計(jì)算機(jī)三級(jí)嵌入式知識(shí)點(diǎn)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——計(jì)算機(jī)三級(jí)嵌入式知識(shí)點(diǎn)一、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)

1．嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類、發(fā)展與應(yīng)用，熟悉嵌入式系統(tǒng)的規(guī)律組成。

（1）特點(diǎn)：專用性

隱蔽性（嵌入式系統(tǒng)是被包裝在內(nèi)部）

資源受限（要求小型化、輕型化、低功耗及低成本，因此軟硬件資源受到限制）高可靠性（任何誤動(dòng)作都可能會(huì)產(chǎn)生致命的后果）

軟件固化（軟件都固化在只讀存儲(chǔ)器ROM中，用戶不能隨意更改其程序功能）實(shí)時(shí)性

（2）規(guī)律組成

硬件：1)處理器（運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器）

目前所有的處理器都是微處理器中央處理器（CPU）和協(xié)助處理器（數(shù)字信號(hào)處理器DSP、圖像處理器、通信處理器）

2)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM）

RAM分為動(dòng)態(tài)DRAM和靜態(tài)SRAM兩種。DRAM電路簡(jiǎn)單、集成度高、功

耗小、成本低，但速度稍漸漸；SRAM電路較繁雜、集成度低、功耗較大、成本高，但工作速度很快，適合用作指令和數(shù)據(jù)的高速緩沖存儲(chǔ)器

RAM當(dāng)關(guān)機(jī)或斷電時(shí)，其中的信息都會(huì)消失，屬于易失性存儲(chǔ)器ROM屬于不易失性存儲(chǔ)器。分為電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（存放固件）和閃速存儲(chǔ)器（FlashROM簡(jiǎn)稱內(nèi)存）。內(nèi)存的工作原理：在低壓下，存儲(chǔ)的信息可讀但不可寫，這類似于ROM；在較高的電壓下，所存儲(chǔ)的信息可以更改和刪除，這有類似于RAM。

3)I/O設(shè)備與I/O接口4)數(shù)據(jù)總線

軟件

（3）分類

按嵌入式系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)繁雜程度進(jìn)行分類：

1)低端系統(tǒng)采用4位或8位單片機(jī)，在工控領(lǐng)域和白色家電領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，

如計(jì)算器、遙控器、充電器、空調(diào)、傳真機(jī)、BP機(jī)等。

2)中端系統(tǒng)采用8位/16位/32位單片機(jī)，主要用于普通手機(jī)、攝像機(jī)、錄

像機(jī)、電子游戲機(jī)等。

3)高端系統(tǒng)采用32位/64位單片機(jī)，主要用于智能手機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掌上

計(jì)算機(jī)、路由器、數(shù)碼相機(jī)等。

（4）發(fā)展

20世紀(jì)60年代初，第一個(gè)工人的現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)（阿波羅導(dǎo)航計(jì)算機(jī)）20世紀(jì)60年代中期，嵌入式計(jì)算機(jī)批量生產(chǎn)

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20世紀(jì)70年代，微處理器出現(xiàn)

20世紀(jì)80年代中期，外圍電路的元器件被集成四處理器芯片中，昂貴的模擬電路

元件能被數(shù)字電路替代

20世紀(jì)90年代中期SOC出現(xiàn)，集成電路進(jìn)入超深亞微米乃至納米加工時(shí)代

2．嵌入式系統(tǒng)的組成與微電子技術(shù)（集成電路、EDA、SoC、IP核等技術(shù)的作用和發(fā)展）

（1）集成電路IC

集成電路的制造大約需要幾百道工序，工藝繁雜。集成電路是在硅襯底上制作而成的。硅襯底是將單晶硅錠經(jīng)切割、研磨和拋光后制成的像鏡面一樣光滑的圓形薄片，它的厚度不足1mm，其直徑可以是6、8、12英寸甚至更大這種硅片稱為硅拋光片，用于集成電路的制造。

制造集成電路的工藝技術(shù)稱為硅平面工藝，包括氧化、光刻、摻雜等多項(xiàng)工序。

把這些工序反復(fù)交織使用，最終在硅片上制成包含多層電路及電子元件的集成電路。

集成電路的特點(diǎn)：體積小、重量輕、可靠性高。其工作速度主要取決于規(guī)律門

電路的晶體管的尺寸。尺寸越小，工作頻率就越高，門電路的開(kāi)關(guān)速度就越快。

（2）EDA（電子信號(hào)自動(dòng)化）（3）SoC芯片（片上系統(tǒng)）

既包含數(shù)字電路，也可以包含模擬電路，還可以包含數(shù)模混合電路和射頻電路。SoC芯片可以是一個(gè)CPU，單核SoC，也可以由多個(gè)CPU和/或DSP，即多核SoC。開(kāi)發(fā)流程：

（1）總體設(shè)計(jì)可以采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言SystemC（或稱IEEE1666，它是C++的擴(kuò)展）或SystemVetilog語(yǔ)言對(duì)SoC芯片的軟硬件作統(tǒng)一的描述，依照系統(tǒng)需求說(shuō)明書(shū)確定SoC的性能能參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)全局的設(shè)計(jì)。

（2）規(guī)律設(shè)計(jì)將總體設(shè)計(jì)的結(jié)果用RTL（寄放器傳輸級(jí)描述語(yǔ)言）語(yǔ)言進(jìn)行描述（源文件）后，在使用規(guī)律綜合將源文件進(jìn)行綜合生成，生成最簡(jiǎn)的布爾表達(dá)式核心好的連接關(guān)系（以類型為EDF的EDA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件表示）（3）綜合和仿真

（4）芯片制造借助EDA中的布局布線工具

（4）IP核

IC設(shè)計(jì)文件：規(guī)律門級(jí)，包括各種基本的門電路；寄放器傳輸級(jí)，如寄放器、核庫(kù)中的設(shè)計(jì)文件均屬于知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP保護(hù)的范疇，所以稱為“知識(shí)產(chǎn)權(quán)核〞

譯碼器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；行為級(jí)，如CPU、DSP、存儲(chǔ)器、總線與接口電路等。

或“IP核〞。

IP核是開(kāi)發(fā)SoC的重要保證。按IC設(shè)計(jì)文件的類型，IP尋常分為：軟核、固

核、硬核。IP核的復(fù)用可以減少研發(fā)成本，縮短研發(fā)時(shí)間，是實(shí)現(xiàn)SoC的快速設(shè)計(jì)，盡早投放市場(chǎng)的有效途徑。

目前主要的CPU內(nèi)核有ARM、MIPS、PowerPC、Coldfile、x86、8051等。ARM

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內(nèi)核占所有32位嵌入式RISC處理器的90%以上。

3．嵌入式系統(tǒng)與數(shù)字媒體（文本、圖像和音頻/視頻等數(shù)字媒體的表示與處理）

（1）文本

含義：在計(jì)算機(jī)中的文字信息，最常用的一種數(shù)字媒體。字符集及其編碼

1）西方字符的編碼

ASCII字符集和ASCII編碼，基本的ASCII字符集共128個(gè)字符，每個(gè)字符使用7個(gè)二進(jìn)位制進(jìn)行編碼。

2）漢字的編碼

漢子國(guó)家編碼標(biāo)準(zhǔn)有GB2312和GB18030。每個(gè)漢字用2個(gè)字節(jié)表示。GB2312只有6763個(gè)漢字，經(jīng)常不夠用。GB18030字符集與UCS/Unicode字符集基本兼容，采用不等長(zhǎng)的編碼方法，單字節(jié)編碼表示ASCII字符，與ASCII碼兼容；雙字節(jié)表示漢字，與GB2312保持向下兼容（即GB2312中有的GB18030字符集都有）

3）UCS/Unicode編碼1）簡(jiǎn)單文本

只能順序閱讀。

有插圖、對(duì)文字顏色等定義，調(diào)整頁(yè)面，文本布局，插入聲音視頻等。通過(guò)超鏈接實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)、導(dǎo)航、回溯等操作2）豐富格式文本3）超文本

文本類型

（2）圖像

圖像獲取過(guò)程的核心是模擬信號(hào)的數(shù)字化，處理步驟為：

1）掃描將畫(huà)面網(wǎng)格化，每個(gè)網(wǎng)格為一個(gè)取樣點(diǎn)2）分色將每個(gè)取樣點(diǎn)的顏色分解成三原色3）取樣測(cè)量每個(gè)取樣點(diǎn)的每個(gè)分量（基色）亮度值4）量化把模擬量使用數(shù)字量來(lái)表示，A/D轉(zhuǎn)換

數(shù)字圖像的主要參數(shù)：圖像大小(水平分辯率*豎直分辯率)、位平面數(shù)目、像素深度、顏色模型

一幅圖像的數(shù)據(jù)量計(jì)算公式：

圖像數(shù)據(jù)量=圖像大小*像素深度/8

（3）音頻/視頻

音頻/視頻信息的數(shù)字化，處理步驟為：

1）取樣

2）量化3）編碼

3

數(shù)字音頻的主要參數(shù)：取樣頻率、量化位數(shù)、聲道數(shù)目、使用的壓縮編碼方法、比特率（每秒鐘的數(shù)據(jù)量）

壓縮前波形聲音的碼率（比特率）=取樣頻率*量化為數(shù)*聲道數(shù)（單位b/s）壓縮后碼率=壓縮前碼率/壓縮倍數(shù)（壓縮比）

4．嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（數(shù)字通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，TCP/IP協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)等）

（1）數(shù)字通信（2）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（3）音頻/TCP/IP協(xié)議

（4）互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)

二、嵌入式處理器

1．嵌入式處理器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與分類（不同類型的典型嵌入式處理器及其特點(diǎn)，嵌入式處理器分類等）

（1）不同內(nèi)核嵌入式微控制器性能比較

性能內(nèi)核51內(nèi)核其他8位內(nèi)核16位內(nèi)核其他32位內(nèi)核ARMCortex-M內(nèi)核處理速度低能耗代碼密度內(nèi)存>64KB向量中斷低中段延時(shí)低成本多供資源編譯器選擇軟件可移植性差好差差好好好好好好差好差差好好好差一般一般一般好一般差好好好差一般一般好差差好一般差差差一般一般好好好好好好好好好好

4

（2）馮–諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的區(qū)別

（3）分類

按指令集分為：繁雜指令集結(jié)構(gòu)CISC和精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)RISC按存儲(chǔ)機(jī)制分為：馮–諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)按字長(zhǎng)分為：8位、16位、32位、64位結(jié)構(gòu)

按不同內(nèi)核系列可以分為：51、AVR、PIC、MSP430、PowerPC、Coldfile、ARM

（4）不同典型內(nèi)核簡(jiǎn)介

內(nèi)核系列51推出公司Intel內(nèi)核結(jié)構(gòu)CISC哈佛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單描述8位字長(zhǎng)，常用于簡(jiǎn)單的檢測(cè)與控制應(yīng)用領(lǐng)域，最早被稱為單片機(jī)。其價(jià)格低，應(yīng)用資料齊全，開(kāi)發(fā)工具低廉，開(kāi)發(fā)周期短，成本低，因此被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)。隨著1T改進(jìn)型51內(nèi)核的推出，加上大量器件廠家增加了自己的特色組件，51系列還在使用。兩者連接CPU程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的方式不同

馮–諾依曼結(jié)構(gòu)

CPU程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器哈佛結(jié)構(gòu)程序存儲(chǔ)器CPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

程序總線

數(shù)據(jù)總線

AVRAtmelRISC哈佛結(jié)構(gòu)8位、16位和32位三類字長(zhǎng)的微控制器內(nèi)核，以適應(yīng)不同應(yīng)用層次的要求。主要特點(diǎn)是高性能、高速度、低功耗。8位、16位和32位三類字長(zhǎng)的微控制器內(nèi)核，以適應(yīng)不同應(yīng)用層次的要求。主要用于工業(yè)控制，主要優(yōu)勢(shì)是針對(duì)性強(qiáng)，特別是抗干擾能力強(qiáng)。PICMicrochipRISC哈佛結(jié)構(gòu)MSP430TIRISC馮-結(jié)構(gòu)16位字長(zhǎng)的微控制器區(qū)內(nèi)核，廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，突出特點(diǎn)就是以超低功耗著稱全球。高性能高檔次32位和64位處理器內(nèi)核。主要特點(diǎn)是適應(yīng)于高速、大數(shù)據(jù)吞吐量應(yīng)用場(chǎng)合高性能高檔次含有32位子集的64位處理器內(nèi)核。具有優(yōu)異的性能、較低的能耗以及較低的散熱量。32位字長(zhǎng)的處理器內(nèi)核，具有超標(biāo)量的超級(jí)指令流水線，性能優(yōu)異明顯，主要用于與高端嵌入式應(yīng)用領(lǐng)