计算机三级(嵌入式)

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1、嵌入式系统开发的基础知识一、嵌入式系统的特点、分类、发展与应用。嵌入式系统的特点：1.专用性 2.隐蔽性 3.资源受限4.高可靠性5.实时性 6.软件固化 嵌入式系统的分类和发展：嵌入式系统分类有很多种：用途分类、实时性分类、产品形态分类、系统的复杂程度分 类。用途：军用、工业、民用。实时性：非实时性、软实时性和硬实时性。 产品形态：系统级产品（以标准机柜形式提供的工控机 PC104 模块等）、板级产品（带 CPU的主板及OEM产品）、片级产品（Soc、DSP、MCU、微处理器等）。复杂程度：低端、中断、高端。低端：采用4 位/8 位单片机（计算器，电子玩具，充电器，空调等）。中断：采用8 位

2、/16 位单片机或32 位处理器（普通手机、摄像机，电视游戏机等）。 高端：采用32 位/64 位处理器，支持连接网络（智能手机。高端数码摄像机等）。 嵌入式系统发展：20 世纪 60 年代：阿波罗导航计算机采用嵌入式系统。20 世纪 70 年代：真正意义上的嵌入式系统从20 世纪 70 年代发展起来的。20 世纪 80 年代：许多外围电路被集成到处理器芯片中，以8 位到 16 位处理器为主， 通用性差，CPU种类多，低兼容等。20 世纪 90 年代集成电路进入超深亚微米乃至纳米加工时代， Soc 出现。以32 位精简指 令集计算机处理器（RISC）和嵌入式操作系统（EOS）位标志。至今，向高

3、端扩展，操作系统内核精小，功能完善，模块化程度高，开发工具齐备， 嵌入式应用软件丰富发展。二、嵌入式系统的组成与微电子技术（集成电路、SOC、IP核等技术的作用和发展）。处理器由运算器、控制器、寄存器、高速缓冲存储器Cache等部件组成。有些嵌入式系统会包含多个处理器，他们各有其不同的任务，其中负责运行系统软件和 应用软件的主处理器成为CPU，其余的都是协处理器，例如数字信号处理器、图形处理 器、通信处理器等。 CPU 是任何计算机不可或缺的核心部件。 CPU 的字长有4 位， 8 位， 16 位， 32 位， 64 位之分。字长指的是 CPU 中通用寄存器和定点运算器的二进位宽度。 现在嵌入

4、式系统中使用最多的是8位和16位CPU，但是32位和64位是技术发展的主 流。通用计算机以64 位为主。嵌入式系统的性能很大程度是由 CPU 决定的：主频、指令系统、高速缓冲寄存器的容量 与结构、逻辑结构。存储器包括随机存取存储器 RAM 和只读存储器 ROMRAM为易失性存储器包括：动态随机存储器DRAM和静态随机存储器SRAM。DRAM用 作正在运行处理的程序数据的工作存储器；SRAM则用作程序和数据的高速缓冲寄存器 Cache。ROM分为：掩膜只读存储器Mask ROM、电可擦除可编程制度存储器EEPROM、闪速存储器 Flash ROM。Flash ROM分为两类：非型NOR Flas

5、h和与非型NAND Flash。NOR Flash中的数据以字节 为单位可直接被CPU执行。而NAND以行（页）的形式，先被RAM读取，再使用。扩 充：iPhone5s采用的Soc芯片A7,片内包含三级Cache存储器（64kB+64KB, 1MB, 4MB）, 还以堆叠的方式安装了 1GB的DRAM和NAND Flash ROM 16GB、32GB、64GB供用户使 用。无扩充存储器（集成在电路板上的）。I/O 设备分为人机交互（键盘等）和机机交互（各种传感器）， I/O 接口从数据传输来 看，有并行和串行之分；从物理连接方式来看有无线和有线之分；从是否能连接多个设 备来看分为总线和独占式。

6、数据总线简称总线，由传输线和控制电路组成，将系统内部部件连接在一起的位内部总 线，与外部组件进行连接的外部总线。软件分为低端和高端嵌入式系统软件，低端的不需要操作系统，只需要配置一个监控程 序，若干设备驱动程序和事件处理程序即可；高端嵌入式系统的软件包括：板级支持包（BSP）,设备驱动程序、实时操作系统、中间件以及嵌入式应用软件等组成。BSP 和驱动程序属于底层软件，是操作系统和硬件的抽象层，负责屏蔽具体的硬件细节 和差异。向操作系统提供统一的标准接口。实时操作系统是整个嵌入式系统的核心。完成任务调度、存储分配、文件管理、人机交 互等功能，应用软件的平台。中间件位于实时操作系统和应用软件之间。

7、为上层的应用软件提供开发和运行环境。由 于它向应用软件提供统一的标准接口，使应用软件的开发独立于硬件和操作系统，使应 用软件在不同系统上运行，降低开发成本。嵌入式处理芯片嵌入式 CPU 个特点： 1.支持实时处理2.低功耗3.结构可扩展4.集成了测试芯片。嵌入式处理器4种产品类型：微处理器2数字信号处理器3微控制器4片上系统（Soc）。 电子设计自动化（EDA）,随着EDA水平和VLSI制造技术飞速发展，半导体加工工艺已 经从微米、亚微米进入深亚微米，单个芯片可以简称几亿个甚至几十亿哥晶体管，因而 可以把计算机或其他一些电子系统的电路全部集成在单个芯片上，这种芯片简称片上系 统。SOC芯片的设

8、计流程：1总体设计、2逻辑设计、3综合与仿真、4芯片制造IP 核及其复用：知识产权核。三、数字媒体基础（文本、图像和音频/视频等数字媒体的表示和处理）。数字文本： 将文字输入嵌入式系统的方式有两种：一种是基于汉字拼音的键盘输入；另一种是用手 指或专门的笔在触屏上进行书写。无论哪种途径，输入的数字文本在系统内部均采用二 进制编码。西文编码：ASCII码是7位编码，最高位一般在计算机内部通常保持为0，在数据传输中 为奇偶校验位。（西方国家）中文编码：国家标准有GB2312和GB18030。GB2312包含3755个一级常用汉字和3008 个二级常用汉字，此外还有682个图形符号（包括拉丁字母，俄文

9、，日文，汉语拼音等）， 采用16位二进制表示,GB2312仅有6763个汉字，而且为简体字，明显不够用；GB18030， 共含有11万个字符，其中7万汉字，GB18030采用不等长的编码方式，包括单字节编 码（128个）ASCII字符，与ASCII码兼容，双字节表示汉字，与GB2312保持兼容，还 有 158 万个四字节编码用于表示其他字符。（我国）UCS/Unicode 编码：随着经济全球化趋势的加快，使用计算机统一处理，存储和传输包 含世界各地各种语言文字的需求日益迫切。目前Unicode共约11万个字符，其中包括： 拉丁字母，音节文字，数字符号，中日韩统一汉字（CJK）等。为了适应各种不

10、同的平 台， UCS/Unicode 码在计算机实现采用不同的编码方案，最常用的两种： UTF-8 和 UTF-16.UTF-8是单字节可变长编码,ASCII码还是用单字节表示，而拉丁字母等用双字节， CJK同3字节表示，不常用的用四字节表示，被Linux广泛使用。UTF-16是双字节可变 长编码，ASCII码，拉丁，CJK汉字都是双字节表示，其他的不常用的用4字节表示。（国 际）文本类型：简单文本（.txt），丰富格式文本（.doc .html .pdf），超文本（网页）。 文本的制作和展现：制作用 WPS， Word， Openoffice writer 等；展现：字符的描述有两 种方法：

11、点阵法和轮廓法。数字图像 数字图像的获取：扫描-分色-取样-量化； 主要参数：图像大小，位平面数目，像素深度，颜色模型。图像大小：800X600，最高 1920X1080 ；位平面数目：即像素颜色分量的数目，黑白或灰度图像只有一个位平面， 彩色图像有3个或者更多。像素深度：单色图像，像素深度为8位，总数为256.又如 R、G、B 三基色，最多为 1600 多万种，这成为真彩色。 数字图像常用文本格式及应用：一幅图像的数据量计算公式：图像数据量=图像水平分辨率X图像垂直分辨率X像素深度/8.（单位字节） 数据压缩可分为：无损压缩，和有损压缩。无损压缩：BMP （Windows操作系统下使用标准图

12、像文件格式），TIF （扫描仪），GIF （互 联网广泛使用），PNG （主要在互联网）；有损压缩：JPEG （数码相机）。数字音频与数字视频音频/视频信息的数字化：取样-量化-编码。数字音频的主要参数：波形声音的码率（每秒数据量）=取样频率X量化位数X声道数。 数字音频的压缩格式：未压缩：wav （支持广泛，存储空间大）；无损压缩：Flac，APE， M4A （苹果公司）；有损压缩：MP3 （音乐，互联网），WMA （互联网，音乐），AC3 （影 院，数字电视），AAC （影院数字电视）。数字视频的压缩：国际标准MPEG格式（.dat .mpg .mp4 .vob .3gp .3g2）,和微

13、软的AVI和ASF格式 （适合流媒体），苹果的QTFF格式（.Mov .qt目前互联网很多视频为RMVB格式，其 中.asf .wmv .rm .rmvb .flv .f4v均支持流式传输，能够实时传输和实时播放；四、网络通信技术（数字通讯与计算机网，TCP/IP协议，互联网接入技术等）。数字通信的传播技术：1）调制与解调技术、2）多路复用技术（分为时分复用和频分复 用，时分复用是所有终端轮流在同一传输线上进行传输，频分复用将每个信号源发出的 信号调制在不同的频率的载波上，通过多路复用器将他们复合成一个信号，在同一传输 线上进行传输。光纤通信是频分复用的一种）、3）交换技术（电话交换技术，分组

14、交换）。 计算机网络：由计算机等智能电子设备、数据通信链路（双绞线，同轴电缆，调制解调 器，光缆，交换机等）、通信协议、网络软件组成。按类型分为：局域网，城域网，广 域网。局域网采用分组交换技术，发送设备必须把传输的数据分成小块，一次只能传输1 帧数 据，数据帧包括，发送设备的MAC地址，和接收设备的MAC地址还有校验信息。按结 构分为：星型网，环形网，总线型网，混合型网等，按照控制方式分为：以太网， FDDI 网和令牌网。早期使用集线器形成总线式以太网或共享式以太网。现在流行用交换机构 成交换式以太网，以太网中，每台终端设备通过网卡和网线（双绞线）链接到集线器或 者转换机中。无线局域网：主要

15、是2.4GHz和5.8GHZ两个频段。采用IEEE 802.11（俗称wifi）。IEEE 802.11n能将传输速率提升到108Mb/s甚至更高，近些年使用的IEEE802.11ac协议能将传输速率 提高到1000MB/S。无线接入点称为（WAP或AP）。无线接收点称为终端，需要配置网 卡。IP协议与路由器IP地址：为使计算机统一编制，解决这个问题就要用TCP/IP中的IP协议。IP地址第四版，又32位二进制构成，能形成36个IP地址可以使用。但是现在已经几 乎分配完，开始使用IPV6，为128位二进制构成。互联网接入技术：1）ADSL接入（通过固定电话的本地环路，接入互联网）。2）有线电

16、视网接入 3）光纤入网 4）无线入网。嵌入式处理器一、嵌入式处理器的结构、特点与分类（不同类型的典型嵌入式处理 器及其特点，嵌入式处理器分类等）。嵌入式处理器的体系结构按照指令分为两大类：复杂指令集结构（CISC ）及精简指 令集结构（RISC）。进一步细分，按储存机制分为：冯诺依曼结构和哈弗结构。按字长 分为 8 位、16位、32位和64位结构。按照不同内核系列分为： 51、AVR、PIC、MSP430、 MIPAS、PowerPC、MC68K、ARM 等。CISC指令集结构特点：指令数目多且结构复杂，塔包含许多很少用的专用指令，不 同指令长度不一样，执行时间长短不一。In tel X86系列使用的为CISC指令集；RISC 指令集特点：指令数目较少，指令字长统一，格式规整，寻址模式较为单纯