持完整的檔案和維護記錄，以確保系統的可維護性和可擴充套件性。這些檔案包括設計檔案、實作檔案和測試檔案。維護記錄可以幫助追蹤系統的變化和更新。
1. 簡介
在嵌入式系統的開發過程中，瞭解系統的架構和設計是非常重要的。這不僅能夠幫助開發者更好地理解系統的功能和限制，也能夠讓他們設計出更好的軟體架構。因此，在本章中，我們將探討如何建立系統架構和設計嵌入式軟體。
2. 建立系統架構
建立系統架構的第一步是瞭解系統的功能和需求。這包括了識別系統的輸入和輸出、使用者需求和系統的限制。接下來，我們需要建立一個高階別的系統架構圖，描述系統的各個部分和它們之間的關係。
2.1 系統架構圖
系統架構圖是一種視覺化的工具，幫助我們瞭解系統的結構和功能。它通常包括了系統的各個部分，例如處理器、記憶體、輸入/輸出裝置等，以及它們之間的關係。透過建立系統架構圖，我們可以更好地理解系統的功能和限制，並且可以設計出更好的軟體架構。
2.2 四種型別的系統架構圖
在嵌入式系統的開發中，常用的系統架構圖有四種型別：
- 上下文圖：描述系統與其環境之間的關係。
- 塊狀圖：描述系統的各個部分和它們之間的關係。
- 組織圖：描述系統的層次結構和各個部分之間的關係。
- 分層圖：描述系統的各個層次和它們之間的關係。
2.3 建立系統架構圖的步驟
建立系統架構圖的步驟如下：
- 識別系統的功能和需求：瞭解系統的輸入和輸出、使用者需求和系統的限制。
- 建立高階別的系統架構圖：描述系統的各個部分和它們之間的關係。
- 新增詳細資訊：新增更多詳細資訊，例如處理器、記憶體、輸入/輸出裝置等。
- 檢查和修改：檢查系統架構圖，修改任何錯誤或不清楚的地方。
嵌入式系統的定義和應用範圍隨著技術發展不斷演變。本文從嵌入式系統的基礎概念到架構設計，逐步深入探討了其核心要素。分析嵌入式系統的硬體和軟體限制，可以發現資源受限是其最顯著的特點，這也驅使開發者在效能、功耗和可靠性之間尋求最佳平衡。然而，正是在資源有限的環境下，創新和最佳化策略才能得到最大程度的展現，例如輕量級日誌記錄、硬體偵錯程式以及模組化設計等。展望未來，隨著物聯網、邊緣計算和人工智慧等技術的蓬勃發展，嵌入式系統將在更多領域扮演關鍵角色。玄貓認為，深入理解嵌入式系統的開發流程和設計原則，對於應對未來科技挑戰至關重要。
