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嵌入式系統基礎知識總結
嵌入式系統是用來(lái)控制或者監視機器、裝置、工廠(chǎng)等大規模設備的系統。以下是關(guān)于嵌入式系統基礎知識總結，歡迎大家認真閱讀!
1、嵌入式系統的定義
(1)定義：以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。
(2)嵌入式系統發(fā)展的4個(gè)階段：無(wú)操作系統階段、簡(jiǎn)單操作系統階段、實(shí)時(shí)操作系統階段、面向Internet階段。
(3)知識產(chǎn)權核(IP核)：具有知識產(chǎn)權的、功能具體、接口規范、可在多個(gè)集成電路設計中重復使用的功能模塊，是實(shí)現系統芯片(SOC)的基本構件。
(4)IP核模塊有行為、結構和物理3級不同程度的設計，對應描述功能行為的不同可以分為三類(lèi)：軟核、固核、硬核。
2、嵌入式系統的組成
包含:硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層
(1)硬件層：嵌入式微處理器、存儲器、通用設備接口和I/O接口。
嵌入式核心模塊=微處理器+電源電路+時(shí)鐘電路+存儲器
Cache：位于主存和嵌入式微處理器內核之間，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據。它的主要目標是減小存儲器給微處理器內核造成的存儲器訪(fǎng)問(wèn)瓶頸，使處理速度更快。
(2)中間層(也稱(chēng)為硬件抽象層HAL或者板級支持包BSP).
它將系統上層軟件和底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據BSP層提供的接口開(kāi)發(fā)即可。
BSP有兩個(gè)特點(diǎn)：硬件相關(guān)性和操作系統相關(guān)性。
設計一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：
A、 嵌入式系統的硬件初始化和BSP功能。
片級初始化：純硬件的初始化過(guò)程，把嵌入式微處理器從上電的默認狀態(tài)逐步設置成系統所要求的工作狀態(tài)。
板級初始化：包含軟硬件兩部分在內的初始化過(guò)程，為隨后的系統初始化和應用程序建立硬件和軟件的運行環(huán)境。
系統級初始化：以軟件為主的初始化過(guò)程，進(jìn)行操作系統的初始化。
B、 設計硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)。
(3)系統軟件層：由RTOS、文件系統、GUI、網(wǎng)絡(luò )系統及通用組件模塊組成。
RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開(kāi)發(fā)平臺。
(4)應用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統開(kāi)發(fā)的應用程序組成。
3、實(shí)時(shí)系統
(1)定義：能在指定或確定的時(shí)間內完成系統功能和對外部或內部、同步或異步時(shí)間做出響應的系統。
(2)區別：通用系統一般追求的是系統的平均響應時(shí)間和用戶(hù)的使用方便;而實(shí)時(shí)系統主要考慮的是在最壞情況下的系統行為。
(3)特點(diǎn)：時(shí)間約束性、可預測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。
(4)硬實(shí)時(shí)(強實(shí)時(shí))：指應用的時(shí)間需求應能夠得到完全滿(mǎn)足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產(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系統運行及環(huán)境不會(huì )造成嚴重影響，如：監控系統、實(shí)時(shí)信息采集系統。
(6)任務(wù)的約束包括：時(shí)間約束、資源約束、執行順序約束和性能約束。
4、實(shí)時(shí)系統的調度
(1)調度：給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執行的整個(gè)過(guò)程。
(2)搶占式調度：通常是優(yōu)先級驅動(dòng)的調度，如uCOS。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應快，調度算法相對簡(jiǎn)單，可以保證高優(yōu)先級任務(wù)的時(shí)間約束;缺點(diǎn)是上下文切換多。
(3)非搶占式調度：通常是按時(shí)間片分配的調度，不允許任務(wù)在執行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執行完畢或自愿放棄，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，可調度性不好。
(4)靜態(tài)表驅動(dòng)策略：系統在運行前根據各任務(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行時(shí)刻表，指明各任務(wù)的起始運行時(shí)刻及運行時(shí)間。
(5)優(yōu)先級驅動(dòng)策略：按照任務(wù)優(yōu)先級的高低確定任務(wù)的執行順序。
(6)實(shí)時(shí)任務(wù)分類(lèi)：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。
(7)實(shí)時(shí)系統的通用結構模型：數據采集任務(wù)實(shí)現傳感器數據的采集，數據處理任務(wù)處理采集的數據、并將加工后的數據送到執行機構管理任務(wù)控制機構執行。
5、嵌入式微處理器體系結構
(1)馮諾依曼結構：程序和數據共用一個(gè)存儲空間，程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置，采用單一的地址及數據總線(xiàn)，程序和數據的寬度相同。例如：8086、ARM7、MIPS…
(2)哈佛結構：程序和數據是兩個(gè)相互獨立的存儲器，每個(gè)存儲器獨立編址、獨立訪(fǎng)問(wèn)，是一種將程序存儲和數據存儲分開(kāi)的存儲器結構。例如：AVR、ARM9、ARM10…
(3)CISC與RISC的特點(diǎn)比較。
計算機執行程序所需要的時(shí)間P可以用下面公式計算：
P=I×CPI×T
I：高級語(yǔ)言程序編譯后在機器上運行的指令數。
CPI：為執行每條指令所需要的平均周期數。
T：每個(gè)機器周期的時(shí)間。
(4)流水線(xiàn)的思想：在CPU中把一條指令的串行執行過(guò)程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^(guò)程在CPU中重疊執行。
(5)流水線(xiàn)的指標：
吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間里流水線(xiàn)處理機流出的結果數。如果流水線(xiàn)的子過(guò)程所用時(shí)間不一樣長(cháng)，則吞吐率應為最長(cháng)子過(guò)程的倒數。
建立時(shí)間：流水線(xiàn)開(kāi)始工作到達最大吞吐率的時(shí)間。若m個(gè)子過(guò)程所用時(shí)間一樣，均為t，則建立時(shí)間T=mt。
(6)信息存儲的字節順序
A、存儲器單位：字節(8位)
B、字長(cháng)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、小端字節順序：低字節在內存低地址處，高字節在內存高地址處。
E、大端字節順序：高字節在內存低地址處，低字節在內存高地址處。
F、網(wǎng)絡(luò )設備的存儲順序問(wèn)題取決于OSI模型底層中的數據鏈路層。
6、邏輯電路基礎
(1)根據電路是否具有存儲功能，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，而與輸入信號作用前電路的狀態(tài)無(wú)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)器是構成時(shí)序邏輯電路的基礎。常用的時(shí)序邏輯電路有寄存器和計數器等。
(4)真值表、布爾代數、摩根定律、門(mén)電路的概念。
(5)NOR(或非)和NAND(與非)的門(mén)電路稱(chēng)為全能門(mén)電路，可以實(shí)現任何一種邏輯函數。
(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m=2n是，為全譯碼;當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比較大，采用集成門(mén)電路直接驅動(dòng)LED時(shí)，較多采用低電平驅動(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(wú)外加電場(chǎng)時(shí)不同的光學(xué)特性來(lái)顯示字符。
(8)時(shí)鐘信號是時(shí)序邏輯的基礎，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：具有結構簡(jiǎn)單的有點(diǎn)，常用來(lái)組成暫存器。
邊沿觸發(fā)方式：具有很強的抗數據端干擾能力，常用來(lái)組成寄存器、計數器等。
7、總線(xiàn)電路及信號驅動(dòng)
(1)總線(xiàn)是各種信號線(xiàn)的集合，是嵌入式系統中各部件之間傳送數據、地址和控制信息的公共通路。在同一時(shí)刻，每條通路線(xiàn)路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號。按照總線(xiàn)所傳送的信息類(lèi)型，可以分為：數據總線(xiàn)(DB)、地址總線(xiàn)(AB)和控制總線(xiàn)(CB)。
(2)總線(xiàn)的主要參數：
總線(xiàn)帶寬：一定時(shí)間內總線(xiàn)上可以傳送的數據量，一般用MByte/s表示。
總線(xiàn)寬度：總線(xiàn)能同時(shí)傳送的數據位數(bit)，即人們常說(shuō)的32位、64位等總線(xiàn)寬度的概念，也叫總線(xiàn)位寬�？偩�(xiàn)的位寬越寬，總線(xiàn)每秒數據傳輸率越大，也就是總線(xiàn)帶寬越寬。
總線(xiàn)頻率：工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，則總線(xiàn)工作速度越快，也即總線(xiàn)帶寬越寬。
總線(xiàn)帶寬 = 總線(xiàn)位寬×總線(xiàn)頻率/8， 單位是MBps。
常用總線(xiàn)：ISA總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)、IIC總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)、PC104總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)等。
(3)只有具有三態(tài)輸出的設備才能夠連接到數據總線(xiàn)上，常用的三態(tài)門(mén)為輸出緩沖器。
(4)當總線(xiàn)上所接的負載超過(guò)總線(xiàn)的負載能力時(shí)，必須在總線(xiàn)和負載之間加接緩沖器或驅動(dòng)器，最常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅動(dòng)和隔離。
(5)采用總線(xiàn)復用技術(shù)可以實(shí)現數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的共用。但會(huì )帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：
A、需要增加外部電路對總線(xiàn)信號進(jìn)行復用解耦，例如：地址鎖存器。
B、總線(xiàn)速度相對非復用總線(xiàn)系統低。
(6)兩類(lèi)總線(xiàn)通信協(xié)議：同步方式、異步方式。
(7)對總線(xiàn)仲裁問(wèn)題的解決是以?xún)?yōu)先級(優(yōu)先權)的概念為基礎。
8、電平轉換電路
(1)數字集成電路可以分為兩大類(lèi)：雙極型集成電路(TTL)、金屬氧化物半導體(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，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(lái)決定，不同系列的TTL應選用不同的R值。
9、可編程邏輯器件基礎
這方面的內容，從總體上有個(gè)概念性的認識應該就可以了。
10、嵌入式系統中信息表示與運算基礎
(1)進(jìn)位計數制與轉換：這樣比較簡(jiǎn)單，也應該掌握怎么樣進(jìn)行換算，有出題的可能。
(2)計算機中數的表示：源碼、反碼與補碼。
正數的反碼與源碼相同，負數的反碼為該數的源碼除符號位外按位取反。
正數的補碼與源碼相同，負數的補碼為該數的反碼加一。
例如-98的源碼：111****10B
反碼：10011101B
補碼：10011110B
(3)定點(diǎn)表示法：數的小數點(diǎn)的位置人為約定固定不變。
浮點(diǎn)表示法：數的小數點(diǎn)位置是浮動(dòng)的，它由尾數部分和階數部分組成。
任意一個(gè)二進(jìn)制N總可以寫(xiě)成：N=2P×S。S為尾數，P為階數。
(4)漢字表示法，搞清楚GB2318-80中國標碼和機內碼的變換。
(5)語(yǔ)音編碼中波形量化參數(可能會(huì )出簡(jiǎn)單的計算題目哦)
采樣頻率：一秒內采樣的次數，反映了采樣點(diǎn)之間的間隔大小。
人耳的聽(tīng)覺(jué)上限是20kHz，因此40kHz以上的采樣頻率足以使人滿(mǎn)意。
CD唱片采用的采樣頻率是44.1kHz。
測量精度：樣本的量化等級，目前標準采樣量級有8位和16位兩種。
聲道數：?jiǎn)温暤篮土Ⅲw聲雙道。立體聲需要兩倍的存儲空間。
11、差錯控制編碼
(1)根據碼組的功能，可以分為檢錯碼和糾錯碼兩類(lèi)。檢錯碼是指能自動(dòng)發(fā)現差錯的碼，例如奇偶檢驗碼;糾錯碼是指不僅能發(fā)現差錯而且能自動(dòng)糾正差錯的碼，例如循環(huán)冗余校驗碼。
(2)奇偶檢驗碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。
12、嵌入式系統的度量項目
(1)性能指標：分為部件性能指標和綜合性能指標，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最重要、最突出的基本要求，是一個(gè)嵌入式系統能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時(shí)間MTBF來(lái)度量。
(3)可維護性：一般用平均修復時(shí)間MTTR表示。
(4)可用性
(5)功耗
(6)環(huán)境適應性
(7)通用性
(8)安全性
(9)保密性
(10)可擴展性
性?xún)r(jià)比中的價(jià)格，除了直接購買(mǎi)嵌入式系統的價(jià)格外，還應包含安裝費用、若干年的運行維修費用和軟件租用費。
13、嵌入式系統的評價(jià)方法：測量法和模型法
(1)測量法是最直接最基本的方法，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：
A、根據研究的目的，確定要測量的系統參數。
B、選擇測量的工具和方式。
(2)測量的方式有兩種：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學(xué)方程去刻畫(huà)系統的模型，而模擬模型法是用模擬程序的運行去動(dòng)態(tài)表達嵌入式系統的狀態(tài)，而進(jìn)行系統統計分析，得出性能指標。
(4)分析模型法中使用最多的是排隊模型，它包括三個(gè)部分：輸入流、排隊規則和服務(wù)機構。
(5)使用模型對系統進(jìn)行評價(jià)需要解決3個(gè)問(wèn)題：設計模型、解模型、校準和證實(shí)模型。
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