软考嵌入式系统设计师基础知识复习笔记

1、嵌入式系统设计师考试笔记之嵌入式系统基础知识一、引言自嵌入式系统设计师考试复习笔记之存储管理篇 在嵌入式在线的博客出现后， 意外的得到很多朋友 的关注和评论，收到不少朋友的邮件，问一些有关考试的问题，希望得到我的复习笔记的其他部分。我 非常感谢他们，他们的热切关注，使我有了继续往下写的无限动力，使我萌生了将我以前的复习笔记、 考试经验结合大纲教程并重新按 教程 的章节顺序整理一份适合考生复习的笔记手册， 笔记后面再分 析历年的真题，按章节考点找出相关的考题进行分析，希望能和有兴趣的人们一起讨论讨论。嵌入式系统设计师的一天考试分为上午和下午部分， 两部分的考试方式、 试题难度、 考点分布和复习方

2、 法都是不同的。 这次我们讨论的是嵌入式系统基础知识， 我本人觉得， 这部分出下午大题的可能性不大， 主要是分布在上午的 75 道选择题之中。从历年的真题和考试大纲来看， 上午的选择题主要考查一些基本概念， 重要原理的理解， 一些关键技术 和一些重要的原理引申出来的简单计算。 根据这些考试特点， 复习的时候可以采用适当的策略， 当然每 个人的方法都是不一样的， 适合自己的办法才是最好的办法。 方法大家可以自己慢慢去体会， 我的也不 多说了， 通过笔记和真题分析就可以体现处理。 对于很多关键的知识点和基本概念， 除了记住之外还要 彻底理解，否则出题的时候会进行一些变换，或者引申一些计算，那么就算

3、你知道考那个考点，可能你 也做不好。在复习的过程中，你要记住：你不是要考一个很高的分数，而是要考一个通过的分数，在复习过程中可 以放弃一些内容，只要保证在大部分基本概念，关键技术，重要原理和历年考点上都把握住，能够拿到 需要的分数就可以了。二、复习笔记1、嵌入式系统的定义1）定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。（ 2）嵌入式系统发展的 4 个阶段：无操作系统阶段、 简单操作系统阶段、 实时操作系统阶段、 面向 Internet 阶段。（ 3 ）知识产权核（ IP 核）：具有知识产权的、功能具体、接口规范、

4、可在多个集成电路设计中重复使 用的功能模块，是实现系统芯片（ SOC ）的基本构件。（ 4） IP 核模块有行为、结构和物理 3 级不同程度的设计，对应描述功能行为的不同可以分为三类：软 核、固核、硬核。2、嵌入式系统的组成：硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层（ 1）硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O 接口。嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器Cache ：位于主存和嵌入式微处理器内核之间， 存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和 数据。它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。（ 2）中间层（也称为硬件抽象层

5、HAL 或者板级支持包 BSP ）：它将系统上层软件和底层硬件分离开来， 使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据 BSP 层提供的接口开发即可。BSP 有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。 设计一个完整的 BSP 需要完成两部分工作：A 、 嵌入式系统的硬件初始化和 BSP 功能。片级初始化： 纯硬件的初始化过程， 把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作 状态。板级初始化： 包含软硬件两部分在内的初始化过程， 为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的 运行环境。系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。B 、 设计硬件相关的设备驱动

6、。3）系统软件层：由 RTOS 、文件系统、 GUI 、网络系统及通用组件模块组成。RTOS 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。（ 4）应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。3、实时系统（ 1）定义： 能在指定或确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。（ 2）区别：通用系统一般追求的是系统的平均响应时间和用户的使用方便；而实时系统主要考虑的是 在最坏情况下的系统行为。（ 3 ）特点：时间约束性、可预测性、可靠性、与外部环境的交互性。（ 4）硬实时（强实时） ：指应用的时间需求应能够得到完全满足，否则就造成重大安全事故，甚至造成 重大的生命财产损失和生态破坏，

7、如：航天、军事。（ 5）软实时 （弱实时）：指某些应用虽然提出了时间的要求， 但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行 及环境不会造成严重影响，如：监控系统、实时信息采集系统。（ 6 ）任务的约束包括：时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能约束。4、实时系统的调度（ 1 ）调度：给定一组实时任务和系统资源，确定每个任务何时何地执行的整个过程。（ 2）抢占式调度：通常是优先级驱动的调度，如uCOS 。优点是实时性好、反应快，调度算法相对简单，可以保证高优先级任务的时间约束；缺点是上下文切换多。（ 3）非抢占式调度：通常是按时间片分配的调度，不允许任务在执行期间被中断，任务一旦占用处理 器就必须执行完

8、毕或自愿放弃，如 WinCE 。优点是上下文切换少；缺点是处理器有效资源利用率低， 可调度性不好。（ 4 ）静态表驱动策略：系统在运行前根据各任务的时间约束及关联关系，采用某种搜索策略生成一张 运行时刻表，指明各任务的起始运行时刻及运行时间。（ 5）优先级驱动策略：按照任务优先级的高低确定任务的执行顺序。（ 6）实时任务分类：周期任务、偶发任务、非周期任务。（ 7）实时系统的通用结构模型： 数据采集任务实现传感器数据的采集， 数据处理任务处理采集的数据、 并将加工后的数据送到执行机构管理任务控制机构执行。5、嵌入式微处理器体系结构（1）冯诺依曼结构：程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址

9、和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置， 采用单一的地址及数据总线， 程序和数据的宽度相同。 例如： 8086 、ARM7 、MIPS （2）哈佛结构：程序和数据是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问，是一种 将程序存储和数据存储分开的存储器结构。例如：AVR、ARM9、ARM10 （3）CISC 与 RISC 的特点比较（参照教程 22 页）。计算机执行程序所需要的时间 P 可以用下面公式计算：P=I XCPI XTI ：高级语言程序编译后在机器上运行的指令数。CPI ：为执行每条指令所需要的平均周期数。T ：每个机器周期的时间。（ 4）流水线的思想： 在 CPU 中把一

10、条指令的串行执行过程变为若干指令的子过程在CPU 中重叠执行。（ 5 ）流水线的指标： 吞吐率：单位时间里流水线处理机流出的结果数。如果流水线的子过程所用时间不一样长，则吞 吐率应为最长子过程的倒数。建立时间：流水线开始工作到达最大吞吐率的时间。若m个子过程所用时间一样，均为 t,则建立时间T = mt。6）信息存储的字节顺序A、存储器单位：字节（8位）B、字长决定了微处理器的寻址能力，即虚拟地址空间的大小。C、32 位微处理器的虚拟地址空间位 232，即 4GB。D、小端字节顺序：低字节在内存低地址处，高字节在内存高地址处。E、大端字节顺序：高字节在内存低地址处，低字节在内存高地址处。F、

11、网络设备的存储顺序问题取决于OSI模型底层中的数据链路层。6 、逻辑电路基础（ 1）根据电路是否具有存储功能，将逻辑电路划分为：组合逻辑电路和时序逻辑电路。（ 2）组合逻辑电路：电路在任一时刻的输出，仅取决于该时刻的输入信号，而与输入信号作用前电路 的状态无关。常用的逻辑电路有译码器和多路选择器等。（ 3）时序逻辑电路： 电路任一时刻的输出不仅与该时刻的输入有关， 而且还与该时刻电路的状态有关。 因此， 时序电路中必须包含记忆元件。 触发器是构成时序逻辑电路的基础。 常用的时序逻辑电路有寄存 器和计数器等。（4）真值表、布尔代数、摩根定律、门电路的概念。 （教程 28、 29 页）（ 5） N

12、OR （或非）和 NAND （与非）的门电路称为全能门电路，可以实现任何一种逻辑函数。（ 6）译码器：多输入多输出的组合逻辑网络。每输入一个 n 位的二进制代码，在 m 个输出端中最多有一个有效。当m = 2n是，为全译码；当 m<2n时，为部分译码。（ 7）由于集成电路的高电平输出电流小， 而低电平输出电流相对比较大， 采用集成门电路直接驱动 LED 时，较多采用低电平驱动方式。液晶七段字符显示器 LCD 利用液晶有外加电场和无外加电场时不同的 光学特性来显示字符。（ 8）时钟信号是时序逻辑的基础，它用于决定逻辑单元中的状态合适更新。同步是时钟控制系统中的主要制约条件。9）在选用触发器

13、的时候，触发方式是必须考虑的因素。触发方式有两种：电平触发方式：具有结构简单的有点，常用来组成暂存器。 边沿触发方式：具有很强的抗数据端干扰能力，常用来组成寄存器、计数器等。7、总线电路及信号驱动（ 1）总线是各种信号线的集合，是嵌入式系统中各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。在同一时刻，每条通路线路上能够传输一位二进制信号。按照总线所传送的信息类型，可以分为：数据 总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB ）。（ 2）总线的主要参数：总线带宽：一定时间内总线上可以传送的数据量，一般用MByte/s 表示。总线宽度：总线能同时传送的数据位数（bit ） ，即人们常说的 32 位

14、、 64位等总线宽度的概念，也叫总线位宽。总线的位宽越宽，总线每秒数据传输率越大，也就是总线带宽越宽。总线频率：工作时钟频率以 MHz 为单位，工作频率越高，则总线工作速度越快，也即总线带宽越宽。总线带宽 =总线位宽X总线频率/8 ,单位是MBps。 常用总线： ISA 总线、 PCI 总线、 IIC 总线、 SPI 总线、 PC104 总线和 CAN 总线等。（ 3）只有具有三态输出的设备才能够连接到数据总线上，常用的三态门为输出缓冲器。（ 4）当总线上所接的负载超过总线的负载能力时，必须在总线和负载之间加接缓冲器或驱动器，最常 用的是三态缓冲器，其作用是驱动和隔离。（ 5）采用总线复用技术

15、可以实现数据总线和地址总线的共用。但会带来两个问题：A 、需要增加外部电路对总线信号进行复用解耦，例如：地址锁存器。B、总线速度相对非复用总线系统低。（ 6）两类总线通信协议：同步方式、异步方式。7）对总线仲裁问题的解决是以优先级（优先权）的概念为基础。8、电平转换电路（ 1）数字集成电路可以分为两大类：双极型集成电路（TTL ）、金属氧化物半导体（ MOS ）。（ 2 ） CMOS 电路由于其静态功耗极低，工作速度较高，抗干扰能力较强，被广泛使用。（ 3）解决 TTL 与 CMOS 电路接口困难的办法是在 TTL 电路输出端与电源之间接一上拉电阻R ，上拉电阻 R 的取值由 TTL 的高电平

16、输出漏电流 IOH 来决定，不同系列的 TTL 应选用不同的 R 值。9 、可编程逻辑器件基础（具体参见教程51 到 61 页）这方面的内容，从总体上有个概念性的认识应该就可以了。10 、嵌入式系统中信息表示与运算基础（ 1）进位计数制与转换：这样比较简单，也应该掌握怎么样进行换算，有出题的可能。（ 2 ）计算机中数的表示：源码、反码与补码。正数的反码与源码相同，负数的反码为该数的源码除符号位外按位取反。 正数的补码与源码相同，负数的补码为该数的反码加一。例如 98 的源码： 11100010B反码： 10011101B补码： 10011110B（ 3 ）定点表示法：数的小数点的位置人为约定固

17、定不变。浮点表示法：数的小数点位置是浮动的，它由尾数部分和阶数部分组成。任意一个二进制 N总可以写成：N=2P XS。S为尾数，P为阶数。（ 4）汉字表示法（教程 67 、68 页），搞清楚 GB2318-80 中国标码和机内码的变换。（5）语音编码中波形量化参数（可能会出简单的计算题目哦）采样频率：一秒内采样的次数，反映了采样点之间的间隔大小。人耳的听觉上限是 20kHz ，因此 40kHz 以上的采样频率足以使人满意。CD 唱片采用的采样频率是 44.1kHz 。测量精度：样本的量化等级，目前标准采样量级有 8 位和 16 位两种。 声道数：单声道和立体声双道。立体声需要两倍的存储空间。1

18、1 、差错控制编码（1）根据码组的功能，可以分为检错码和纠错码两类。检错码是指能自动发现差错的码，例如奇 偶检验码；纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码，例如循环冗余校验码。（ 2 ）奇偶检验码、海明码、循环冗余校验码（CRC ）。（教程 70 到 77 页）12 、嵌入式系统的度量项目（ 1 ）性能指标：分为部件性能指标和综合性能指标，主要包括：吞吐率、实时性和各种利用率。般用平（ 2 ）可靠性与安全性 可靠性是嵌入式系统最重要、 最突出的基本要求， 是一个嵌入式系统能正常工作的保证， 均故障间隔时间 MTBF 来度量。（ 3 ）可维护性：一般用平均修复时间 MTTR 表示。（ 4

19、 ）可用性（ 5 ）功耗（ 6 ）环境适应性（ 7）通用性（ 8 ）安全性（ 9 ）保密性（ 10 ）可扩展性 性价比中的价格， 除了直接购买嵌入式系统的价格外， 还应包含安装费用、 若干年的运行维修费用和软件租用费。13 、嵌入式系统的评价方法：测量法和模型法（ 1）测量法是最直接最基本的方法，需要解决两个问题：A、根据研究的目的，确定要测量的系统参数。B、选择测量的工具和方式。（2）测量的方式有两种：采样方式和事件跟踪方式。（3）模型法分为分析模型法和模拟模型法。分析模型法是用一些数学方程去刻画系统的模型，而模拟 模型法是用模拟程序的运行去动态表达嵌入式系统的状态，而进行系统统计分析，得出

20、性能指标。（ 4）分析模型法中使用最多的是排队模型，它包括三个部分：输入流、排队规则和服务机构。（5）使用模型对系统进行评价需要解决3 个问题：设计模型、解模型、校准和证实模型。三、真题解析1 、 2007 年 4 、 5 题若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行三步。已知取指时间 t取指=4，分析时间t分析=3,执行时间t执行=5。如果按串行方式执行完 100条指令需要 （4） 。如果按照流水线方式执行，执行完 100 条指令需要（ 5）t。（ 4） A. 1190B. 1195C. 1200D. 1205（ 5） A. 504B. 507C. 508D. 510答案 ：C、 B考查流水线

21、技术知识点。按照串行的方式，执行完一条指令才能执行下一条指令，那么执行完100 条指令的时间为： （435）X100 = 1200按照流水线的方式， 可以同时执行多条指令。 在第一条指令进行分析的时候， 第二条指令已经开始取指；当第一条指令进行执行的时候， 第二条指令进行分析， 第三条指令取指； 当第二条指令进行执行完的时 候，第三条指令已经分析完成。依此类推，当第一条指令完成之后，每一个执行的周期就可以完成一条指令。 需要注意的是， 如果流水线的子过程所用时间不一样长，则吞吐率应以最长子过程来计算。 因此，我们可以计算得100条指令的执行时间为：(4 + 3+ 5) + ( 100 1 )X

22、5 = 507。2、2007 年 24 题某总线有 104 根信号线，其中数据总线( DB) 32 根，若总线工作频率为 33MHz ，则其理论最大传输率为 ( 24 ) 。(注：本题答案中的 B 表示 Byte )(24) A. 33 MB/sB. 64MB/s C. 132 MB/sD. 164 MB/s答案 ： C考查总线这个知识点。根据上面的笔记，总线带宽 =总线位宽X总线频率/8=32 X33/8 = 132MB/S 。3、2007 年26 题某存储器数据总线宽度为32bit，存取周期为250ns，则该存储器带宽为(26)。(注：本题答案中的B 表示 Byte )(26) A. 8X

23、106B/sB. 16X106B/sC. 16X108B/sD. 32X106B/s答案 ： B考查总线这个知识点。存储器带宽即总线带宽，总线频率为： 1/250ns=4 X106存储器带宽为：32 4 X106/8 = 16 X106B/S4、2007 年 27 题（ 27）A. 数据总线、串行总线、逻辑总线、物理总线B. 并行总线、地址总线、逻辑总线、物理总线C. 并行总线、串行总线、全双工总线D. 数据总线、地址总线、控制总线答案 :D考查总线这个知识点，基本概念的考查。5、2007 年 35 题三极管是可控的开关器件，其饱和与截止状态分别对应开关的接通和断开状态。 UBE 为基极输入电

24、压，VTH 为基极域值电压，如果 UBEVTH ，开关应处于 （ 35） 状态。（ 35） A. 接通B. 三态C. 断开D. 高阻答案: C考查电路中最基本的基础知识点，我觉得做不对的根本不能算嵌入式系统开发入门。6、2007 年 36 题如下图所示，若低位地址（ A0-A11 ）接在内存芯片地址引脚上，高位地址（ A12-A19 ）进行片选译码 （其中， A14 和 A16 没有参加译码） ，且片选信号低电平有效，则对下图所示的译码器，不属于此译码 空间的地址为 （36 ） 。（36） A. ABOOOH ABFFFHB. BBOOOH BBFFFHC. EF000H EFFFFHD. F

25、E000H FEFFFH答案: D考查数字电路中译码知识和存储系统中统一编址的问题， 相对来说， 这个题目有点难度， 但是对于学习 过和亲身做过单片机的兄弟来说，最基本不过了。7、2007 年 46 题 （ 46 ） 完全把系统软件和硬件部分隔离开来，从而大大提高了系统的可移植性。（ 46）A. 硬件抽象层B. 驱动映射层 C. 硬件交互层 D. 中间层答案 :A考查嵌入式系统组成中的概念。8、2006 年 3 题设指令由取指、分析、执行 3个子部件完成，每个子部件的工作周期为t,采用常规标量单流水线处理机。若连续执行 10条指令，则共需要时间（3）At。（ 3） A.8B.10C.12D.1

26、4答案: C考查流水线技术知识点。3 +（ 10 1）X1 = 129 、 2006 年 4 、 5 题某计算机的时钟频率为 400MHz ,测试计算机的程序使用 4 种类型的指令。 每种指令的数量及所需要的 指令时钟数（ CPI ）如下表所示,则该计算机的指令平均时钟数为（ 4）；该计算机的运算速度为（5）MIPS 。指令类型指令数目（条）每条指令需要的时钟数116000012 3000023 2400044 1600084)A.1.85B.1.93C.2.36D.3.75( 5 ) A.106.7B.169.5 C.207.3 D.216.2答案 ：B、C 考查指令运行方面的简单计算。平均

27、时钟数=(160000 + 2 X30000 + 4 X24000 + 8 X16000 ) / ( 160000 + 30000 + 24000 + 16000 )=1.93MIPS 是指每秒种执行多少百万条指令，即 106。 计算机的运行数度为： 400/1.93=207.25=207.3MIPS9、2006 年 12 题计算机要对声音信号进行处理时， 必须将它转换为数字声音信号。 最基本的声音信号数字化方法时 取样量化法。若量化后的每个声音样本用 2 个字节表示，则量化分辨率是( 12)( 12 ) A.1/2B.1/1024C.1/65536D.1/131072答案 :C考查声音编码种

28、量化计算的知识点。2个字节是16位，其量化分辨率位1/216 = 1/65536。10、2006 年13题某幅图像具有640 M80个象素点，若每个象素具有8位的颜色深度，则可表示(13 )种不同的颜色，经过 5: 1 压缩后，其图像数据需要占用(1 4 ) ( Byte )的存储空间。( 13 ) A.8B.256C.512D.1024( 14 ) A.61440B.307200C.384000D.3072000答案: B、A考查图像数据存储计算的知识点。8位颜色深度可以表示28 = 256种颜色深度。经过5: 1压缩后的数据大小为：640 M80疋/8/5 = 61440。11 、 200

29、6 年 23 题若某逻辑门输入 A、B和输出F的波形如下图所示，则 F（A,B）的表达式为（23）（23） A.F=A BB.F=A+BC.F=A 异或 BD.F=A （ B 的非）A|B|F|答案 ： C 考查数字电路的最基本知识点，我觉得这个都搞不清楚很难通过这个考试。12、 2006 年24 题一个 4 位的二进制计数器，由 0000 状态开始，经过 25 个时钟脉冲后，该计数器的状态为 24（24）A.1100B.1000C.1001D.1010答案 ： C考查数字电路的最基本知识点， 相对上面一题有点难， 需要对计数器的工作原理有比较清楚的理解。 个也是搞嵌入式系统的基础中的基础，参考教程 38 页或相关的数电书籍。0000 。4位的计数器，其计数范围是24 = 16 , 0000开始经过16个时钟脉冲之后又回到了开始的状态25 16 = 9，所以说经过25个时钟之后，其计数器的数值应该是9 = 1001。13 、2006 年 25 题 稳压二极管构成的稳压电路的接法是（ 25 ）（ 25）A. 稳压管与负载电阻串联。B. 稳压管与限流电阻并联。C. 限流电阻与稳压管串联后，在与负载电阻串联。D. 限流电阻与稳压管串联后，在与负载电阻并联。答案 :D考查模拟电路的最基本知识点，实在太简单，不知道从那里开始分析了。14 、2006 年 26 题以下叙述