嵌入式系统设计作业及答案

第0章绪论1、什么是数字系统设计技术？在解决了对不同目标信息的数字化编码、数字化传输、数字化解码的基本理论、算法定义和协议规范之后，对其如何进行系统的构成，如何以最优化的性能（如速度）、最低廉的成本（如芯片面积、集成密度等）来实现该系统的技术。2、什么是集成电路IC？集成电路（IC）是指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、电阻、电容等器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片（如Si或GaAs）或陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体完成某一特定功能的电路组件3、什么是集成电路IP？集成电路IP是经过预先设计、预先验证，符合产业界普片认同的设计规范和设计标准，具有相对独立功能的电路模块或子系统。其具有知识含量高、占用芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，可以复用(Reuse)于SOC、SOPC或复杂ASIC设计中。4、什么是SOC？SOC，即嵌入式系统发展的最高形式——片上系统。从狭义角度讲,它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上;从广义角度讲,SOC是一个微小型系统,第1章嵌入式系统基础知识1、计算机系统的三大应用领域是什么？服务器市场，桌面市场，嵌入式市场2、通用计算机与嵌入式系统的对比是什么？特征通用计算机嵌入式系统形式和类型•看得见的计算机。按其体系结构、运算速度和结构规模等因素分为大、中、小型机和微机。•看不见的计算机。形式多样，应用领域广泛，按应用来分。组成•通用处理器、标准总线和外设。•软件和硬件相对独立。•面向应用的嵌入式微处理器，总线和外部接口多集成在处理器内部。软件与硬件是紧密集成在一起的。开发方式•开发平台和运行平台都是通用计算机•采用交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，运行平台是嵌入式系统。二次开发性•应用程序可重新编制•一般不能再编程3、分别从技术角度和系统角度给出嵌入式系统的定义技术角度：以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统系统角度：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统4、嵌入式系统的特点是什么？从三要素说：嵌入式：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性：软、硬件按对象要求裁减计算机系统：实现对象的智能化功能功耗限制、低成本、多速率、环境相关性、系统内核小、专用性强、不可垄断性、产品相对稳定性具有实时性5、请从嵌入式系统软件复杂程度来对嵌入式系统进行分类？循环轮询系统，有限状态机系统，前后台系统，单处理器多任务系统，多处理器多任务系统6、常用电平标准有哪些？理解电平匹配的含义。TTL：Transistor-TransistorLogic三极管结构。Vcc：5V：VOH=2.4V；VOL=0.5VVIH=2V；VIL=0.8VLVTTL(LowVoltageTTL)LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的Vcc：3.3V：VOH=2.4V；VOL=0.4V；VIH=2V；VIL=0.8VVcc：2.5V：VOH=2.0V；VOL=0.2V；VIH=1.7V；VIL=0.7VCMOS：ComplementaryMetalOxideSemiconductorVcc：5V：VOH=4.45V；VOL=0.5V；VIH=3.5V；VIL=1.5VLVCMOS(LowVoltageCMOS)LVCMOS又分3.3V、2.5V以及更低电压的Vcc：3.3V：VOH=3.2V；VOL=0.1V；VIH=2.0V；VIL=0.7VVcc：2.5V：VOH=2.0V；VOL=0.1V；VIH=1.7V；VIL=0.7VECL：EmitterCoupledLogic发射极耦合逻辑电路Vcc=0V，Vee：-5.2V：VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36VPECL（PositiveECL）Vcc=5V:VOH=4.12V；VOL=3.28V；VIH=3.78V；VIL=3.64VLVPECL（lowvoltagePECL）Vcc=3.3V；VOH=2.42V；VOL=1.58V；VIH=2.06V；VIL=1.94VLVDS：LowVoltageDifferentialSignaling低压差分信号传输LVDS使用注意：可以达到600M以上，PCB要求较高，差分线要求严格等长。差分幅度输出为350mV～400mV，输入阈值为100mV7、什么是集成电路的封装？封装考虑的主要因素有哪些？常用的封装有哪些？封装指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接。需考虑的因素：安装半导体集成电路芯片用的外壳安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能内部芯片与外部电路的连接常用封装：DIP(DualIn-linePackage)双列直插封装PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)带引线的塑料芯片载体PQFP(PlasticQuadFlatPackage)塑料方形扁平封装SOP(SmallOutlinePackage)小外型封装PGA(PinGridArrayPackage),插针网格阵列封装BGA(BallGridArrayPackage),球珊阵列封装CSP(ChipSizePackage),芯片级封装8、名词解释：ASIC、CPLD、FPGA、VerilogHDL，并谈谈CPLD和FPGA的区别是什么？ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)专用集成电路CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)复杂可编程逻辑器件FPGA(FieldProgrammableGateArray)现场可编程门阵列VerilogHDL(VerilogHardwareDescriptionLanguage)VerilogHDL是一种硬件描述语言（HDL:HardwareDiscriptionLanguage），是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能区别：CPLDFPGA内部结构Product－termLook－upTable程序存储内部EEPROMSRAM，外挂EEPROM资源类型组合电路资源丰富触发器资源丰富使用场合完成控制逻辑能完成比较复杂的算法其他资源－EAB，锁相环集成度低高速度慢快时延固定不固定保密性可加密一般不能保密FPGA采用SRAM进行功能配置，可重复编程，但系统掉电后，SRAM中的数据丢失。因此，需在FPGA外加EPROM，将配置数据写入其中，系统每次上电自动将数据引入SRAM中。CPLD器件一般采用EEPROM存储技术，可重复编程，并且系统掉电后，EEPROM中的数据不会丢失，适于数据的保密。FPGA器件含有丰富的触发器资源，易于实现时序逻辑，适合于数据密集型。CPLD的与或阵列结构，使其适于实现大规模的组合功能，但触发器资源相对较少，适合于控制密集型。FPGA为细粒度结构，CPLD为粗粒度结构。FPGA内部有丰富连线资源，CLB分块较小，芯片的利用率较高。CPLD的宏单元的与或阵列较大，通常不能完全被应用，且宏单元之间主要通过高速数据通道连接，其容量有限，限制了器件的灵活布线，因此CPLD利用率较FPGA器件低。FPGA为非连续式布线，CPLD为连续式布线。FPGA器件在每次编程时实现的逻辑功能一样，但走的路线不同，因此延时不易控制，要求开发软件允许工程师对关键的路线给予限制。CPLD每次布线路径一样，CPLD的连续式互连结构利用具有同样长度的一些金属线实现逻辑单元之间的互连。连续式互连结构消除了分段式互连结构在定时上的差异，并在逻辑单元之间提供快速且具有固定延时的通路。CPLD的延时较小。9、查找表是什么？查找表是用简单的查询操作替换运行时计算的数组或者associativearray这样的数据结构。查找表（Look-Up-Table)简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。（目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM,这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。）~10、锁相环的主要用途是什么？画出其简要原理框图。锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面：第一信号的调制和解调；第二信号的调频和解调；第三信号频率合成电路。11、名词解释：抖动（Jitter）、容忍度（Tolerance）、预加重（Pre-emphasis）和均衡（Equalization）抖动（Jitter）:衡量系统发送一致性和稳定性的指标。数据发送端的抖动越小越好，抖动越小，说明发端的稳定性和一致性越好，越利于收端无误的接受信息。容忍度（Tolerance）：指收端对发端的抖动不敏感或任耐程度，表示收端恢复数据的能力。接收端的容忍度越大越好，容忍度大，说明即使到达收端的数据有一定的抖动，收端也能正确地恢复数据信息。预加重（Pre-emphasis）:高速信号在距离传输过程中，其高频分量的衰减远大于低频分量，所以需要对高频分量预先补偿，其目的是使信号在收端频谱能量均衡，信号失真小。均衡（Equalization）：也是改善频谱，校正信号失真的有效手段，其在收端通过数字处理校正传输过程中的失真。12、什么是SOPC？其基本特征是什么？可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式微处理器系统特征：嵌入式处理器IPCore为核心（多处理器）具有小容量片内高速RAM资源丰富的IPCore资源可供灵活选择足够的片上可编程逻辑资源处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存可能包含部分可编程模拟电路单芯片、低功耗、微封装13、详细介绍嵌入式系统设计的流程。理解嵌入式系统的交叉开发环境。需求分析------规格说明------体系结构设计------构件设计------系统调试与集成交叉开发环境：宿主机（Host），是用于开发嵌入式系统的计算机。一般为PC机（或者工作站），具备丰富的软硬件资源，为嵌入式软件的开发提供全过程支持。目标机（Target），即所开发的嵌入式系统，是嵌入式软件的运行环境，其硬件软件是为特定应用定制的。在开发过程中，目标机端需接收和执行宿主机发出的各种命令如设置断点、读内存、写内存等，将结果返回给宿主机，配合宿主机各方面的工作。14、嵌入式软件的调试环境和固化环境的区别。阶段调试环境固化环境编译目标文件需要调试信息目标文件不需要调试信息链接应用系统目标代码不需要Boot模块，此模块已由目标板上的监视器程序实现。应用系统目标代码必须以Boot模块作为入口模块。定位程序的所有代码段、数据段都依次被定位到调试空间的RAM中。程序的各逻辑段按照其不同的属性分别定位到非易失性存储空间（ROM）或RAM中下载宿主机上的调试器读入被调试文件，并将其下载到目标机上的调试空间中，目标机掉电后所有信息全部丢失。在宿主机上利用固化工具将可固化的应用程序写入目标机的非易失性存储器中，目标机掉电后信息不丢失。运行被调试程序在目标监控器的控制下运行，并与后者共享某些资源，如CPU资源、RAM资源以及通信设备（如串口、网口等）资源。程序在真实的目标硬件环境上运行第2章1、CISC、RISC的特点是什么？CISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer），具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变。8/2原则：80%的程序只使用20%的指令，大多数程序只使用少量的指令就能够运行RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)，只包含最有用的指令，指令