嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試筆記

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試筆記之嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試筆記之嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)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(zhuān)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(wú)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Inter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

2、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(lèi)：軟核、固核、硬核。2、嵌入式系統(tǒng)的組成：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IO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

3、減小存儲(chǔ)器給微處理器內(nèi)核造成的存儲(chǔ)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(jí)支持包BSP）：它將系統(tǒng)上層軟件和底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統(tǒng)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(jù)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(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(guò)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

4、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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。（4）應(yīng)用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)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)

5、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(hù)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(mǎn)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)

6、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(guò)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

7、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(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(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

8、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(xiàn)，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(fǎng)問(wèn)，是一種將程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、

9、ARM9、ARM10…（3）CISC與RISC的特點(diǎn)比較（參照教程22頁(yè)）。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=ICPIT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)

10、碼為該數(shù)的反碼加一。例如－98的源碼：11100010B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(xiě)成：N=2PS。S為尾數(shù)，P為階數(shù)。（4）漢字表示法（教程67、68頁(yè)），搞清楚GB231880中國(guó)標(biāo)碼和機(jī)內(nèi)碼的變換。（5）語(yǔ)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

11、的次數(shù)，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(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(lèi)。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)

12、碼。（2）奇偶檢驗(yàn)碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。（教程70到77頁(yè)）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(lái)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）

13、保密性（10）可擴(kuò)展性性?xún)r(jià)比中的價(jià)格，除了直接購(gòu)買(mǎi)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(wèn)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(huà)系統(tǒng)的模型，而模擬模型法是用模擬程序

14、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(wèn)題：設(shè)計(jì)模型、解模型、校準(zhǔn)和證實(shí)模型。真題解析1、2007年4、5題若每一條指令都可以分解為取指、分析和執(zhí)行三步。已知取指時(shí)間t取指＝4△t，分析時(shí)間t分析＝3△t，執(zhí)行時(shí)間t執(zhí)行＝5△t。如果按串行方式執(zhí)行完100條指令需要（4）△t。如果按照