软考嵌入式系统设计师笔记归纳总结

1、软考嵌入式系统设计师笔记1.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

2、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。日 设计硬件相关的设备驱动。(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。2.嵌入式系统的定义(1)定义：以应用为中心，以计算机技术为

3、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核广具有知识产权的、 功能具体、接口规范、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。3.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，

4、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

5、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。4.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，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

6、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 。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)。类别CISCRI

7、SC指令未统指令数量很多较少.通常少于】执行时间有些指令执行时间很长,如整块的存储器内容复制；或将多个寄存器的内容复制到存依步没有费长执行时间的指令-鲜四珍编码长反可他.字节_编妇长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式理:管单寻法一操作可储q寄存整行算空和爱鑫条作只能标存需与&算术和理怅操脩编详建以用优化编译器生成效的目标代码程序关注优化辆甘按札4成3效刘同机代码程序计算机执行程序所需要的时间P可以用下面公式计算：P=|XCPIXTI :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中把一条指令的

8、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)日 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2A32 ,即4GBD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、网络设备的存储顺序问

9、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)实现.布尔代数中有3史整型的携您and和not"谡

10、辑和(logical sum),如/小四 若.和万卬生少相一位为1时，则结果为 A少)操作符，记为“ ”，也称为逻辑乘施product如/ 露 仅当琳值都为I时.其结果才为L*/fNOT 少以)操作符.记为“彳”，也称为逻辑韭.当输入川为。时，输出为1时，输出为oBAi R反演律摩根定律)度辑代数的特殊规律.不1司于普通代敷1(5)NOR(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

11、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：具有结构简单的特点，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。

12、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、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、SP

13、I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 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。以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

14、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电路接口困难白办法是在 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的高电平输出漏电流IOH来决定，不同系列的 TTL应选用 不同的R值。9 .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)o (教程70到77页)10 .嵌入式系统的度量项目(1)性能指标

15、：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。(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，一般用平均故障间隔时间MTBF来度量。(3)可维护性：一般用 平均修复时间 MTTR表示。(4)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。11 .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

16、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< So S为尾数，P为阶数。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。当某一种输入码输入一个汉字到计算机之后，汉字管理模块立刻将它转换成2字节长 的GB23葭一加国标码，同时将国标码的每个字节

17、的最高位置为L作为汉字的标识符， 即将国标码转换为机器内部的代码一汉字内部码。如：”啊仲的国标码是：OOH QOOO 0001 0010 (3012H)生成的汉字内码为110!1 0000 1001 0010 (B0A1H)(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。12 .嵌入式系统的评价方法：测量

18、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。日 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。13.1. 嵌入式微处理器的基本结构(1)嵌入式硬件系统一般由 嵌入式微处理

19、器、存储器和输入 /输出部分组成。(2)嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心，通常由控制单元、算术逻辑单元和寄存器3大部分组成：A、控制单元：主要负责 取指、译码和取数等基本操作并发送主要的 控制指令。日算术逻辑单元：主要处理数值型数据和进行逻辑运算工作。C寄存器：用于暂存临时性的数据。2 .嵌入式微处理器的分类(根据用途)(1)嵌入式微控制器(MCU):又称为单片机，片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。最大的特点是单片化，体积小，功耗和成本低，可靠性高。目前约占70%勺市场份额。(2)嵌入式微处理器(EMPU：又称为单板机，由通用计算机中的 CPU发展而来，它的特 征是具有32位以上的处理

20、器，具有较高的性能。通常嵌入式微处理器把CPU ROM RAM及I/O等模块做到同一个芯片上。(3)嵌入式DSP处理器(DSP):专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令 算法方面进行了特殊设计，使其处理速度比最快的CPU还快1050倍，在数字滤波、FFT、频谱分析等方面获得了大量的应用。(4)嵌入式片上系统(SOC):追求产品系统最大包容的集成器件，其最大的特点是成功实现了软硬件的无缝结合，直接在微处理器片内嵌入操作系统的代码模块。3 .典型8位微处理器(具有8位数据总线)的结构和特点该部分参考教程8694页，以8051为重点，彻底搞清楚 8位单片机的工作原理， 外设控制、存储分布、

21、寻址方式以及典型应用。2007年11月下午的第一道题目就考查了8051的定时器使用、外部时钟连接、实际应用的流程设计以及典型的寻址方式。这些考点几乎可以在教程上找到，例如外部时钟连接那个问题的答案就是教程89页上面的原图。4 .典型16位微处理器的结构和特点该部分参考教程9497页。典型的微处理器可以参考MSP430找一本这方面的书看看关于MSP430勺结构原理以及典型应用。目前16位微控制器以皿司公司的MCS-96/196系歹kTI公司的MSP430系列和Motomla 司的6SH12系列为主,它们主要应用于便携式设备、工非控制及智能仪器仪表等.下面5 .典型32位微处理器的结构和特点该部分

22、参考教程97112页。32位处理器采用32位的地址和数据总线，其地址空 间达到了 2A32=4GR目前主流的32位嵌入式处理器系统主要有 ARM系列、MIPS系列、PoewrPC系列等。 ARM微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC处理器结构。按照目前的发展形式， ARM几乎成了嵌入式应用的代名词。按照我个人的意见，作为嵌 入式系统设计师考试，逐渐增加考查ARM体系结构与编程方面的题目是大势所趋。2006年没有一道关于 ARM的题目，2007年出了少量题目，可能在2008年会继续增加。在下午题方 面，2006年考查了 X86方面的应用、2007年考查了 8051

23、方面的应用，这个可能是一个过度 过程，以目前ARM在嵌入式领域的广泛应用和普及程度，下午题目考查ARM应用方面或者32位其他的微处理器方面的应用题目可能在不就将来的考试中就会出现。14 .单片机系统的基本概念(1)单片机组成：中央处理器、存储器、 I/O设备。(2)存储器：物理实质是一组或多组具备数据输入/输出和数据存储功能的集成电路，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。A、ROM公读存储器)：一般用于存放固定的程序或数据表格等，数据在掉电后仍然会保留下来。日RAM随机存储器厂用于暂存程序和数据、中间计算结果，或用作堆栈用等，数据在 掉电后就会丢失。(3)I/O 端口：单片机与外界联系的通

24、道，它可以对各类外部信号(开关量、模拟量、频率信号)进行检测、判断、处理，并可控制各类外部设备。现在的单片机I/O 口已经集成了更多的特性和功能，对 I/O端口的功能进行了拓展和复用，例如外部中断、ADC检测以及PWM输出等等。(4)输出电平：高电平电压(输出“ 1”时)和低电平电压(输出“0”时)A、TTL电平：正逻辑，5V为逻辑正，0V为逻辑负，例如单片机的输出。日RS232电平：负逻辑，-12V为逻辑正，+12V为逻辑负，例如 PC的输出。注：因此在单片机和 PC进行通讯的时彳矣需要一个MAX23犯片进行电平转换。(5)堆栈：它是一种线性的数据结构，是一个只有一个进出口的一维空间。A、堆

25、栈特性：后进先出(LIFO)以堆栈指针：用于 指示栈顶的位置（地址），当发生压栈或者出栈操作时，导致栈顶位 置变化时，堆栈指针会随之变化。C堆栈操作：压栈操作（PUSH）和出栈操作（POP）。D堆栈类型：“向上生长”型堆栈，每次压栈时堆栈指针加1； “向下生长”型堆栈，每次压栈堆栈时指针减 1。E、堆栈应用：调用子程序、 响应中断时，堆栈用于保护现场；还可以用作临时数据缓冲 区来使用。F、使用注意：堆栈溢出问题，压栈和出栈的匹配问题。（6）定时/计数器：实质都是计数器。用作定时器时是对单片机内部的时钟脉冲进行计数， 而在用作计数器时是对单片机外部的输入脉冲进行计数，其作用如下：A、计时、定时或

26、延时控制；B脉冲技术；C测量脉冲宽度或频率（捕获功能）（7）中断：优先级更高的事件发生，打断优先级低的时间进程 。引起中断的事件称为中断源。一个单片机可能支持多个中断源，这些中断源可以分为可屏蔽中断和非可屏蔽中断， 而这些中断源并不都是系统工作所需的，我们可以根据系统需求屏蔽那些不需要的中断源。A、中断嵌套：当一个低级中断尚未执行完毕，又发生了一个高级优先级的中断，系统 转而执行高级中断服务程序，待处理完高级中断后再回过头来执行低级中断服务程序。日中断响应时间是指 从发出中断请求到进入中断处理所用的时间；中断处理时间是指中断处理开始到中断处理结束的时间。C中断响应过程：a、保护现场：将当前地址

27、、累加器 ACC状态寄存器保存到堆栈中。b、切换PC指针：根据不同的中断源所产生的中断，切换到相应的入口地址。c、执行中断服务处理程序。d、恢复现场：将保存在堆栈中的主程序地址、累加器ACC状态寄存器恢复。e、中断返回：从中断处返回到主程序，继续执行。D中断入口地址：单片机为每个中断源分配了不同的中断入口地址，也称为中断向量。（8）复位：通过外部电路给单片机的复位引进一个复位信号，让系统重新开始运行。A、复位发生时的动作：a、PC指针从起始位置开始执行 （大多数单片机都时从 0x0000处开始执行）。b、I/O 端口设置成缺省斗犬态（高阻态、或者输出低电平）。c、部分专用控制寄存器 SFR恢复

28、到缺省状态。d、普通RAM不变（如果时上电复位，则是随即数 ）。以两种不同的复位启动方式：a、冷启动：也叫上电复位，指在断电状态下给系统加电，让系统开始正常运行。b、热启动：在不断电的状态下，给单片机复位引进一个复位信号，让系统重新开始。C两种类型的复位电路：高电平复位和低电平复位。D注意事项：a、注意复位信号的电平状态及持续时间必须满足系统要求。b、注意避免复位信号抖动。（9）时钟电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲电路才能正常工作。时钟电路相当于单片机的心脏，它的每一次跳动（振动节拍）都控制着单片机的工作节奏。振荡得慢时，系统工作速度就慢，振荡得快时，系统工作速度就快（功耗也增大）。A

29、、振荡周期：振荡源的振荡节拍。以机器周期：单片机完成一个基本操作需要的振荡周期（节拍）。C指令周期：执行一条指令需要几个机器周期。不同的指令需要的机器周期数不同。15 .地址映射地址映射也叫地址重定位。逻辑地址和物理地址是完全不同的，不能用逻辑地址来直接访问内存单元。为了保证CPU在执行指令的时候，可以正确地访问内存单元，需要将用户程序中的逻 辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址。这个过程称为：地址映射。地址映射由存储管理单元 MMUpe完成。地址映射主要有两种方式：静态地址映射和动态地址映射。静态地址映射：当用户程序被装入内存时，直接对指令代码进行修改，一次性地实现逻辑地址到物理地址的

30、转换。动态地址映射：当用户程序被装入内存时，不对指令代码做任何修改，而是在程序的运行过程中，当它需要访问内存单元的时候，再来进行地址转换。在具体实现时，这项转换工作一般是由硬件的地址映射机制来完成的。通常设置一个基地址寄存器，或者叫重定位寄存器。当一个任务被调度运行时，就把它所在分区的起始地址装入到整 个寄存器中。然后，在程序运行的过程中，当需要访问某个内存单元时，硬件就会自动地将 其中的逻辑地址加上基地址寄存器中的内容，从而得到实际的物理地址，并且按照这个物理地址区执行。这个基地址寄存器位于 MMU的内部，整个地址映射过程是自动运行的。从理论上说， 每访问一次内存都要进行一次地址映射。16

31、. ARM系结构的基本概念ARM： Advanced RISC Machine 。(2)ARM体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。(3)ARM内核有T、D M I四个功能模块：A、T模块：表示16位Thumb可以在兼顾性能的同时减少代码尺寸。日D模块：表示Debug,内核中放置了用于 调试的结构，通常为一个边界扫描链 JTAGC M模块：表示8位乘法器。D I模块：表示EmbeddedICE Logic,用于实时断点观测及变量观测的逻辑电路部分(4)ARM处理器有7种运行模式:A用户模式(User):正常程序执行模式，用于应用程序。D快速中断模式(FIQ):快速中断处理，

32、用于 高速数据传输和通道处理 。C外部中断模式(IRQ):用于通用的中断处理。D管理模式(SVE):供操作系统使用的一种保护模式。E、数据访问中止模式(Abort):用于虚拟存储及存储保护。F、未定义指令中止模式(Undefined):当未定义指令执行时进入该模式。G系统模式(System):用于运行特权级的操作系统任务。除了用户模式之外的其他 6种处理器模式称为特权模式，在这些模式下，程序可以访问 所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式切换，其中，除了系统模式外，其他的5种特权模式又称为异常模式 。处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过程进行切 换。大多数的用

33、户程序运行在用户模式下，这时，应用程序不能访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式切换。当需要进行处理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理中进行处理器模式的切换。这种体系结构可以使操作系统控制整个系统的资源。当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式种都有一 组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证进入异常模式时，用户模式下的寄存器不被破坏。系统模式并不是通过异常过程进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器，但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换， 它主要供操作系统任务使用。17

34、 .嵌入式操作系统概述(1)内核内核是指操作系统中的一个组件，它包含了OS的主要功能，即 OS的各种特性及其相互之间的依赖关系，这些功能主要包括：A任务管理：对系统中运行的软件进行描述和管理，并完成处理器资源分配和调度以 存储管理：提高内存的利用率，方便用户使用，提供足够的存储空间。C设备管理：方便设备的使用，提高 CPU和I/O设备的利用率。D文件管理：解决文件资源存储、共享、保密和保护等问题。注：不同嵌入式操作系统的内核设计各不相同，取决于系统设计和实际需求。(2)嵌入式操作系统分类：A、按系统类型：商业系统、专用系统、开源系统。以按响应时间：硬实时系统、软实时系统。C 按软件结构： 单体

35、结构(uCOS)、分层结构(MS-DOS)、微内核结构(Vxworks)。18 .嵌入式软件基础(1)嵌入式软件的特点：A规模较小。日开发难度大。C实时性和可靠性要求高。D要求固化存储。(2)嵌入式软件分类：A、系统软件：控制和管理嵌入式系统资源，如 嵌入式操作系统、驱动程序、中间件 等。以 应用软件：定义嵌入式设备的主要功能和用途，负载与用户进行交互。C支撑软件：辅助软件开发的工具软件。(3)无操作系统的嵌入式软件的两种实现方式：A循环轮转优点：简单、直观、开销小、可预测。缺点：过于简单，所有代码 顺序执行，无法处理异步事件，缺乏并行处理能力。日前后台系统（在循环轮转的基础上增加了中断处理功

36、能）前台（事件处理级）：中断服务程序，负载处理异步事件。后台（任务级）：一个无限循环，负载资源分配、任务管理和系统调度。（4）有操作系统的三大优点：A、提高系统的可靠性。以提高了系统的开发效率，降低了开发成本，缩短了开发周期。C有利于系统的扩展与移植。（5）设备驱动层（也叫板级支持包BSP包含了嵌入式系统中所有与硬件相关的代码）大多数的嵌入式硬件设备都需要某种类型软件的初始化和管理。这部分工作由设备驱动层来完成的，它负责直接与硬件大交道， 对硬件进行管理和控制， 为上层软件提供所需的驱 动支持，类似PC系统中的BIOS和驱动程序。19 .设备管理（1）设备管理基础一个I/O单元通常由两个部分组

37、成：A机械部分：I/O设备本身。以电子部分：设备控制器或设备适配器。硬件寄存器的编址方式有三种：A、I/O独立编址：对于各种设备控制器中的每一个寄存器，分配一个唯一的I/O端口编号，也叫I/O 端口地址，然后用专门的I/O指令对这些端口进行操作。这些端口地址构成的地址空间是完全独立的，与内存地址空间没有任何关系 。日内存映象编址：把各种设备控制器当中的每一个寄存器都映射为一个内存单元，这 内存单元专门用于I/O操作。端口地址空间与内存地址空间是统一编址的，端口地址空间 是内存地址空间的一部分。C混合编址：对于设备控制器当中的寄存器采用独立编址的方法，每个寄存器有一个 独立的I/O端口地址；而对

38、于设备的数据缓冲区，则采用内存映象编址的方法，把他们统一 到内存地址空间当中。(2)I/O控制方式：A、程序循环检测：要一直占用 CPU浪费CPU的时间。以中断驱动方式：前后台系统。C直接内存访问：DMA控制，减少了中断的次数。20 .任务管理(1)嵌入式操作系统的任务管理可以分为：A、单道程序技术：操作系统中，任何时候只能有一个程序在运行。以 多道程序技术：操作系统中，允许多个程序同时存在并运行。(2)进程进程，简单的说，是 一个正在运行的程序。进程与程序既有联系又有区别，主要表现为下面结构方面：A、程序由数据和代码两部分内容组成，它是一个静态的概念。而进程是正在执行的程 序，它也由两部分组

39、成：程序和该程序的运行上下文 。它是一个动态的概念。以程序和进程之间并不是一一对应的。一个进程在运行的时候可以启动一个或多个程 序。反之，同一个程序也可能由多进程同时执行。C程序可以作为一种软件资源长期保存，以文件的形式存放在光盘或硬盘上，而进程 则是一次执行的过程，它是暂时的，是动态的产生和终止。一个进程至少应包括三个方面：相应的程序、CPU上下文、一组系统资源。进程有三个特性：A、动态性：进程是正在运行的程序，而程序的运行状态是不断变化的。以独立性：进程是系统资源的使用单位 ，每个进行有自己的运行上下文和内部状态。C并发性：宏观来看，系统中同时有多个进程存在，它们相互独立地运行。注：对于并

40、发的理解。在单CPU的情况下，所谓的并发性指的是 宏观上的并发运行，而微观上还是顺序进行，各个进程轮流去使用 CPU资源。在单核 CPU中，真正的、物理上的 PC寄存器只有一个， 进程在轮流执行的时候，物理PC的取值也在不断变化。 而逻辑PC其实就是一个内存变量。每个进程都有一个逻辑 PC,当一个进程要运行的时候，就把它的逻辑 PC装载到物理PC中 去；反之，当一个进程暂不运行的时候，就把物理PC中的值保存在它的逻辑 PC当中。(3)线程线程就是进程当中的一条执行流程 。进程其实包含两个部分：资源平台和执行流程(线程)。在一个进程当中，或者说在一个资源平台上，可以同时存在多个线程；可以用线程作

41、为CPU的基本调度单位，使得各个线程之间可以并发执行；对于同一个进程当中的各个线程来说，他们可以共享该进程的大部分资源。每个线程都有自己独立的 CPLU!行上下文和栈， 这是不能共享的。21 .文件系统(1)嵌入式文件系统概述文件系统就是操作系统中用以 组织、存储、命名、使用和保护 文件的一套 管理机制。常见的嵌入式文件系统 有：A、FAT： VxWorks、QNX WindowsCE 等日NFS网络文件系统，基于远程调用和扩展数据表示。C FFS:用于Flash存储器的文件系统。(2)文件和目录A、当一个文件被创建时，必须给它指定一个名字，用户就是通过文件名来访问这个文 件的。以文件命是一个

42、 有限长度的字符串，由两部分组成：文件名和扩展名。C文件的逻辑结构主要有三种：无结构、简单的记录结构和复杂结构。现代文件系统通常采用的是无结构的形式 。D除了文件名之外，操作系统会给每个文件附加一些其他信息，称为文件的属性。E、文件的存取方法有两种：顺序存取和随机存取。F、目录也称为文件夹，它是一张表格，记录了在该目录下每个文件名和其他的一些管 理信息。G在多级目录结构中，访问文件或目录主要有两种方法：绝对路径名和相对路径名。22 .存储器系统的层次架构计算机系统的存储器被组织城一个金字塔的层次结构。自上而下为：CPU内部寄存器、芯片内部高速缓存 （cache）、芯片外部高速缓存（SRAM S

43、DRAM DRAMI）主存储器（FLASH EEPROM）外部存储器（磁盘、光盘、 CF卡、SD卡）和远 程二级存储器（分布式文件系统、 WEB服务器），6个层次的结构。上述设备从上而下， 依次速度更慢、容量更大、访问频率更小，造价更便宜。23 .高速缓存（cache）工作原理（参照教程126页，博客画不了图 广主要利用了程序的局部性特点。图3遍咏he_L作原事图地址映象 是指把主存地址空间映象到cache的地址空间。地址变换是指当程序或数据已经装入到cache后，在实际运行过程中，把主存地址如何编程cache空间的地址。常用的地址映象和地址变换的方式有：（教程127页）常用的地址映像和变换方

44、式有，全相联地斗映像和变换，组相联地址映像和变换、算 接映像和变携X直接映象和变换：速度快，造价低，但有局限性，不能充分利用cache的好处。组相联地址映象和变换：速度稍慢但是命中率高。全相联地址映象和变换：可以任意映射。常用的cache替换算法：轮转法和随机替换算法 。高速缓存的分类：统一 cache和独立的数据/指令cache写通 cache 和写回 cache读操作分配cache和写操作分配cache24 .存储管理单元（MMU）MMU& CPU和物理内存之间进行地址转换，将地址从逻辑空间映射到物理空间，这个过程称为内存映射。MMU主要完成下面的工作：A.虚拟存储空间到物理空间的

45、映射。B.存储器访问权限的控制。C.设置虚拟存储空间的缓冲特性。嵌入式系统中常常采用 页式存储管理。为了管理这些页引入了 页表的概念。页表是位于内存中的表，它的每一行对应虚拟存储空间的一个页，该行包含了该虚拟内存页对应的物理内存页的地址、该页的访问权限和该页的缓冲特性等。从虚拟地址到物理地址的变换过程就是查询页表的过程。由于页表存储在内存中的， 整个查询过程需要付出很大的代价。根据程序局部性的特点，增加了一个小容量、高速度的存储部件来存放当前访问需要的地址变换条目，这个存储部件称为：地址转换后备缓冲器(TLB)。当CPU访问内存时，首先在TLB中查找需要的地址变换条目，如果该条目不存在，CPU

46、再从内存中的页表中查询，并把相应的结果添加到TLB中，更新它的内容。嵌入式系统中虚拟存储空间到物理空间的映射以内存块为单位进行。即虚拟存储空间中一块连续的存储空间被映射到物理存储空间中同样大小的一块连续存储空间。在页表和TLB中，每一个地址变换条目实际上记录了一个虚拟存储空间的内存块的基 地址与物理存储空间相对应的一个内存块的基地址之间的对应关系。在MMU中实现虚拟地址到物理地址的映射是通过两级页表来实现的。禁止MMU寸，所有物理地址和虚拟地址相等，即使用平板存储模式。24.内存保护操作系统通常利用 MMUpe实现操作系统内核与应用程序之间的隔离，以及应用程序与 应用程序之间的隔离。内存保护包

47、含两个方面的内容：A.防止地址越界，每个应用程序都有自己独立的地址空间。B.防止越权操作，每个应用程序都有自己的访问权限。25.实模式与保护模式在嵌入式系统中，常见的 存储管理方案 可以分为两大类： 实模式和保护模式。实模式：内存的平面使用模式。特点有：A.不划分“系统空间”与“用户空间”，无须进行地址映射。B.操作系统与应用程序之间不再有物理的边界。C.系统中的“任务”或“进程”，实际上全是内核线程。在实模式下，内存布局可以分为5个段:A.代码段：包含操作系统和应用程序的所有代码。B.数据段：所有带有初始值的全局变量。C. BSS段：所有未带初始值的全局变量。D.堆空间：动态分配的内存空间。

48、E.栈空间：保存上下文以及函数调用时的局部变量和形参。在实模式存储管理方案下， 主要的工作在于堆空间的管理，即如何来管理空闲的堆空间、如何来分配内存、如何来回收内存等等。保护模式：处理器中必须有 MMUM件并启用。特点有：A.系统内核和用户程序都有各自独立的地址空间。B.每个应用程序只能访问自己的地址空间，不能去破坏操作系统和其他应用程序的代 码和数据。26.分区存储管理为了实现多道程序系统而采用的最简单的内存管理。基本思路：把整个内存划分为两大区域，即系统区和用户区， 然后再把用户区划分为若干个分区，每个任务占有其中的一个分区。这样，在内存当中就同时保留多个任务，让他们共享整个用户区，从而实

49、现多个任务的并发运行。分区存储管理又可以分为两类：固定分区和可变分区。固定分区：各个用户分区的个数、位置和大小一旦确定后，就固定不变，不能再修改。优点：易于实现，系统开销较小。缺点：内存利用率不高，分区总数固定。可变分区：动态创建，在装入一个程序时，系统将根据它的需求和内存空间的使用情况 来决定是否分配。优点：动态变化，非常灵活。缺点：可能存在外碎片。在实现可变存储管理技术的时候，需要考虑三个方面的问题：A.内存管理的数据结构8 .内存的分配算法C.内存的回收算法27 .嵌入式系统的特点、分类、发展与应用，熟悉嵌入式系统的逻辑组成。（1）特点：专用性隐蔽性（嵌入式系统是被包装在内部 ）资源受限

50、（要求小型化、轻型化、低功耗及低成本，因此软硬件资源受到限制）高可靠性（任何误动作都可能会产生致命的后果 ）软件固化（软件都固化在只读存储器 ROW,用户不能随意更改其程序功能）实时性（2）逻辑组成硬件：1）处理器（运算器、控制器、存储器）目前所有的处理器都是微处理器中央处理器（CPU）和协助处理器（数字信号处理器DSR图像处理器、通信处理器 ）2）存储器（随机存储器RAMF口只读存储器 ROM）RAM为动态DRA防口静态SRA晒种。DRAMfe路简单、集成度高、功耗小、成本低，但 速度稍慢慢；SRAM电路较复杂、集成度低、功耗较大、成本高，但工作速度很快，适合用作指令和数据的高速缓冲存储器R

51、A2关机或断电时，其中的信息都会消失，属于易失性存储器ROM1于不易失性存储器。分为电可擦可编程只读存储器（存放固件）和闪速存储器（Flash ROM简称内存）。内存的工作原理：在低压下，存储的信息可读但不可写，这类似于ROM在较高的电压下，所存储的信息可以更改和删除，这有类似于RAM3）I/O设备与I/O接口4）数据总线软件（3）分类按嵌入式系统的软硬件技术复杂程度进行分类：1）低端系统 采用4位或8位单片机，在工控领域和白色家电领域占主导地位，如计算 器、遥控器、充电器、空调、传真机、BP机等。2）中端系统 采用8位/16位/32位单片机，主要用于普通手机、 摄像机、录像机、电子 游戏机等

52、。3）高端系统采用32位/64位单片机，主要用于智能手机、调制解调器、掌上计算机、 路由器、数码相机等。（4）发展20世纪60年代初，第一个工人的现代嵌入式系统（阿波罗导航计算机）20世纪60年代中期，嵌入式计算机批量生产20世纪70年代，微处理器出现20世纪80年代中期，外围电路的元器件被集成到处理器芯片中，昂贵的模拟电路元件 能被数字电路替代20世纪90年代中期SOCH现，集成电路进入超深亚微米乃至纳米加工时代。28 .嵌入式系统的组成与微电子技术（集成电路、EDA SoC IP核等技术的作用和发展）（1）集成电路IC集成电路的制造大约需要几百道工序，工艺复杂。集成电路是在硅衬底上制作而成

53、的。硅衬底是将单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片，它的厚度不足 1mm其直径可以是6、8、12英寸甚至更大这种硅片称为硅抛光片，用于集成电路的制造。制造集成电路的工艺技术称为硅平面工艺，包括氧化、光刻、掺杂等多项工序。把这些工序反复交叉使用，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。集成电路的特点：体积小、重量轻、可靠性高。其工作速度主要取决于 逻辑门电路的晶体管的尺寸 。尺寸越小， 工作频率就越高，门电路的开关速度就越快。(2) EDA (电子信号自动化)(3) SoC芯片(片上系统)既包含数字电路，也可以包含模拟电路，还可以包含数模混合电路和射频电路。SoC

54、芯片可以是一个CPU单核SoQ也可以由多个 CPU口/或DSP即多核SoG开发流程：(1)总体设计 可以采用系统设计语言 System C (或称IEEE 1666,它是C+的扩充)或 System Vetilog 语言对SoC芯片的软硬件作统一的描述，按照系统需求说明书确定SoC的性能能参数，并据此进行系统全局的设计。(2)逻辑设计将总体设计的结果用 RTL (寄存器传输级描述语言)语言进行描述(源文件)后，在使用逻辑综合将源文件进行综合生成，生成最简的布尔表达式核心好的连接关系(以类型为EDF的EDAT业标准文件表示)(3)综合和仿真(4)芯片制造借助EDA中的布局布线工具(4) IP 核

55、IC设计文件：逻辑门级，包括各种基本的门电路；寄存器传输级，如寄存器、译码器、数据转换器；行为级，如 CPU DSP存储器、总线与接口电路等。核库中的设计文件均属于知识产权IP保护的范畴，所以称为“知识产权核”或“ IP核”。IP核是开发SoC的重要 保证。按IC设计文件的类型，IP通常分为：软核、固核、硬核。IP核的复用可以减少研发 成本，缩短研发时间，是实现SoC的快速设计，尽早投放市场的有效途径。目前主要的 CPU内核有 ARM MIPS PowerPC Coldfile 、x86、8051 等。ARlM核占所有 32位嵌入式RISC处理器的90姒上。29.嵌入式系统与数字媒体（文本、图像和音频/视频等数字媒体的表示与处理）（1）文本含义：在计算机中的文字信息，最常用的一种数字媒体。字符集及其编码1 ）西方字符的编码ASCII字符集和ASCII编码，基本的 ASCII字符集共128个字符，每个字符使