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嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)
嵌入式系統(tǒng)是用來控制或者監(jiān)視機(jī)器、裝置、工廠等大規(guī)模設(shè)備的系統(tǒng)。以下是關(guān)于嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)，歡迎大家認(rèn)真閱讀!
1、嵌入式系統(tǒng)的定義
(1)定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
(2)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的4個(gè)階段：無操作系統(tǒng)階段、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段、面向Internet階段。
(3)知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(IP核)：具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、功能具體、接口規(guī)范、可在多個(gè)集成電路設(shè)計(jì)中重復(fù)使用的功能模塊，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)芯片(SOC)的基本構(gòu)件。
(4)IP核模塊有行為、結(jié)構(gòu)和物理3級(jí)不同程度的設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)描述功能行為的不同可以分為三類：軟核、固核、硬核。
2、嵌入式系統(tǒng)的組成
包含:硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層
(1)硬件層：嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、通用設(shè)備接口和I/O接口。
嵌入式核心模塊=微處理器+電源電路+時(shí)鐘電路+存儲(chǔ)器
Cache：位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是最近一段時(shí)間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。它的主要目標(biāo)是減小存儲(chǔ)器給微處理器內(nèi)核造成的存儲(chǔ)器訪問瓶頸，使處理速度更快。
(2)中間層(也稱為硬件抽象層HAL或者板級(jí)支持包BSP).
它將系統(tǒng)上層軟件和底層硬件分離開來，使系統(tǒng)上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口開發(fā)即可。
BSP有兩個(gè)特點(diǎn)：硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性。
設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：
A、 嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化和BSP功能。
片級(jí)初始化：純硬件的初始化過程，把嵌入式微處理器從上電的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。
板級(jí)初始化：包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程，為隨后的系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序建立硬件和軟件的運(yùn)行環(huán)境。
系統(tǒng)級(jí)初始化：以軟件為主的初始化過程，進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。
B、 設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
(3)系統(tǒng)軟件層：由RTOS、文件系統(tǒng)、GUI、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。
RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。
(4)應(yīng)用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成。
3、實(shí)時(shí)系統(tǒng)
(1)定義：能在指定或確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對(duì)外部或內(nèi)部、同步或異步時(shí)間做出響應(yīng)的系統(tǒng)。
(2)區(qū)別：通用系統(tǒng)一般追求的是系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間和用戶的使用方便;而實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要考慮的是在最壞情況下的系統(tǒng)行為。
(3)特點(diǎn)：時(shí)間約束性、可預(yù)測(cè)性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。
(4)硬實(shí)時(shí)(強(qiáng)實(shí)時(shí))：指應(yīng)用的時(shí)間需求應(yīng)能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如：航天、軍事。
(5)軟實(shí)時(shí)(弱實(shí)時(shí))：指某些應(yīng)用雖然提出了時(shí)間的要求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重影響，如：監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)。
(6)任務(wù)的約束包括：時(shí)間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。
4、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度
(1)調(diào)度：給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過程。
(2)搶占式調(diào)度：通常是優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的調(diào)度，如uCOS。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對(duì)簡(jiǎn)單，可以保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)間約束;缺點(diǎn)是上下文切換多。
(3)非搶占式調(diào)度：通常是按時(shí)間片分配的調(diào)度，不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執(zhí)行完畢或自愿放棄，如WinCE。優(yōu)點(diǎn)是上下文切換少;缺點(diǎn)是處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。
(4)靜態(tài)表驅(qū)動(dòng)策略：系統(tǒng)在運(yùn)行前根據(jù)各任務(wù)的時(shí)間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運(yùn)行時(shí)刻表，指明各任務(wù)的起始運(yùn)行時(shí)刻及運(yùn)行時(shí)間。
(5)優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略：按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。
(6)實(shí)時(shí)任務(wù)分類：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。
(7)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)采集任務(wù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理任務(wù)處理采集的數(shù)據(jù)、并將加工后的數(shù)據(jù)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)管理任務(wù)控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行。
5、嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)
(1)馮諾依曼結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)空間，程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置，采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序和數(shù)據(jù)的寬度相同。例如：8086、ARM7、MIPS…
(2)哈佛結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問，是一種將程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、ARM9、ARM10…
(3)CISC與RISC的特點(diǎn)比較。
計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間P可以用下面公式計(jì)算：
P=I×CPI×T
I：高級(jí)語言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的指令數(shù)。
CPI：為執(zhí)行每條指令所需要的平均周期數(shù)。
T：每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。
(4)流水線的思想：在CPU中把一條指令的串行執(zhí)行過程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^程在CPU中重疊執(zhí)行。
(5)流水線的指標(biāo)：
吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間里流水線處理機(jī)流出的結(jié)果數(shù)。如果流水線的子過程所用時(shí)間不一樣長，則吞吐率應(yīng)為最長子過程的倒數(shù)。
建立時(shí)間：流水線開始工作到達(dá)最大吞吐率的時(shí)間。若m個(gè)子過程所用時(shí)間一樣，均為t，則建立時(shí)間T=mt。
(6)信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序
A、存儲(chǔ)器單位：字節(jié)(8位)
B、字長決定了微處理器的尋址能力，即虛擬地址空間的大小。
C、32位微處理器的虛擬地址空間位232，即4GB。
D、小端字節(jié)順序：低字節(jié)在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)在內(nèi)存高地址處。
E、大端字節(jié)順序：高字節(jié)在內(nèi)存低地址處，低字節(jié)在內(nèi)存高地址處。
F、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存儲(chǔ)順序問題取決于OSI模型底層中的數(shù)據(jù)鏈路層。
6、邏輯電路基礎(chǔ)
(1)根據(jù)電路是否具有存儲(chǔ)功能，將邏輯電路劃分為：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。
(2)組合邏輯電路：電路在任一時(shí)刻的輸出，僅取決于該時(shí)刻的輸入信號(hào)，而與輸入信號(hào)作用前電路的狀態(tài)無關(guān)。常用的邏輯電路有譯碼器和多路選擇器等。
(3)時(shí)序邏輯電路：電路任一時(shí)刻的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與該時(shí)刻電路的狀態(tài)有關(guān)。因此，時(shí)序電路中必須包含記憶元件。觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)。常用的時(shí)序邏輯電路有寄存器和計(jì)數(shù)器等。
(4)真值表、布爾代數(shù)、摩根定律、門電路的概念。
(5)NOR(或非)和NAND(與非)的門電路稱為全能門電路，可以實(shí)現(xiàn)任何一種邏輯函數(shù)。
(6)譯碼器：多輸入多輸出的組合邏輯網(wǎng)絡(luò)。
每輸入一個(gè)n位的二進(jìn)制代碼，在m個(gè)輸出端中最多有一個(gè)有效。
當(dāng)m=2n是，為全譯碼;當(dāng)m<2n時(shí)，為部分譯碼。
(7)由于集成電路的高電平輸出電流小，而低電平輸出電流相對(duì)比較大，采用集成門電路直接驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，較多采用低電平驅(qū)動(dòng)方式。液晶七段字符顯示器LCD利用液晶有外加電場(chǎng)和無外加電場(chǎng)時(shí)不同的光學(xué)特性來顯示字符。
(8)時(shí)鐘信號(hào)是時(shí)序邏輯的基礎(chǔ)，它用于決定邏輯單元中的狀態(tài)合適更新。同步是時(shí)鐘控制系統(tǒng)中的主要制約條件。
(9)在選用觸發(fā)器的時(shí)候，觸發(fā)方式是必須考慮的因素。觸發(fā)方式有兩種：
電平觸發(fā)方式：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的有點(diǎn)，常用來組成暫存器。
邊沿觸發(fā)方式：具有很強(qiáng)的抗數(shù)據(jù)端干擾能力，常用來組成寄存器、計(jì)數(shù)器等。
7、總線電路及信號(hào)驅(qū)動(dòng)
(1)總線是各種信號(hào)線的集合，是嵌入式系統(tǒng)中各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。在同一時(shí)刻，每條通路線路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號(hào)。按照總線所傳送的信息類型，可以分為：數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)。
(2)總線的主要參數(shù)：
總線帶寬：一定時(shí)間內(nèi)總線上可以傳送的數(shù)據(jù)量，一般用MByte/s表示。
總線寬度：總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)(bit)，即人們常說的32位、64位等總線寬度的概念，也叫總線位寬�？偩�的位寬越寬，總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大，也就是總線帶寬越寬。
總線頻率：工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬。
總線帶寬 = 總線位寬×總線頻率/8， 單位是MBps。
常用總線：ISA總線、PCI總線、IIC總線、SPI總線、PC104總線和CAN總線等。
(3)只有具有三態(tài)輸出的設(shè)備才能夠連接到數(shù)據(jù)總線上，常用的三態(tài)門為輸出緩沖器。
(4)當(dāng)總線上所接的負(fù)載超過總線的負(fù)載能力時(shí)，必須在總線和負(fù)載之間加接緩沖器或驅(qū)動(dòng)器，最常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅(qū)動(dòng)和隔離。
(5)采用總線復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線和地址總線的共用。但會(huì)帶來兩個(gè)問題：
A、需要增加外部電路對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行復(fù)用解耦，例如：地址鎖存器。
B、總線速度相對(duì)非復(fù)用總線系統(tǒng)低。
(6)兩類總線通信協(xié)議：同步方式、異步方式。
(7)對(duì)總線仲裁問題的解決是以優(yōu)先級(jí)(優(yōu)先權(quán))的概念為基礎(chǔ)。
8、電平轉(zhuǎn)換電路
(1)數(shù)字集成電路可以分為兩大類：雙極型集成電路(TTL)、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)。
(2)CMOS電路由于其靜態(tài)功耗極低，工作速度較高，抗干擾能力較強(qiáng)，被廣泛使用。
(3)解決TTL與CMOS電路接口困難的辦法是在TTL電路輸出端與電源之間接一上拉電阻R，上拉電阻R的取值由TTL的高電平輸出漏電流IOH來決定，不同系列的TTL應(yīng)選用不同的R值。
9、可編程邏輯器件基礎(chǔ)
這方面的內(nèi)容，從總體上有個(gè)概念性的認(rèn)識(shí)應(yīng)該就可以了。
10、嵌入式系統(tǒng)中信息表示與運(yùn)算基礎(chǔ)
(1)進(jìn)位計(jì)數(shù)制與轉(zhuǎn)換：這樣比較簡(jiǎn)單，也應(yīng)該掌握怎么樣進(jìn)行換算，有出題的可能。
(2)計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示：源碼、反碼與補(bǔ)碼。
正數(shù)的反碼與源碼相同，負(fù)數(shù)的反碼為該數(shù)的源碼除符號(hào)位外按位取反。
正數(shù)的補(bǔ)碼與源碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為該數(shù)的反碼加一。
例如-98的源碼：111****10B
反碼：10011101B
補(bǔ)碼：10011110B
(3)定點(diǎn)表示法：數(shù)的小數(shù)點(diǎn)的位置人為約定固定不變。
浮點(diǎn)表示法：數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置是浮動(dòng)的，它由尾數(shù)部分和階數(shù)部分組成。
任意一個(gè)二進(jìn)制N總可以寫成：N=2P×S。S為尾數(shù)，P為階數(shù)。
(4)漢字表示法，搞清楚GB2318-80中國標(biāo)碼和機(jī)內(nèi)碼的變換。
(5)語音編碼中波形量化參數(shù)(可能會(huì)出簡(jiǎn)單的計(jì)算題目哦)
采樣頻率：一秒內(nèi)采樣的次數(shù)，反映了采樣點(diǎn)之間的間隔大小。
人耳的聽覺上限是20kHz，因此40kHz以上的采樣頻率足以使人滿意。
CD唱片采用的采樣頻率是44.1kHz。
測(cè)量精度：樣本的量化等級(jí)，目前標(biāo)準(zhǔn)采樣量級(jí)有8位和16位兩種。
聲道數(shù)：?jiǎn)温暤篮土Ⅲw聲雙道。立體聲需要兩倍的存儲(chǔ)空間。
11、差錯(cuò)控制編碼
(1)根據(jù)碼組的功能，可以分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼兩類。檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的碼，例如奇偶檢驗(yàn)碼;糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)的碼，例如循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。
(2)奇偶檢驗(yàn)碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)。
12、嵌入式系統(tǒng)的度量項(xiàng)目
(1)性能指標(biāo)：分為部件性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)，主要包括：吞吐率、實(shí)時(shí)性和各種利用率。
(2)可靠性與安全性
可靠性是嵌入式系統(tǒng)最重要、最突出的基本要求，是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時(shí)間MTBF來度量。
(3)可維護(hù)性：一般用平均修復(fù)時(shí)間MTTR表示。
(4)可用性
(5)功耗
(6)環(huán)境適應(yīng)性
(7)通用性
(8)安全性
(9)保密性
(10)可擴(kuò)展性
性價(jià)比中的價(jià)格，除了直接購買嵌入式系統(tǒng)的價(jià)格外，還應(yīng)包含安裝費(fèi)用、若干年的運(yùn)行維修費(fèi)用和軟件租用費(fèi)。
13、嵌入式系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法：測(cè)量法和模型法
(1)測(cè)量法是最直接最基本的方法，需要解決兩個(gè)問題：
A、根據(jù)研究的目的，確定要測(cè)量的系統(tǒng)參數(shù)。
B、選擇測(cè)量的工具和方式。
(2)測(cè)量的方式有兩種：采樣方式和事件跟蹤方式。
(3)模型法分為分析模型法和模擬模型法。分析模型法是用一些數(shù)學(xué)方程去刻畫系統(tǒng)的模型，而模擬模型法是用模擬程序的運(yùn)行去動(dòng)態(tài)表達(dá)嵌入式系統(tǒng)的狀態(tài)，而進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，得出性能指標(biāo)。
(4)分析模型法中使用最多的是排隊(duì)模型，它包括三個(gè)部分：輸入流、排隊(duì)規(guī)則和服務(wù)機(jī)構(gòu)。
(5)使用模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)需要解決3個(gè)問題：設(shè)計(jì)模型、解模型、校準(zhǔn)和證實(shí)模型。
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