北航嵌入式系統(tǒng)設(shè)計復(fù)習(xí)筆記

1、1.嵌入式系統(tǒng)目前被大多數(shù)人接受的一般性定義是什么？舉例說明嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)是“以應(yīng)用為中心，以計算機為技術(shù)基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)”。2.嵌入式系統(tǒng)三要素？嵌入性：嵌入到對象體系中，對對象環(huán)境有要求專用性：軟、硬件按對象要求裁剪計算機：實現(xiàn)對象的智能化功能3.嵌入式系統(tǒng)與單片機的區(qū)別？單片機屬于嵌入式系統(tǒng)，但只有嵌入式系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)和部分功能：1. 單片機數(shù)據(jù)處理能力有限、處理速度有限，不能夠用于所有的嵌入式系統(tǒng)。目前嵌入式系統(tǒng)的主流是以32位嵌入式微處理器為核心的硬件設(shè)計和基于實時操作系統(tǒng)（RTOS）

2、的軟件設(shè)計。2. 單片機系統(tǒng)多為4位、8位、16位機，不適合運行操作系統(tǒng)，難以進行復(fù)雜的運算及處理功能。3. 嵌入式系統(tǒng)強調(diào)基于平臺的設(shè)計、軟硬件協(xié)同設(shè)計，單片機大多采用軟硬件流水設(shè)計。4. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的核心是軟件設(shè)計（占70%左右的工作量），單片機系統(tǒng)軟硬件設(shè)計所占比例基本相同。5. 單片機無網(wǎng)絡(luò)功能。4.嵌入式系統(tǒng)與PC機的區(qū)別？1. 嵌入式系統(tǒng)一般專用于特定任務(wù)，而PC是通用計算機。2. 嵌入式系統(tǒng)使用多種類型的處理器，系統(tǒng)硬件資源比PC機少的多，但種類遠遠超過PC機。3. 嵌入式系統(tǒng)常有實時約束，常使用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，另外還有有功耗、成本約束，且常在極端環(huán)境下運行，故障造成的后

3、果比PC系統(tǒng)更嚴重。4. 嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理器體系的支持5. 嵌入式系統(tǒng)需要專用工具和方法進行開發(fā)設(shè)計5嵌入式處理器分為哪幾類，說明定義及特點？（1）、嵌入式微處理器（MPU）嵌入式微處理器就是和通用計算機的處理器對應(yīng)的CPU，可以認為是“增強型”通用微處理器。l 特點：1) 功能和微處理器基本一樣，但為了縮小體積、降低功耗，只保留和嵌入式應(yīng)用相關(guān)的功能。2) 在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。（2）、嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微控制器就是將整個計算機系統(tǒng)的主要硬件集成到一塊芯片中，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、Watch

4、dog、I/O、串行口、A/D等各種必要功能和外設(shè)。l 特點：1) 一個系列的微控制器具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝，這樣可以使單片機最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，從而減少功耗和成本。2) 單片化、體積大大減小、功耗和成本降低、可靠性提高（3）、嵌入式DSP嵌入式DSP是專門用于信號處理方面的處理器。l 特點：1) 其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。（4）、嵌入式SOC嵌入式SOC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件。絕大多數(shù)系統(tǒng)構(gòu)件都在一個系統(tǒng)芯片內(nèi)部。l 特點：1) 結(jié)構(gòu)簡潔2) 體積小、功耗低3)

5、 可靠性高4) 設(shè)計生產(chǎn)效率高（5）、嵌入式SOPC嵌入式SOPC是用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上。它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；它是可編程系統(tǒng)，系統(tǒng)功能可裁減、易擴充、可重構(gòu)，結(jié)合了SOC和CPLD、FPGA的優(yōu)點。l 特點：1) 采用超深亞微米工藝技術(shù)2) 使用一個或以上的嵌入式處理器3) 設(shè)計方式靈活4) 可裁減、可擴充、可升級5) 具有軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。6嵌入式實時操作系統(tǒng)的定義、特點和分類？定義：能夠?qū)ν獠渴录龀黾皶r響應(yīng)的系統(tǒng)。響應(yīng)時間要有保證。特點：1) 多任務(wù)2) 有線程優(yōu)先級（是否為進程）3) 多種中斷級別分類：1) 硬實時

6、系統(tǒng)：對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴格的要求，如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，就會引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤。2) 軟實時系統(tǒng)：對系統(tǒng)響應(yīng)時間有要求，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，它并不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰，只是降低系統(tǒng)的吞吐量。7嵌入式系統(tǒng)的特點？1) 嵌入式系統(tǒng)是面向具體應(yīng)用的產(chǎn)品。2) 嵌入式軟件特征：實時性、高質(zhì)量、高可靠、程序固化。3) 需要軟、硬件開發(fā)工具和系統(tǒng)軟件。4) 需要應(yīng)用專家參與開發(fā)。5) 嵌入式系統(tǒng)分散而不可壟斷。8舉5個嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的例子1. 辦公設(shè)備：打印機、掃描儀2. 消費電子產(chǎn)品：手機、數(shù)碼相機3. 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備：路由器、交換機4. 工業(yè)：數(shù)控機床、機器人5. 航空航天

7、：航電設(shè)備，星載計算機9按表現(xiàn)形式和實時性嵌入式系統(tǒng)的分類？l 按表現(xiàn)形式（硬件范疇）1) 芯片級嵌入(含程序和算法的處理器、單片機)2) 模塊級嵌入（系統(tǒng)中的某個核心模塊）3) 系統(tǒng)級嵌入（系統(tǒng)中的電路板）l 按實時性要求（軟件范疇）1) 非實時系統(tǒng)（PDA）2) 軟實時系統(tǒng)（消費類產(chǎn)品）3) 硬實時系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）10軟硬件協(xié)同設(shè)計的目的？其涉及的內(nèi)容有哪些？l 目的：為軟件和硬件的協(xié)同描述、驗證和綜合提供一種集成環(huán)境。l 內(nèi)容：設(shè)計描述、設(shè)計建模、設(shè)計空間的研究和劃分、合成與優(yōu)化、設(shè)計驗證、設(shè)計實現(xiàn)。11用框圖簡述嵌入式開發(fā)的流程？12馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)的區(qū)別？馮諾依曼結(jié)構(gòu)其特

8、點是程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間。統(tǒng)一編址依靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令數(shù)據(jù)還是地址。由于對數(shù)據(jù)和程序進行分時讀寫，執(zhí)行速度慢，數(shù)據(jù)吞吐量低，不適合于進行具有高度實時要求場合。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，特點是程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與之對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置的兩條總線（程序總線和數(shù)據(jù)總線），使數(shù)據(jù)吞吐量大大提高。13嵌入式硬件系統(tǒng)包括那些部分，與一般的計算機處理系統(tǒng)有什么區(qū)別？l 包括：嵌入式處理器、存儲器、總線、通信接口、輸入輸出設(shè)備、電源及輔助設(shè)備。l 區(qū)別：相比一般的計算機處理系統(tǒng)，集成度高、非標準化、接口非常復(fù)雜。14總線的定義及主要參數(shù)，舉至少

9、三個總線例子。l 定義：總線是把處理器與存儲器、I/O 設(shè)備相連接的信息通道，是數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路，總線并不僅僅指的是一束信號線，而應(yīng)包含相應(yīng)的通信協(xié)議。l 主要參數(shù)：帶寬、位寬、工作時鐘頻率。l 總線例子：系統(tǒng)總線：PCI-express；外部總線：I2C；現(xiàn)場總線：CAN；嵌入式系統(tǒng)總線：AMBA、Avalon、CoreConnect等。15按編程工藝分FPGA分為哪幾類，簡要說明其各自特點？l 熔絲或反熔絲編程器件 體積小，集成度高，速度高，易加密，抗干擾，耐高溫 只能一次編程，在設(shè)計初期階段不靈活l SRAM 可反復(fù)編程，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的動態(tài)重構(gòu) 每次上電需重新下載，實際應(yīng)用

10、時需外掛EEPROM用于保存程序l EEPROM 可反復(fù)編程 不用每次上電重新下載，但相對速度慢，功耗較大16IP資源復(fù)用的定義，IP Core的分類l 定義： IP資源復(fù)用(IP Reuse)是指在集成電路設(shè)計過程中，通過繼承、共享或購買所需的部分或全部智力產(chǎn)權(quán)內(nèi)核(IP Core)，進行設(shè)計、綜合和驗證，從而加速流片設(shè)計過程的設(shè)計方法 IP Core是一種商品，是可編程邏輯器件設(shè)計工程師價值體現(xiàn)的主要途徑l 分類：按形式分為：軟核、固核、硬核按用途分為： 微處理器IP Core 處理器外設(shè)IP Core DSP算法IP Core 通信控制器IP Core 圖像處理IP Core17常見的通

11、信接口有哪些？他們的主要特點是什么？至少舉3個接口為例進行描述。l 串口常用于嵌入式系統(tǒng)使用上位機實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試，及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制。 RS-232 傳輸速率低、傳輸距離近、抗共模干擾能力差 RC232C 的最高傳輸速率為20 kb/s, 最大傳輸線長為30 米 RS-485 高抗共模干擾驅(qū)動能力，并且提供多點應(yīng)用，同一線上最多可接32 個驅(qū)動器和接收器 最大傳輸速率10Mb/s (12m)，最大傳輸距離為1200m（10kb/s）l USB（2.0） 480 Mb/s高速串行總線 即插即用 最多可支持127個外部設(shè)備 主機供電 小功率設(shè)備主機可以直接供電 大功率設(shè)備仍然需要外部供電l I

12、EEE-1394b（FireWire）多用于MPU與多媒體設(shè)備連接接口 800M bps，高速串行總線 傳輸距離可達 100米 支持63個設(shè)備 熱插拔，即插即用18為什么在FPGA中嵌入處理器？ FPGA適合用于邏輯控制、接口控制、規(guī)則數(shù)據(jù)處理，設(shè)計具有復(fù)雜算法和邏輯控制系統(tǒng)時，需要結(jié)合使用嵌入式處理器 對系統(tǒng)集成度要求較高，將處理器嵌入FPGA能最大限度地提高系統(tǒng)集成度，降低系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度，加快上市時間。 對需求變化提供較大的靈活性，在FPGA中嵌入處理器較為合適。FPGA與芯片處理器的結(jié)合的優(yōu)點是無須重做一塊新PCB或采用新的處理器就能夠?qū)?、硬件進行調(diào)試，對變更進行測試。19FPGA與C

13、PLD的優(yōu)點 隨著VLSI工藝的不斷提高，單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬個晶體管， FPGACPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，可以替代多至幾千塊通用IC芯片,它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。 FPGACPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)投片風(fēng)險和費用，設(shè)計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設(shè)計。所以， FPGACPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費。 用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同軟件就可實現(xiàn)不同的功能。所以，用FPGACPLD 試制樣片，能以最快的速度占

14、領(lǐng)市場。 具有完善先進的開發(fā)工具 提供語言、圖形等設(shè)計方法，十分靈活 通過仿真工具來驗證設(shè)計的正確性 靈活地定義管腳功能，減輕設(shè)計工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間 保密性好Verilog硬件描述語言的語法和使用方法PPT都需掌握，題型編程（特別關(guān)注PPT上的例子）。1. FPGA設(shè)計的一般流程？每一步的功能？2. FPGA配置的三種方式分別是什么？配置的三個階段是什么？l 方式：1.FPGA主動串行(AS)方式 2. JTAG方式 3. FPGA被動(Passive)方式l 階段：復(fù)位、配置、初始化3. Quartus環(huán)境下生成的用于直接配置FPGA和配置芯片（EPCS）的文件分別是什么？直接配置FP

15、GA：.sof配置PROM：.pof4. 構(gòu)成SOPC的三種方案是什么？l 基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)l 基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)l 基于HardCopy技術(shù)的SOPC系統(tǒng)5. Nios II 處理器系列包括哪三種內(nèi)核？各自特點？l Nios II/f (快速)：性能最高，但占用的邏輯資源最多。l Nios II/e (經(jīng)濟)：占用的邏輯資源最少，但性能最低。l Nios II/s (標準)：平衡的性能和尺寸。6. Nios II處理器包括哪些寄存器？各自的功能？有哪三種運行模式？有32個通用寄存器和6個控制寄存器。運行模式：l 用戶模式(User Mode)；l 超級用戶模式(Supervisor Mode) ；l 調(diào)試模式(Debug Mode) 。7. NiosII處理器包括哪些異常？異常判別優(yōu)先級是什么？l 硬件中斷l(xiāng) 軟件異常： 軟件陷阱異常 未定義指令異常 其他異常8. NiosII處理器采用的總線是什么？Avalon交換式總線9. 列舉至少三個Nios II處理器常用的外圍設(shè)備(Peripherals)內(nèi)核。 System ID PIO 中斷控制器