《嵌入式系统设计》复习资料

《嵌入式系统设计》复习希望大家能够认真复习，以下资料仅供复习参考。知识点第一章1.嵌入式系统定义嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，嵌入在应用系统中，并满足于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。2.“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。3.嵌入式系统和通用计算机系统相比，具有以下特征：(1)嵌入式系统具有特定的功能，用于特定的任务(2)嵌入式系统极其关注成本(3)嵌入式系统大都有功耗的要求(4)嵌入式系统通常有实时的要求(5)嵌入式系统的运行环境广泛(6)嵌入式系统的软件通常要求固态化存储(7)嵌入式系统的软件、硬件可靠性要求更高(8)相关产品具有较长的生命周期(9)专门开发工具的支持(10)软硬件协同开发4.嵌入式系统发展趋势1).嵌入式系统的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持2).联网成为必然趋势，支持灵活的网络联接3).支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本4).提供丰富多样的人机交互接口5).“无所不在的智能”（AmbientIntelligence）6).行业性嵌入式软硬件平台促进行业标准的形成5.嵌入式系统的应用工业控制：交通管理：信息家电：家庭智能管理系统：POS网络及电子商务：环境工程与自然：机器人：6.嵌入式系统组成从系统的组成来看，复杂的嵌入式系统和通用计算机没有本质差别，嵌入式系统的概念及特征也没有强调它与通用计算机系统在组成上有明显区别。但是简单的嵌入式系统在系统组成有了一定的简化，如图所示，简单的嵌入式系统在软件方面并不包括操作系统。这是由于在这样的系统中硬件资源不足以支撑操作系统，或者系统任务比较简单不需要操作系统提供系统支持。7.嵌入式系统与物联网的关系1）嵌入式系统的互联是相互关联的嵌入式系统之间进行信息交换，其目的仍然是为了人们可以更加方便的方式了解和控制物理对象。2）物联网建设以及现在国家对提升自身核心竞争力的大力提倡，给国内嵌入式系统行业带来的机遇不言而喻。3）物联网对嵌入式系统的要求：物联网要求开放的嵌入式系统；物联网要求可靠和确定的嵌入式系统；物联网要求嵌入式系统向多功能、低功耗、低成本和微型化的方向发展。第二章8.冯·诺伊曼计算机具有以下几个明显特征：在数据和指令之间没有本质差别数据没有固有含义数据和指令共享同一内存内存是存储单元的线性（一维空间）排列9.哈佛（Harvard）结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。10.RISC体系结构的特点1)RISC的着眼点不是简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算效率。2)在RISC中，优先选取使用频率最高的、很有用但不复杂的指令，避免使用复杂指令；3)固定指令长度，减少指令格式和寻址方式种类；4)指令之间各字段的划分比较一致，各字段的功能也比较规整；5)采用Load/Store指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；6)增加CPU中通用寄存器数量，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存取；7)大部分指令控制在一个或小于一个机器周期内完成；8)以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微程序控制；9)采用高级语言编程，重视编译优化工作，以缩短程序执行时间。11.流水线技术是将一个重复的时序分解成若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。12.在典型的三级流水中，指令执行过程被分解为三个步骤，分别是：取指（fetch）、解码（decode）和执行（execute）。13.经典RISC流水线将指令操作分为五个流水级，这五级流水分别是：读取指令（Instructionfetch）、指令解码与读取寄存器（Instructiondecodeandregisterfetch）、执行（Execute）、存储器访问（Memoryaccess）和写回寄存器（Registerwriteback）。14.信息存储的字节顺序某些机器选择在存储器中按照从最低有效字节到最高有效字节的顺序存储对象，这种低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地址处方式被称为小端存储法(littleendian)；某些机器则按照从最高有效字节到最低有效字节的顺序储存，这种低字节数据存放在内存高地址处，高字节数据存放在内存低地址处的方式被称为大端存储法(bigendian)。15.I/O地址空间为I/O设备设置了单独的地址空间，并且有单独的指令来访问这样的空间，这就是I/O端口映射方式，相应的I/O称为端口映射I/O。然而，大多数处理器在设置地址空间时并不区分存储设备和I/O设备，I/O设备和存储设备的地址存在于相同的线性空间内，使用相同的指令对这两种设备进行访问，这就是I/O内存映射方式，相应的I/O称为内存映射I/O。16.中断是指中央处理器接收到的来自外部硬件(相对于中央处理器和内存)或软件的信号，信号的目的是立即引发处理器的关注，并进行相应的硬件或软件处理。软件中断是由中央处理器内部的异常条件触发或是由特殊指令触发的中断，前者称为异常(exception)，后者被称为陷入(trap)。由外部设备引发的中断称为硬件中断，由于硬件中断与处理器当前正在运行的指令执行不相关，因此硬件中断是一个异步事件。17.中断控制器或处理器如何确认中断请求线上是否有中断信号，也就是外设如何触发中断，触发中断常见的方式有：电平触发/边沿触发/混合模式18.中断处理过程1)中断处理的前期准备2)处理器检查是否有中断信号3)定位中断处理程序入口4)保护当前程序的现场5)中断服务程序执行6)中断服务程序处理完毕19.从嵌入式处理器的应用角度及嵌入式处理器的发展历史，大致可以将嵌入式处理分为五类，分别是：嵌入式微处理器(EMPU)、嵌入式微控制器(MCU)、嵌入式数字信号处理器(DSP)、嵌入式片上系统(SoC)和可编程片上系统(SOPC)。20.在为嵌入式实时系统选择处理器时需要考虑以下几个方面：性能和资源实现工具支持操作系统支持仿真支持是否内置调试工具供应商是否提供评估板应用支持成本功耗传统代码算法复杂性延续性和继承性上市时间第三章21.存储器作为计算机的记忆核心，主要有如下几方面的作用：存储器是计算机中信息存储的核心。存储器是CPU与外界进行数据交换的窗口。存储器与CPU有机结合，可以使系统达到高速、准确运算的目的。22.在最高层次上，存储器可以划分为\textbf{易失性存储器}(VolatileMemory)和\textbf{非易失性存储器}(Non-volatileMemory)两大类。23.计算机系统的存储器被组织成一个金字塔形的层次结构，如图所示。在这个层次结构中，自上而下，依次为CPU的内部寄存器、芯片内部的高速缓存（Cache）、主存（DRAM、DDRAM）、辅存（Flash、PROM、EPROM、EEPROM、磁盘、光盘、CF、SD卡）和远程二级存储（分布式文件系统、Web服务器）这5个层次的结构。这些设备从上而下，依次变得速度更慢、访问频率更小、容量更大，并且单位字节的成本也更加低廉。这种存储器分层结构的充分考虑了空间效率和时间效率的优化，从而最大程度的提高系统的整体效率，并降低了系统成本。24.为了提高存储器系统的性能，在主存储器和CPU之间采用高速缓冲存储器（Cache）。Cache被广泛用来提高内存系统性能，许多微处理器体系结构都把它作为其定义的一部分。如果正确使用，Cache能够减少内存平均访问时间。Cache提高了内存访问的可变性，即Cache中的访问速度最快，而访问不在Cache中的单元会慢一些。25.这种对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象，就称为程序的局部性原理。程序的局部性表现在两个方面：1)时间局部性：刚被访问过的数据近期被再次被访问的可能性很大；2)空间局部性：数据刚被访问过，那么它周围的数据近期被访问的可能性很大。26.MMU主要完成以下工作：虚拟存储空间到物理存储空间的映射。采用了页式虚拟存储管理，它把虚拟地址空间分成一个个固定大小的块，每一块称为一页，把物理内存的地址空间也分成同样大小的页。MMU实现的就是从虚拟地址到物理地址的转换。存储器访问权限的控制。设置虚拟存储空间的缓冲的特性。27.在使用当中，NOR型闪存和NAND型闪存之间的比较：NOR的读速度比NAND稍快一些。NAND的写入速度比NOR快很多。NAND的擦除速度远比NOR快。NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更加简单。NAND的实际应用方式要比NOR复杂的多。NOR可以直接使用，并在上面直接运行代码，而NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动。28.外存储器也称辅助存储器，简称外存或辅存。外存主要指那些容量比主存大、读取速度较慢、通常用来存放需要永久保存的或相对来说暂时不用的各种程序和数据的存储器。29.CPU直接可寻址的内存地址空间是指处理器的访存指令能够访问的地址空间，这个空间称为内存地址空间或主存地址空间。主存储器器一般采用空间小、访问速度快的存储器件，如SRAM和DRAM等。第四章30.计算机系统中的输入输出（Input/Output，缩写：I/O）就是系统中实现和承担数据交换能力的部件，I/O又划分为I/O接口（I/Ointerface）和I/O外设（I/OPeripherals），它们共同合作完成输入输出的功能。I/O接口通常是指输入输出的物理连接形式、电气规格和逻辑信号等，常见的I/O接口如：UART、SPI、以太网等。I/O外设，也称I/O周边设备或I/O外部设备，是能够通电并正常运行的计算机的非必须硬件设备。它们可以独立或半独立工作而不依赖于计算机，通常可以扩展或提高所接入的计算机的功能或性能。典型的I/O外设有键盘、LED、LCD、AD转换器、DA转换器等。31.I/O接口根据数据发送方式，又分为串行接口和并行接口。串行接口在每个传输方向上使用一根传输线，所有的串口都要在发送数据端将并行数据转换为串行比特流，而在接收端反过来，也就是将串行比特流转换为并行数据。并行接口在设备之间使用多根传输线，数据的每个位同时从发送端传输到接收端，并行接口无需进行串并转换，这样数据传送速度会有一定提高。32.UART的作用如下：1)处理数据总线和串行口之间的串/并、并/串转换；2)通信双方只要采用相同的帧格式和波特率，就能在未共享时钟信号的情况下，仅用两根信号线（Rx和Tx）就可以完成通信过程；3)采用异步方式，数据收发完毕后，可通过中断或置位标志位的方式通知微控制器进行处理，大大提高微控制器的工作效率。4)若加入一个合适的电平转换器，如SP3232E、SP3485，UART还能用于RS-232、RS-485通信，或与计算机的端口连接。UART应用非常广泛，手机、工业控制、PC等应用中都要用到UART。33.通过编程控制GPIO引脚上的输出信号周期性地变化，就可以生成上述PWM波形图。从PWM波形图可知，当采用10％占空比的PWM波形时，如果电源电压为12V，则平均加在灯上的电压只有12×10％＝1.2(V)，相当输出12V模拟电压信号；采用50％占空比的PWM波形时，平均加在灯上的电压为12×50％＝6(V)，相当于输出6V的模拟信号；当采用70％占空比的PWM波形时，平均加在灯上的电压为12×70％＝8.4(V)，相当于输出8.4V的模拟信号。34.与标准的串行接口不同，SPI是一个同步协议接口，所有的传输都参照一个共同的时钟，主机产生这个同步时钟信号，接收数据的外设（从机）使用时钟来对串行比特流的接收进行同步化。可能会有许多芯片连到主机的同一个SPI接口上，这时主机通过触发从设备的片选输入引脚来选择接收数据的从设备，没有被选中的外设将不会参与SPI传输。35.SPI主要使用4个信号：主机输出/从机输入（MOSI）、主机输入/从机输出（MISO）、串行时钟（SCLK或SCK）和外设片选（CS）。处理器MOSIMISOSCLKI/OMOS