嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)這篇太全面了(上)

1、 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)，這篇太全面了(上) 導(dǎo)讀嵌入式系統(tǒng)的定義，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)。1、嵌入式系統(tǒng)的定義1.1 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)。1.2 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internet階段。1.3 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)使用的功能模塊，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)芯片（soc）的基本構(gòu)件。

2、1.4ip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)的組成包含： 硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層2.1硬件層：嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、通用設(shè)備接口和i/o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。2.2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

3、，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)。2.3 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)。2.4 應(yīng)用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

4、的應(yīng)用程序組成。3、實(shí)時(shí)系統(tǒng)3.1 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)外部或內(nèi)部、同步或異步時(shí)間做出響應(yīng)的系 統(tǒng)。3.2 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。3.3 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。3.4 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。3.5 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)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

5、系統(tǒng)。3.6 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4.1 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。4.2 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。4.3 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。4.4 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

6、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。4.5 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。4.6 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)。4.7 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)5.1 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、mips5.2 哈佛結(jié)構(gòu)程序和數(shù)據(jù)是兩個(gè)相互獨(dú)立的存

7、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、arm9、arm105.3 cisc與risc的特點(diǎn)比較計(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=icpiti：高級(jí)語(yǔ)言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)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(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。5.4 流水線(xiàn)的思想在cpu中把一條指令的串行執(zhí)行過(guò)程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^(guò)程在cpu中重疊執(zhí)行。5.5 流水線(xiàn)的指標(biāo)吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間里流水線(xiàn)處理機(jī)流出的結(jié)果數(shù)。如果流水線(xiàn)的子過(guò)程所用時(shí)間不一樣長(zhǎng)，則吞吐率應(yīng)為最長(zhǎng)子過(guò)程的倒數(shù)。建立時(shí)間：流水線(xiàn)開(kāi)始工作到達(dá)最大吞吐率的時(shí)間。若m個(gè)子

8、過(guò)程所用時(shí)間一樣，均為t，則建立時(shí)間tmt。5.6 信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序a、存儲(chǔ)器單位：字節(jié)（8位）b、字長(zhǎng)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(chǔ)順序問(wèn)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)6.1 根據(jù)電路是否具有存儲(chǔ)功能，將邏輯電路劃分為：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。6.2 組合邏輯電路電路在任一時(shí)刻的輸出，僅取決于該時(shí)刻的輸入信號(hào)，而與輸入信號(hào)作用前電路的狀態(tài)無(wú)關(guān)。常用的邏輯

9、電路有譯碼器和多路選擇器等。6.3 時(shí)序邏輯電路電路任一時(shí)刻的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與該時(shí)刻電路的狀態(tài)有關(guān)。因此，時(shí)序電路中必須包含記憶元件。觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)。常用的時(shí)序邏輯電路有寄存器和計(jì)數(shù)器等。6.4 真值表、布爾代數(shù)、摩根定律、門(mén)電路的概念。6.5 nor（或非）和nand（與非）的門(mén)電路稱(chēng)為全能門(mén)電路，可以實(shí)現(xiàn)任何一種邏輯函數(shù)。6.6 譯碼器：多輸入多輸出的組合邏輯網(wǎng)絡(luò)。每輸入一個(gè)n位的二進(jìn)制代碼，在m個(gè)輸出端中最多有一個(gè)有效。當(dāng)m2n時(shí)，為全譯碼；當(dāng)m2n時(shí)，為部分譯碼。6.7 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(duì)比較大，采用集成門(mén)電路直接驅(qū)

10、動(dòng)led時(shí)，較多采用低電平驅(qū)動(dòng)方式。液晶七段字符顯示器lcd利用液晶有外加電場(chǎng)和無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)不同的光學(xué)特性來(lái)顯示字符。6.8 時(shí)鐘信號(hào)是時(shí)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(shí)鐘控制系統(tǒng)中的主要制約條件。6.9 在選用觸發(fā)器的時(shí)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(jiǎn)單的有點(diǎn)，常用來(lái)組成暫存器。邊沿觸發(fā)方式：具有很強(qiáng)的抗數(shù)據(jù)端干擾能力，常用來(lái)組成寄存器、計(jì)數(shù)器等。7、總線(xiàn)電路及信號(hào)驅(qū)動(dòng)7.1 總線(xiàn)是各種信號(hào)線(xiàn)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(shí)刻，每條通路線(xiàn)路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號(hào)。 按照總線(xiàn)所傳送的

11、信息類(lèi)型，可以分為：數(shù)據(jù)總線(xiàn)（db）、地址總線(xiàn)（ab）和控制總線(xiàn)（cb）。7.2 總線(xiàn)的主要參數(shù)： 總線(xiàn)帶寬：一定時(shí)間內(nèi)總線(xiàn)上可以傳送的數(shù)據(jù)量，一般用mbyte/s表示。 總線(xiàn)寬度：總線(xiàn)能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)（bit），即人們常說(shuō)的32位、64位等總線(xiàn)寬度的概念，也叫總線(xiàn)位寬。總線(xiàn)的位寬越寬，總線(xiàn)每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大，也就是總線(xiàn)帶寬越寬。 總線(xiàn)頻率：工作時(shí)鐘頻率以mhz為單位，工作頻率越高，則總線(xiàn)工作速度越快，也即總線(xiàn)帶寬越寬。 總線(xiàn)帶寬 總線(xiàn)位寬總線(xiàn)頻率/8， 單位是mbps。 常用總線(xiàn)：isa總線(xiàn)、pci總線(xiàn)、iic總線(xiàn)、spi總線(xiàn)、pc104總線(xiàn)和can總線(xiàn)等。7.3 只有具有三態(tài)輸出的設(shè)備

12、才能夠連接到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，常用的三態(tài)門(mén)為輸出緩沖器。7.4 當(dāng)總線(xiàn) 上所接的負(fù)載超過(guò)總線(xiàn)的負(fù)載能力時(shí)，必須在總線(xiàn)和負(fù)載之間加接緩沖器或驅(qū)動(dòng)器，最常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅(qū)動(dòng)和隔離。7.5 采用總線(xiàn)復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的共用。但會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：a、需要增加外部電路對(duì)總線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行復(fù)用解耦，例如：地址鎖存器。b、總線(xiàn)速度相對(duì)非復(fù)用總線(xiàn)系統(tǒng)低。7.6 兩類(lèi)總線(xiàn)通信協(xié)議：同步方式、異步方式。7.7 對(duì)總線(xiàn)仲裁問(wèn)題的解決是以?xún)?yōu)先級(jí)（優(yōu)先權(quán)）的概念為基礎(chǔ)。8、電平轉(zhuǎn)換電路8.1 數(shù)字集成電路可以分為兩大類(lèi)：雙極型集成電路（ttl）、金屬氧化物半導(dǎo)體（mos）。8.2 cmos電路由于其靜態(tài)功

13、耗極低，工作速度較高，抗干擾能力較強(qiáng)，被廣泛使用。8.3 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(lái)決定，不同系列的ttl應(yīng)選用不同的r值。9、嵌入式系統(tǒng)中信息表示于運(yùn)算基礎(chǔ)9.1 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。9.2 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)碼為該數(shù)的反碼加一。 例如98的源碼：11100010b 反碼：10011101b 補(bǔ)碼：10011110b

14、9.3 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)。9.4 漢字表示法： 搞清楚gb2318-80中國(guó)標(biāo)碼和機(jī)內(nèi)碼的變換。9.5 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） 采樣頻率：一秒內(nèi)采樣的次數(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。1

15、0、差錯(cuò)控制編碼10.1 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)碼。10.2 奇偶檢驗(yàn)碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（crc）。11、嵌入式系統(tǒng)的度量項(xiàng)目11.1 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。11.2 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。11.3 可維護(hù)性： 一般用平均修復(fù)時(shí)間mttr表示?？捎眯?、 功耗、 環(huán)境適應(yīng)性、 通用性、

16、安全性、 保密性、 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)。12、嵌入式系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法：測(cè)量法和模型法12.1 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。12.2 測(cè)量的方式有兩種：采樣方式和事件跟蹤方式。12.3 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)。12.4 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)。12.5 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。免責(zé)聲