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江苏自考-12575 嵌入式系统设计(高纲 1717)
12575 《嵌入式系统设计与实例开发》笔记整理
嵌入式系统概述
1. 最早的 8 位单片机是 intel 公司的 8048
2. 嵌入式系统的典型特点:均采用占先式的调度,响应的时间很短。任务执行的时间可
以确定;系统内核很小,具有可裁剪性、可扩充性和可移植性,可以移植到各种处理
器上;较强的实时性和可靠性,适合嵌入式应用。
3. 嵌入式系统的定义:
IEEE 定义:嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置;
国内定义:以应用为中心、以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功
能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统;
4. 嵌入式系统的划分:嵌入式系统可划分为硬件和软件两部分,硬件一般由高性能的微
处理器和外围的接口电路组成,软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成。
5. 嵌入式系统的架构:处理器、存储器、输入/输出和软件。
6. 嵌入式系统的发展趋势:
1)新的微处理器层出不穷,嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植,能够在短
时间内支持更多的微处理器;
2)嵌入式系统的开发成了一项系统工程,开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身
同事还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包;
3)通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中,嵌入式软件平
台得到进一步完善;
4)各类嵌入式 Linux 操作系统迅速发展,由于具有源代码开发、系统内核小、执行效
率高、网络结构完整等特点,很适合信息家电等嵌入式系统需要;
5)网络化、信息化的要求随着 Internet 技术的成熟和带宽的提高而日益突出,以往
功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一,结构变得更加复杂
网络互联成必然趋势;
6)精简系统内核,优化关键算法,降低功耗和软硬件成本;
7)提供更加友好的多媒体人机交互界面;
7. 片上系统 SOC:指单芯片上集成数字信号处理器、微控制器、存储器、数据转换器、
接口电路等模块。
8. IP 核:指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用
的功能模块,是实现系统芯片的基本构件。
9. IP 核的划分:
1)IP 软核:通常是用硬件描述语言文本形式提交给用户,它经过 RTL 级设计优化和
功能验证,但其中不含有任何具体的物理信息。据此,用户可以综合出正确的门电
路级设计网表,并可以进行后续的结构设计,具有很大的灵活性。借助于 EDA 综
合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体,根据各种不同的半导体工艺,
设计成具有不同性能的期间。主要缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性。而且
软核是以源代码的形式提供的,IP 知识产权不易保护;
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2)IP 硬核:基于半导体工艺的物理设计,已有固定的拓扑布局和具体的工艺,并已经
过工艺验证,具有可保证的性能。其提供给客户的形式是电路物理结构掩膜版图和
全套工艺文件。由于无须提供寄存器转移级文件,因而更易于实现 IP 保护。其缺
点是灵活性和可移植性差;
3)IP 固核:IP 固核的设计程度则介于硬核和软核之间,除了完成软核所有的设计外 ,
还完成了门电路综合和时序仿真等设计环节,一般以门电路级网表的形式提供给用
户;
10. 嵌入式系统的特点:
1)系统内核小
2)专用性强
3)系统精简
4)高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固话存储,以提
高速度。软件代码要求高质量和高可靠性
5)嵌入式软件开发必须使用多任务的操作系统
6)嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境
11. 嵌入式系统的组成:由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
12. 嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器。
13. 嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系结构或哈佛体系结构。指令系统可
以选用精简指令集系统和复杂指令集系统。
14. 嵌入式系统的的存储器包含 Cache、主存和辅助存储器。
15. Cache:Cache 是一种容量小、速度快的存储器阵列,它位于主存和嵌入式处理器内
核之间,存放的是最近一段时间处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据
读取操作时,处理器尽可能的从 Cache 中读取数据,而不是从主存中读取,这样就大
大改善了系统的性能,提高了处理器和主存之间的数据传输速率。
主存:主存是嵌入式处理器能直接访问的寄存器,用来存放系统和用户的程序及数据 ,
它可以位于处理器内部和外部,其容量从 256KB~1GB。
通用设备接口和 IO 接口:嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口,外设通
过和片外其他设备或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都
只有单一的功能,也可以内置在芯片中。
BSP:硬件层和软件层之间称为中间层,也称为硬件抽象层(HAL)或板级支持包
(BSP)。它将系统上层软件与底层硬件分离开来,使得系统的底层驱动与硬件无关,
上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况,根据 BSP 层提供的接口即可进行开
发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入 /输出操作和硬件设备的配置等
功能。BSP 具有以下两个特点:
1)硬件相关性 因为嵌入式实现系统的硬件环境具有应用相关性,而作为上层软件与
硬件平台之间的接口,BSP 需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法
2)操作系统相关性 不同的操作系统具有各自的软件层次结构。因此,不同的操作系
统具有特定的硬件接口形式
16. 嵌入式硬件初始化环节按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为:片级初始化、板
级初始化和系统级初始化:
1) 片级初始化:指完成 CPU 的初始化,包括设置 CPU 的核心寄存器和控制寄存器、
CPU 核心工作模式和 CPU 的局部总线模式等。片级初始化把 CPU 从上电时的默认
状态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。
2) 板级初始化:该初始化是指完成 CPU 的初始化。另外,还需设置某些软件的数据
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结构和参数,为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。这是
一个同事包含软硬件两部分在内的初始化过程。
3) 系统级初始化:该初始化过程以软件初始化为主,主要进行操作系统的初始化。
BSP 将对 CPU 的控制权转交给嵌入式操作系统,由操作系统完成余下的初始化操
作,包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序,建立系统内存区,加载并初始
化其他系统软件模块,例如网络系统、文件系统等。最后操作系统创建应用程序环
境,并将控制权交给应用程序的入口。
17. 设备驱动程序及其功能
1)定义:设备驱动程序就是一组库函数,用来对硬件进行初始化和管理,并向上层软
件提供良好的访问接口
2)基本功能:
a) 硬件启动:在开机上电或系统重启时,对硬件进行初始化
b) 硬件关闭:将硬件设置为关机状态
c) 硬件停用:暂停使用这个硬件
d) 硬件启用:重新启用这个硬件
e) 读操作:从硬件中读取数据
f) 写操作:往硬件中写入数据
18. 系统软件层的组成:系统软件层由实时任务操作系统、文件系统、图形用户接口、网
络系统及通用组件模块组成。
19. 嵌入式操作系统(EOS)的基本功能及其特点:
1) 基本功能:EOS 负责嵌入式系统的全部软硬件资源的分配、任务调度,控制、协
调并发活动。
2) 特点:
a) 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。
b) 强实时性。EOS 实时性一般较强,可用于各种设备控制当中。
c) 统一的接口。提供各种设备驱动接口。
d) 操作方便、简单、提供友好的图像 GUI、图像界面,追求易学易用。
e) 提供强大的网络功能,支持 TCP/IP 协议及其他协议,提供 TCP/UDP/IP/PPP
协议支持及统一的 MAC 访问层接口,为各种移动计算机设备预留接口。
f) 强稳定性、弱交互性。
g) 固化代码。
h) 更好的硬件适应性,也就是良好的一致性。
20. 通用操作系统的文件系统的功能
1) 提供用户对文件操作的命令
2) 提供用户共享文件的机制
3) 管理文件的存储介质
4) 提供文件的存取控制机制,保障文件及文件系统的安全性
5) 提供文件及文件系统的备份和恢复功能
6) 提供对文件的加密和解密功能
21. 嵌入式文件系统的主要功能和主要操作、特点
主要功能:具有文件存储、检索和更新等功能。
主要操作:①设置、修改对文件和目录的存取权限②提供建立、修改和删除目录等服
务③提供创建、打开、读写、关闭和撤销文件等服务
特点:
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1) 兼 容 性 : 嵌 入 式 文 件 系 统 通 常 支 持 几 种 标 准 的 文 件 物 理 结 构 , 例 如
FAT32、JFFS2、YAFFS 等
2) 实时文件系统:除支持标准的文件物理结构外,为提高实时性,有些嵌入式文件
系统还支持自定义的实时文件系统,这些文件系统一般采用连续文件的方式存储
文件
3) 可裁剪、可配置:可根据嵌入式系统的要求选择所需的文件物理结构,可选择所
需的存储介质、配置同时打开的最大文件数等
4) 支持多种存储设备:嵌入式系统的外存形式多样,嵌入式文件系统需方便的挂接
不同存储设备的驱动程序,具有灵活的设备管理能力。同时根据不同外部存储器
的特点,嵌入式文件系统还需考虑其性能、寿命等因素,发挥不同外存的优势,
提高存储设备的可靠性和使用寿命
22. 嵌入式图形用户接口特点:轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配
置等。
23. 应用软件层:由基于 RTOS 开发的应用程序组成,用来实现对被控对象的控制功能。
24. 嵌入式处理器的特点、分类
1) 特点:
a) 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。能够实现多任务并且有较短的
中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度
b) 具有功能很强的存取区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构一般为模块化,
为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护
功能,同时也有利于软件故障诊断
c) 处理器结构可扩展。能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式微处理
器
d) 低功耗。尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统,功
耗可以达到 mW 甚至 uW 级
2) 分类:
a) 嵌入式微处理器 MPU
b) 嵌入式微控制器 MCU
c) 嵌入式 DSP 处理器 DSP
d) 嵌入式片上系统 SOC
25. 操作系统的基本功能和主要任务
1) 基本功能:①使计算机硬件便于使用 ②高效组织和正确使用计算机的资源
2) 主要任务:进程管理、进程间通信与同步、内存管理和 IO 资源管理
26. 嵌入式操作系统的分类和定义
1) 分类:嵌入式操作系统分为实时操作系统和分时操作系统
2) 定义:嵌入式操作系统是连接计算机硬件和应用程序的系统程序
27. 实时系统的分类、定义和区别
1) 分类:实时系统分为硬实时系统和软实时系统
2) 定义:系统执行的正确性不仅取决于计算的逻辑结果,而且还取决于结果的产生
时间
3) 区别:对外界的事件做出反应的时间
28. 商业 RTOS 评价指标
1) 中断响应时间,指从中断发生到相应的 ISR 运行的时间间隔。中断响应时间与应
用程序相匹配,而且是可预测的。如果同一时间有多个中断发生,则中断响应时
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间的数量级要增加
2) 临界情况执行时间表示每个系统调用的时间。它是可预测的,而且系统的每个任
务都有独立的数据
29. 嵌入式系统的软件分类:
1) 实时系统:硬实时系统、软实时系统
2) 分时系统
30. 嵌入式系统的应用领域包括:
1) 工业控制
2) 交通管理
3) 信息家电
4) 家庭智能管理系统
5) POS 网络及电子商务
6) 环境监测
7) 机器人
31. 嵌入式系统在机电方面的应用:工业设备、家电行业、机器人
32. 嵌入式系统的现状:硬件方面,不仅有各大公司的微处理器芯片,还有用于学习和研
发的各种配套开发包。软件方面,有相当多的成熟软件系统。
33. 未来嵌入式系统的发展趋势:
1) 嵌入式开发是一项系统工程,因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件
系统本身,同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持
2) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提高,使得以
往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一,结构更加复杂
3) 网络互联成为必然趋势
4) 精简系统内核、算法、降低功耗和软硬件成本
5) 提供友好的多媒体人机界面
嵌入式系统的基本知识
1. 嵌入式微处理器的特点:品种多、体积小、成本低、集成度高
2. 嵌入式系统由嵌入式微处理器、存储器、输入/输出部分组成,其中嵌入式微处理器是
嵌入式硬件系统的核心
3. 嵌入式微处理器由控制单元、算术逻辑单元和寄存器组成
4. 冯·诺依曼体系结构:是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构
5. 哈佛体系结构:是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的体系结构
6. 地址:存储器的每一个字节都由一个唯一的数字来标识,称为它的地址
存储器空间:所有可能地址的集合,称为存储器空间
虚拟存储器:将存储器看作一个大的字节数组,称为虚拟存储器
7. 小端字节顺序存储法:低字节数据存放在内存低地址处,高字节数据存放在内存高地
址处,称为小端字节顺序存储法。大端字节顺序存储法:高字节数据存放在低地址处,
低字节数据存放在高地址处,称为大端字节顺序存储法。
8. ARM7TDMI 使 用 3 级 流 水 线 , 指 令 执 行 分 为 3 个 阶 段 — — 取 指 、 译 码 和执 行 。
ARM7TDMI 有 4 种存储周期的基本类型:空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处
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