北航嵌入式系统设计复习笔记

1.嵌入式系统目前被大多数人接受的一般性定义是什么？举例说明嵌入式系统的应用。嵌入式系统是“以应用为中心，以计算机为技术基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统”。2.嵌入式系统三要素？嵌入性：嵌入到对象体系中，对对象环境有要求专用性：软、硬件按对象要求裁剪计算机：实现对象的智能化功能3.嵌入式系统与单片机的区别？单片机属于嵌入式系统，但只有嵌入式系统的部分结构和部分功能：1.单片机数据处理能力有限、处理速度有限，不能够用于所有的嵌入式系统。目前嵌入式系统的主流是以32位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（RTOS）的软件设计。2.单片机系统多为4位、8位、16位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能。3.嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用软硬件流水设计。4.嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。5.单片机无网络功能。4.嵌入式系统与PC机的区别？1.嵌入式系统一般专用于特定任务，而PC是通用计算机。2.嵌入式系统使用多种类型的处理器，系统硬件资源比PC机少的多，但种类远远超过PC机。3.嵌入式系统常有实时约束，常使用实时多任务操作系统，另外还有有功耗、成本约束，且常在极端环境下运行，故障造成的后果比PC系统更严重。4.嵌入式系统得到多种微处理器体系的支持5.嵌入式系统需要专用工具和方法进行开发设计5．嵌入式处理器分为哪几类，说明定义及特点？（1）、嵌入式微处理器（MPU）嵌入式微处理器就是和通用计算机的处理器对应的CPU，可以认为是“增强型”通用微处理器。特点：1)功能和微处理器基本一样，但为了缩小体积、降低功耗，只保留和嵌入式应用相关的功能。2)在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。（2）、嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O、串行口、A/D等各种必要功能和外设。特点：1)一个系列的微控制器具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装，这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少功耗和成本。2)单片化、体积大大减小、功耗和成本降低、可靠性提高（3）、嵌入式DSP嵌入式DSP是专门用于信号处理方面的处理器。特点：1)其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。（4）、嵌入式SOC嵌入式SOC是追求产品系统最大包容的集成器件。绝大多数系统构件都在一个系统芯片内部。特点：1)结构简洁2)体积小、功耗低3)可靠性高4)设计生产效率高（5）、嵌入式SOPC嵌入式SOPC是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；它是可编程系统，系统功能可裁减、易扩充、可重构，结合了SOC和CPLD、FPGA的优点。特点：1)采用超深亚微米工艺技术2)使用一个或以上的嵌入式处理器3)设计方式灵活4)可裁减、可扩充、可升级5)具有软硬件在系统可编程的功能。6．嵌入式实时操作系统的定义、特点和分类？定义：能够对外部事件做出及时响应的系统。响应时间要有保证。特点：1)多任务2)有线程优先级（是否为进程）3)多种中断级别分类：1)硬实时系统：对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就会引起系统崩溃或致命的错误。2)软实时系统：对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，它并不会导致系统出现致命的错误或崩溃，只是降低系统的吞吐量。7．嵌入式系统的特点？1)嵌入式系统是面向具体应用的产品。2)嵌入式软件特征：实时性、高质量、高可靠、程序固化。3)需要软、硬件开发工具和系统软件。4)需要应用专家参与开发。5)嵌入式系统分散而不可垄断。8．举5个嵌入式系统应用的例子1.办公设备：打印机、扫描仪2.消费电子产品：手机、数码相机3.网络通信设备：路由器、交换机4.工业：数控机床、机器人5.航空航天：航电设备，星载计算机9．按表现形式和实时性嵌入式系统的分类？按表现形式（硬件范畴）1)芯片级嵌入(含程序和算法的处理器、单片机)2)模块级嵌入（系统中的某个核心模块）3)系统级嵌入（系统中的电路板）按实时性要求（软件范畴）1)非实时系统（PDA）2)软实时系统（消费类产品）3)硬实时系统（工业和军工系统）10．软硬件协同设计的目的？其涉及的内容有哪些？目的：为软件和硬件的协同描述、验证和综合提供一种集成环境。内容：设计描述、设计建模、设计空间的研究和划分、合成与优化、设计验证、设计实现。11．用框图简述嵌入式开发的流程？系统需求分析体系结构设计机械结构设计硬件设计软件设计系统集成系统测试产品需求分析概要设计详细设计详细设计实现交叉编译交叉调试测试12．冯·诺依曼结构与哈佛结构的区别？冯·诺依曼结构其特点是程序和数据共用一个存储空间。统一编址依靠指令计数器提供的地址来区分是指令数据还是地址。由于对数据和程序进行分时读写，执行速度慢，数据吞吐量低，不适合于进行具有高度实时要求场合。哈佛结构是一种并行体系结构，特点是程序和数据存储在不同的存储空间，每个存储器独立编址、独立访问。与之对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），使数据吞吐量大大提高。13．嵌入式硬件系统包括那些部分，与一般的计算机处理系统有什么区别？包括：嵌入式处理器、存储器、总线、通信接口、输入输出设备、电源及辅助设备。区别：相比一般的计算机处理系统，集成度高、非标准化、接口非常复杂。14．总线的定义及主要参数，举至少三个总线例子。定义：总线是把处理器与存储器、I/O设备相连接的信息通道，是数据、地址和控制信息的公共通路，总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。主要参数：带宽、位宽、工作时钟频率。总线例子：系统总线：PCI-express；外部总线：I2C；现场总线：CAN；嵌入式系统总线：AMBA、Avalon、CoreConnect等。15．按编程工艺分FPGA分为哪几类，简要说明其各自特点？熔丝或反熔丝编程器件体积小，集成度高，速度高，易加密，抗干扰，耐高温只能一次编程，在设计初期阶段不灵活SRAM可反复编程，实现系统功能的动态重构每次上电需重新下载，实际应用时需外挂EEPROM用于保存程序EEPROM可反复编程不用每次上电重新下载，但相对速度慢，功耗较大16．IP资源复用的定义，IPCore的分类定义：•IP资源复用(IPReuse)是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的部分或全部智力产权内核(IPCore)，进行设计、综合和验证，从而加速流片设计过程的设计方法•IPCore是一种商品，是可编程逻辑器件设计工程师价值体现的主要途径分类：按形式分为：软核、固核、硬核按用途分为：•微处理器IPCore•处理器外设IPCore•DSP算法IPCore•通信控制器IPCore•图像处理IPCore17．常见的通信接口有哪些？他们的主要特点是什么？至少举3个接口为例进行描述。串口常用于嵌入式系统使用上位机实现系统的调试，及现场数据的采集和控制。•RS-232––传输速率低、传输距离近、抗共模干扰能力差––RC232C的最高传输速率为20kb/s,最大传输线长为30米•RS-485––高抗共模干扰驱动能力，并且提供多点应用，同一线上最多可接32个驱动器和接收器––最大传输速率10Mb/s(12m)，最大传输距离为1200m（10kb/s）USB（2.0）––480Mb/s高速串行总线––即插即用––最多可支持127个外部设备––主机供电•小功率设备主机可以直接供电•大功率设备仍然需要外部供电IEEE-1394b（FireWire）多用于MPU与多媒体设备连接接口•800Mbps，高速串行总线•传输距离可达100米•支持63个设备•热插拔，即插即用18．为什么在FPGA中嵌入处理器？•FPGA适合用于逻辑控制、接口控制、规则数据处理，设计具有复杂算法和逻辑控制系统时，需要结合使用嵌入式处理器•对系统集成度要求较高，将处理器嵌入FPGA能最大限度地提高系统集成度，降低系统设计复杂度，加快上市时间。•对需求变化提供较大的灵活性，在FPGA中嵌入处理器较为合适。FPGA与芯片处理器的结合的优点是无须重做一块新PCB或采用新的处理器就能够对软、硬件进行调试，对变更进行测试。19．FPGA与CPLD的优点•随着VLSI工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA／CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，可以替代多至几千块通用IC芯片,它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。•FPGA／CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA／CPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。•用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用FPGA／CPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。•具有完善先进的开发工具–提供语言、图形等设计方法，十分灵活–通过仿真工具来验证设计的正确性•灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间•保密性好Verilog硬件描述语言的语法和使用方法PPT都需掌握，题型编程（特别关注PPT上的例子）。1.FPGA设计的一般流程？每一步的功能？2.FPGA配置的三种方式分别是什么？配置的三个阶段是什么？方式：1.FPGA主动串行(AS)方式2.JTAG方式3.FPGA被动(Passive)方式阶段：复位、配置、初始化3.Quartus环境下生成的用于直接配置FPGA和配置芯片（EPCS）的文件分别是什么？直接配置FPGA：.sof配置PROM：.pof4.构成SOPC的三种方案是什么？基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统基于HardCopy技术的SOPC系统5.NiosII处理器系列包括哪三种内核？各自特点？NiosII/f(快速)：性能最高，但占用的逻辑资源最多。NiosII/e(经济)：占用的逻辑资源最少，但性能最低。NiosII/s(标准)：平衡的性能和尺寸。6.NiosII处理器包括哪些寄存器？各自的功能？有哪三种运行模式？有32个通用寄存器和6个控制寄存器。运行模式：用户模式(UserMode)；超级用户模式(SupervisorMode)；调试模式(DebugMode)。7.NiosII处理器包括哪些异常？异常判别优先级是什么？硬件中断软件异常：•软件陷阱异常•未定义指令异常•其他异常8.NiosII处理器采用的总线是什么？Avalon交换式总线9.列举至少三个NiosII处理器常用的外围设备(Peripherals)内核。SystemIDPIO中断控制器LCD控制器10.Altera提供的SOPC的开发使用的软件是什么？开发的流程？软件：QuartusII、SOPCBuilder、NiosIIIDE流程：硬件开发：i.SOPCBuilder实现NiosII系统配置、生成以及与NiosII系统相关的监控和软件调试平台的生成；ii.QuartusII完成NiosII系统的分析综合、硬件优化、适配、配置文件编程下载以及硬件系统测试；软件开发：i.NiosIIIDE完成基于NiosII系统的软件开发和调试。