嵌入式系统设计师复习笔记

(约定：红字表示重点，斜体表示注意选择) 1、嵌入式系统的定义 (1) 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。 (2) 嵌入式系统发展的4个阶段：无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统 阶段(RTOS)、面向Internet阶段。 (3) 知识产权核(IP核)：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，是实现系统芯片或片上系统(SOC)的基本构件。 (4) IP核模块有行为、结构和物理3级不同程度的设计，对应描述功能行为的不同可以 分为三类：软核(soft ip core)、固核(firm ip core)、硬核(hard ip core)o 2、嵌入式系统的组成 硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层 (1) 硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O (AD/DA)接口。 驱动器1 驱动器2 驱动器N 应用软 件层 系统软 件层 被控对象 传感器1 传感器2 传感器N 应用程序 文件系统 图形用户 接口 任务管理 实时撞 在作系统(RTOS) 中间层HSP田AL硬件抽象层/板极支持包— 硬件层 D/A 嵌入式微 处理器 通用接口 A/D ROM I/O SDRAM 入机交互接口 嵌入式计算机系统 图1-1嵌入式系统的典型组成 嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器 其中存储器包括：Cache,主存(ROM, RAM [SDRAM> DRAM、DDR]),辅存(硬 盘，各种卡)。 Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使 用最多的程序代码和数据。它的主要目标是利用程信局散性原理减小存储器给微处理器内核 造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。 (2) 中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP)：它将系统上层软件和底层 硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供 的接口开发即可，它是一■种麴件，可以提高程序的健壮性和可移植性* BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。 设计一个完整的BSP需要完成两部分工作： A、 嵌入式系统的硬件初始化和BSP板级初始化功能。 片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设 置成系统所要求的工作状态。 板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用 程序建立硬件和软件的运行环境。 系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。 B、 设计硬件相关的设备驱动。 例：(例题中选项是重点要仔细看，后面例题也是这个要求)： • (46)融把系毓件和布犒楠制来,从而大摩高了系纷舸咨 (46)A.硬糊京层B.财蝴层C.硬件交互层D.中何层 •关于硬件抽象层，以下描述中错误的是(43) o (43) A.硬件抽象层包括操作系统内核和驱动程序 B, 硬件抽象层将操作系统与硬件平台隔开 C, 硬件抽象层是一种软件 D, 硬件抽象层有利丁•系统的模块化设计 (3) 系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI(图形用户接口)、网络系统及通用组件模块 组成。 RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 (4) 应用软件层：由基于实时系统开发的应用程序组成。 3操作系统(后面有详细介绍) 4嵌入式微处理器体系结构 (1) 冯诺依曼结构：程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址 指向同一个存储器的不同物理位置，采用单一的地址及数据总线，程序和数据的宽度相同。 程序计数器 (PC) CPU 地址线 ==> 数据线 一；—A 程序指令 数据 存储器 特点：指令和数据的宽度相同，栏输敢率上会有瓶颈。 主要产品，英特尔公司CPU 8086, ARM7系歹U，MIPS公司产品 (2) 哈佛结构：程序和数据是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问, 是一种将程序存储和数据存储分开的存储器结构。例如：AYR、ARM9、ARM10- 程序计数器 (PC) 地址线 数据线 程序存储器 CPU 数据存储器 数据线A 特点：程序和数据在不同的空间，独立编址,独立访问。同一个周期可以同时访问数 据和程序指令。 (3) CISC 与 RISC 的特点比较(complex instruction set computer and reduced instruction set computer) 复杂指令集计算机:就是增加指令的多样性和指令码的长度来提高计算机的工作效率, 产品：X86, pentium系统PC机 精简指令集计算机：简化指令系统使计算机的结构更加合理，效率更高。 产品： MIPS公司产品，ARM公司产品 一般的:冯诺依曼结构是CISC,而哈佛结构是RISC 区别: 类别 CISC RISC 指令系统 胰数堂很多 较少，通常少千100 执行时间 有些指令的执行时间很长 没有较长的执行时间的指令 兼俭丑1〜1疏 编码长度固定，通篇为4钟 寻址林 寻址林多样 简单寻址 操作 可以对存储器和寄存者进行 算术和逻1操作 只能柄祐作，或昭典触 问寄存器，其余的操作都在寄存器中进行 编译 难以用优化编译器生成高效 的目标代碾序 可以用优佛译器生成高效的目标代瓣序 计算机执行程序所需要的时间P可以用下面公式计算： P=IXCPIXT I：高级语言程序编译后在机器上运行的指令数。 CPI：为执行每条指令所需要的平均周期数。 T：每个机器周期的时间。 计算的时候注意单位要统一。 流水线相关重点： (4) 流水线的思想：在CPU中把一条指令的串行执行过程变为若干指令的子过程在 CPU中重叠执行。 (5) 流水线的指标: 吞吐率：单位时间里流水线处理机流出的结果数。如果流水线的子过程所用时间不一样 长，则吞吐率应为最长子过程的倒数。 P=l/max(tl,t2,t3..) 建立时间：流水线开始工作到达最大吞吐率的时间。若m个子过程所用时间一样，均 为t,则建立时间T=mto •设指令由螂、分析、执行3个子部件完成，每个子部件的工作融均为冬,采 用款标晨觥水线处理机。着连缴行10条指令，献需时间⑶ (3) A. 8 B. 10 C. 12 D. 14 指令执行公式： tl+t2+..・+tk+max(tl,t2,t3,...,tk) X (n-1) •若每-条折令都可以分解为取指、分析和执行三步。已知取桐时间t瞬=4&,分 析时间3=3&,执行时间顷=5&。如果按串行方式执行完100条指令需要⑷△ t«如果按照流水线方式执行，执行完100条折令需要(5) (4) A. 1190 B. 1195 C. 1200 D. 1205 (5) A. 504 B. 507 C. 508 D. 510 (6) 信息存储的字节顺序 A、 存储器单位：字节(8位) B、 字长决定了微处理器的寻址能力，即虚拟地址空间的大小。 C、 32位微处理器的虚拟地址空间位2A32,即4GB。 D、 小端字节顺序：低字节在内存低地址处，高字节在内存高地址处(小顺)。 E、 大端字节顺序：高字节在内存低地址处，低字节在内存高地址处。 F、 网络设备的存储顺序问题取决于OSI模型底层中的数据链路层(网桥是数据链路层 设备)。 网络中调整字节顺序的函数： hton()----主机到网络；ntoh()-----网络到主机； 课件2：第三页例题要搞清楚 5、逻辑电路基础 (1) 根据电路是否具有存储功能，将逻辑电路划分为：组合逻辑电路和时序逻辑电路。 (2) 组合逻辑电路：电路在任一时刻的输出，仅取决于该时刻的输入信号，而与输入信 号作用前电路的状态无关。常用的逻辑电路有译码器和多路选择器等。 • 若某逻辑门输入A、B和输川F的波形如下图所示，则F(A, B)的表达式是 (23) A. F = A・ B B. F = A + B C. F = A©B D. F = A • B (3) 时序逻辑电路：电路任一时刻的输出不仅与该时刻的输入有关，而且还与该时刻电 路的状态有关。 因此，时序电路中必须包含记忆元件。触发器是构成时序逻辑电路的基础。常用的时序 逻辑电路有寄存器和计数器等。 触发器见课件2第二十六页逻辑功能要搞懂。 (4) 真值表、布尔代数、摩根定律、门电路的概念。(见课件2第十二页) (5)N0R(或非)和NAND(与非)的门电路称为全能门电路，可以实现任何一种逻辑函数。 (6)译码器：多输入多输出的组合逻辑网络。 每输入一个n位的二进制代码，在m个输出端中最多有一个有效。 当m=2n是，为全译码;当mv2n时，为部分译码。 •如下图所示，若低位地址（ A0-A11）接在内存芯片地址引脚上，高位地址（A12-A19） 进行片选译码（其中，A14和A16没有参加译码），11片选信号低电平有效，则对下图所示 的译码器，不属于此洋码空间的地址为（36）。 译码输出 B. BBOOOH -BBFFFH D. FEOOOH〜FEFFFH (36) A. ABOOOH-ABFFFH C. EFOOOH〜EFFFFH （7） 由于集成电路的高电平输出电流小，而低电平输出电流相对比较大，采用集成门电 路直接驱动LED时，较多采用低电平驱动方式。液晶七段字符显示器LCD利用液晶有外 加电场和无外加电场时不同的光学特性来显示字符。 （8） 时钟信号是时序逻辑的基础，它用于决定逻辑单元中的状态合适更新。同步是时钟 控制系统中的主要制约条件。 （9） 在选用触发器的时候，触发方式是必须考虑的因素。触发方式有两种： 电平触发方式（锁定触发器）：具有结构简单的有点，常用来组成暂存器。 边沿触发方式（D触发器）：具有很强的抗数据端干扰能力，常用来组成寄存器、计数 器等。 6、总线电路及信号驱动 （D总线是各种信号线的集合，是嵌入式系统中各部件之间传送数据、地址和控制信息 的公共通路。在同一时刻，每条通路线路上能够传输一位二进制信号。按照总线所 传送的信息类型，可以分为：数据总线（DB）、地址总缴AB）和控制总象CB）。 （2） 总线的特点：（1）挂接（2）争用 （3） 总线的主要参数： 总线带宽：一定时间内总线上可以传送的数据量，一般用MByte/s表示。 总线宽度：总线能同时传送的数据位数（bit）,即人们常说的32位、64位等总线宽度的 概念，也叫总线位宽 总线的位宽越宽，总线每秒数据传输率越大，也就是总线带宽越宽。 总线频率：工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高，则总线工作速度越快，也即 总线带宽越宽。 总线带宽=总线位宽X总线频率/8,单位是MBpSo 例：数据总线宽度64位、800MHz的前端总线（总线频率，有别于时钟频率），它的数 据传输率（带宽）就等于 64bit X 800MHz 4- 8（Byte）=6.4GB/s ■在燃就系统中，若时贼勒测HzMiF个32碑需要5个时朋 娜顼该诚系物数那漩率为」 （28） A.200 B.400 C.600 D.800 注意这是时钟频率不是总线频率了 常用总线：ISA总线（串行总线）、PCI总线（并行总线）、IIC总线（也叫I2C,串行 总线）、SPI总线（串行总线）、PC104总线和CAN总线（串行总线）等。 （3） 只有具有三态输出的设备才能够连接到数据总线上，常用的三态门为输出缓冲器。 课件中第五页。 （4） 当总线上所接的负载超过总线的负载能力时，必须在总线和负载之间加接缓冲器或 驱动器，最常