嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識總結(jié)

嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識總結(jié)嵌入式系統(tǒng)是用來控制或者監(jiān)視機器、裝置、工廠等大規(guī)模設(shè)備的系統(tǒng)。以下是關(guān)于嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識總結(jié)，歡迎大家認真閱讀！1、 嵌入式系統(tǒng)的定義定義：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的4個階段：無操作系統(tǒng)階段、簡單操作系統(tǒng)階段、實時操作系統(tǒng)階段、面向Internet階段。知識產(chǎn)權(quán)核(IP核)：具有知識產(chǎn)權(quán)的、功能具體、接口規(guī)范、可在多個集成電路設(shè)計中重復(fù)使用的功能模塊，是實現(xiàn)系統(tǒng)芯片(SOC)的基本構(gòu)件。IP核模塊有行為、結(jié)構(gòu)和物理3級不同程度的設(shè)計，對應(yīng)描述功能行為的不同可以分為三類：軟核、固核、硬核。2、 嵌入式系統(tǒng)的組成包含:硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層硬件層：嵌入式微處理器、存儲器、通用設(shè)備接口和I/O接口。嵌入式核心模塊二微處理器+電源電路+時鐘電路+存儲器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)。它的主要目標是減小存儲器給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快。中間層(也稱為硬件抽象層HAL或者板級支持包BSP).它將系統(tǒng)上層軟件和底層硬件分離開來，使系統(tǒng)上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口開發(fā)即可。BSP有兩個特點：硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性。設(shè)計一個完整的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。片級初始化：純硬件的初始化過程，把嵌入式微處理器從上電的默認狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。板級初始化：包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程，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行環(huán)境。系統(tǒng)級初始化：以軟件為主的初始化過程，進行操作系統(tǒng)的初始化。B、設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。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)和開發(fā)平臺。應(yīng)用軟件：由基于實時系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成。3、 實時系統(tǒng)定義：能在指定或確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步時間做出響應(yīng)的系統(tǒng)。區(qū)別：通用系統(tǒng)一般追求的是系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間和用戶的使用方便;而實時系統(tǒng)主要考慮的是在最壞情況下的系統(tǒng)行為。特點：時間約束性、可預(yù)測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。硬實時(強實時)：指應(yīng)用的時間需求應(yīng)能夠得到完全滿足，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。軟實時(弱實時)：指某些應(yīng)用雖然提出了時間的要求，但實時任務(wù)偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運行及環(huán)境不會造成嚴重影響，如：監(jiān)控系統(tǒng)、實時信息采集系統(tǒng)。任務(wù)的約束包括：時間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。4、 實時系統(tǒng)的調(diào)度調(diào)度：給定一組實時任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個任務(wù)何時何地執(zhí)行的整個過程。搶占式調(diào)度：通常是優(yōu)先級驅(qū)動的調(diào)度，如uCOS。優(yōu)點是實時性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對簡單，可以保證高優(yōu)先級任務(wù)的時間約束;缺點是上下文切換多。非搶占式調(diào)度：通常是按時間片分配的調(diào)度，不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，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)點是上下文切換少;缺點是處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。靜態(tài)表驅(qū)動策略：系統(tǒng)在運行前根據(jù)各任務(wù)的時間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運行時刻表，指明各任務(wù)的起始運行時刻及運行時間。優(yōu)先級驅(qū)動策略：按照任務(wù)優(yōu)先級的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。實時任務(wù)分類：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。實時系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)采集任務(wù)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，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)行機構(gòu)管理任務(wù)控制機構(gòu)執(zhí)行。5、嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序和數(shù)據(jù)的寬度相同。例如：8086、ARM7、MIPS…哈佛結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問，是一種將程序存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、ARM9、ARM10…CISC與RISC的特點比較。計算機執(zhí)行程序所需要的時間P可以用下面公式計算：P=IXCPIXTI：高級語言程序編譯后在機器上運行的指令數(shù)。CPI：為執(zhí)行每條指令所需要的平均周期數(shù)。T：每個機器周期的時間。流水線的思想：在CPU中把一條指令的串行執(zhí)行過程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^程在CPU中重疊執(zhí)行。流水線的指標：吞吐率：單位時間里流水線處理機流出的結(jié)果數(shù)。如果流水線的子過程所用時間不一樣長，則吞吐率應(yīng)為最長子過程的倒數(shù)。建立時間：流水線開始工作到達最大吞吐率的時間。若m個子過程所用時間一樣，均為t，則建立時間T=mt。信息存儲的字節(jié)順序A、 存儲器單位：字節(jié)(8位)B、 字長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(jié)順序：低字節(jié)在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)在內(nèi)存高地址處。E、 大端字節(jié)順序：高字節(jié)在內(nèi)存低地址處，低字節(jié)在內(nèi)存高地址處。F、 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存儲順序問題取決于OSI模型底層中的數(shù)據(jù)鏈路層。6、邏輯電路基礎(chǔ)根據(jù)電路是否具有存儲功能，將邏輯電路劃分為：組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路：電路在任一時刻的輸出，僅取決于該時刻的輸入信號，而與輸入信號作用前電路的狀態(tài)無關(guān)。常用的邏輯電路有譯碼器和多路選擇器等。時序邏輯電路：電路任一時刻的輸出不僅與該時刻的輸入有關(guān)，而且還與該時刻電路的狀態(tài)有關(guān)。因此，時序電路中必須包含記憶元件。觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的基礎(chǔ)。常用的時序邏輯電路有寄存器和計數(shù)器等。真值表、布爾代數(shù)、摩根定律、門電路的概念。NOR(或非)和NAND(與非)的門電路稱為全能門電路，可以實現(xiàn)任何一種邏輯函數(shù)。譯碼器：多輸入多輸出的組合邏輯網(wǎng)絡(luò)。每輸入一個n位的二進制代碼，在m個輸出端中最多有一個有效。當m=2n是，為全譯碼;當m<2n時，為部分譯碼。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，采用集成門電路直接驅(qū)動LED時，較多采用低電平驅(qū)動方式。液晶七段字符顯示器LCD利用液晶有外加電場和無外加電場時不同的光學(xué)特性來顯示字符。時鐘信號是時序邏輯的基礎(chǔ)，它用于決定邏輯單元中的狀態(tài)合適更新。同步是時鐘控制系統(tǒng)中的主要制約條件。在選用觸發(fā)器的時候，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(jié)構(gòu)簡單的有點，常用來組成暫存器。邊沿觸發(fā)方式：具有很強的抗數(shù)據(jù)端干擾能力，常用來組成寄存器、計數(shù)1器^等O7、總線電路及信號驅(qū)動總線是各種信號線的'集合，是嵌入式系統(tǒng)中各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。在同一時刻，每條通路線路上能夠傳輸一位二進制信號。按照總線所傳送的信息類型，可以分為：數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)?？偩€的主要參數(shù)：總線帶寬：一定時間內(nèi)總線上可以傳送的數(shù)據(jù)量，一般用MByte/s表示。總線寬度：總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)(bit)，即人們常說的32位、64位等總線寬度的概念，也叫總線位寬?？偩€的位寬越寬，總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大，也就是總線帶寬越寬?？偩€頻率：工作時鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬?？偩€帶寬二總線位寬X總線頻率/8，單位是MBps。常用總線：ISA總線、PCI總線、IIC總線、SPI總線、PC104總線和CAN總線等。只有具有三態(tài)輸出的設(shè)備才能夠連接到數(shù)據(jù)總線上，常用的三態(tài)門為輸出緩沖器。當總線上所接的負載超過總線的負載能力時，必須在總線和負載之間加接緩沖器或驅(qū)動器，最常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅(qū)動和隔離。采用總線復(fù)用技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線和地址總線的共用。但會帶來兩個問題：A、 需要增加外部電路對總線信號進行復(fù)用解耦，例如：地址鎖存器。B、 總線速度相對非復(fù)用總線系統(tǒng)低。(6)兩類總線通信協(xié)議：同步方式、異步方式。對總線仲裁問題的解決是以優(yōu)先級(優(yōu)先權(quán))的概念為基礎(chǔ)。8、電平轉(zhuǎn)換電路數(shù)字集成電路可以分為兩大類：雙極型集成電路(TTL)、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)。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。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來決定，不同系列的TTL應(yīng)選用不同的R值。9、 可編程邏輯器件基礎(chǔ)這方面的內(nèi)容，從總體上有個概念性的認識應(yīng)該就可以了。10、 嵌入式系統(tǒng)中信息表示與運算基礎(chǔ)進位計數(shù)制與轉(zhuǎn)換：這樣比較簡單，也應(yīng)該掌握怎么樣進行換算，有出題的可能。計算機中數(shù)的表示：源碼、反碼與補碼。正數(shù)的反碼與源碼相同，負數(shù)的反碼為該數(shù)的源碼除符號位外按位取反。正數(shù)的補碼與源碼相同，負數(shù)的補碼為該數(shù)的反碼加一。例如-98的源碼：111****10B反碼：10011101B補碼：10011110B定點表示法：數(shù)的小數(shù)點的位置人為約定固定不變。浮點表示法：數(shù)的小數(shù)點位置是浮動的，它由尾數(shù)部分和階數(shù)部分組成。任意一個二進制N總可以寫成：N=2PXS。S為尾數(shù)，P為階數(shù)。漢字表示法，搞清楚GB2318-80中國標碼和機內(nèi)碼的變換。語音編碼中波形量化參數(shù)(可能會出簡單的計算題目哦)采樣頻率：一秒內(nèi)采樣的次數(shù)，反映了采樣點之間的間隔大小。人耳的聽覺上限是20kHz，因此40kHz以上的采樣頻率足以使人滿意。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(shù)：單聲道和立體聲雙道。立體聲需要兩倍的存儲空間。11、 差錯控制編碼根據(jù)碼組的功能，可以分為檢錯碼和糾錯碼兩類。檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)差錯的碼，例如奇偶檢驗碼;糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能自動糾正差錯的碼，例如循環(huán)冗余校驗碼。奇偶檢驗碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。12、 嵌入式系統(tǒng)的度量項目性能指標：分為部件性能指標和綜合性能指標，主要包括：吞吐率、實時性和各種利用率?？煽啃耘c安全性可靠性是嵌入式系統(tǒng)最重要、最突出的基本要求，是一個嵌入式系統(tǒng)能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時間MTBF來度量。可維護性：一般用平均修復(fù)時間MTTR表示?？捎眯怨沫h(huán)境適應(yīng)性通用性安全性保密性可擴展性性價比中的價格，除了直接購買嵌入式系統(tǒng)的價格外，還應(yīng)包含安裝費用、若十年的運行維修費用和軟件租用費。13、嵌入式系統(tǒng)的評價方法：測量法和模型法(1)測量法是最直接最基本的方法，需