2024年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？举例阐明嵌入式系统的应用。嵌入式系统是“以应用為中心，以计算机為技术基础，软硬件可裁剪，合用于应用系统對功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格规定的专用计算机系统”。2.嵌入式系统三要素？嵌入性：嵌入到對象体系中，對對象环境有规定专用性：软、硬件按對象规定裁剪计算机：实現對象的智能化功能3.嵌入式系统与單片机的区别？單片机属于嵌入式系统，但只有嵌入式系统的部分构造和部分功能：單片机数据处理能力有限、处理速度有限，不可以用于所有的嵌入式系统。目前嵌入式系统的主流是以32位嵌入式微处理器為关键的硬件设计和基于实時操作系统（RTOS）的软件设计。單片机系统多為4位、8位、16位机，不适合运行操作系统，难以進行复杂的运算及处理功能。嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，單片机大多采用软硬件流水设计。嵌入式系统设计的关键是软件设计（占70%左右的工作量），單片机系统软硬件设计所占比例基本相似。單片机無网络功能。4.嵌入式系统与PC机的区别？嵌入式系统一般专用于特定任务，而PC是通用计算机。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，但种类遠遠超過PC机。嵌入式系统常有实時约束，常使用实時多任务操作系统，此外尚有有功耗、成本约束，且常在极端环境下运行，故障导致的後果比PC系统更严重。嵌入式系统得到多种微处理器体系的支持嵌入式系统需要专用工具和措施進行開发设计5．嵌入式处理器分為哪几类，阐明定义及特點？（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對应的CPU，可以认為是“增强型”通用微处理器。特點：功能和微处理器基本同样，但為了缩小体积、減少功耗，只保留和嵌入式应用有关的功能。在工作温度、抗電磁干扰、可靠性等方面一般都做了多种增强。（2）、嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微控制器就是将整個计算机系统的重要硬件集成到一块芯片中，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、總线、總线逻辑、定期/计数器、Watchdog、I/O、串行口、A/D等多种必要功能和外设。特點：一种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同样的，不一样的是存储器和外设的配置及封装，這样可以使單片机最大程度地和应用需求相匹配，從而減少功耗和成本。單片化、体积大大減小、功耗和成本減少、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。特點：其在系统构造和指令算法方面進行了特殊设计，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种系统芯片内部。特點：构造简洁体积小、功耗低可靠性高设计生产效率高（5）、嵌入式SOPC嵌入式SOPC是用可编程逻辑技术把整個系统放到一块硅片上。它是片上系统（SOC），即由單個芯片完毕整個系统的重要逻辑功能；它是可编程系统，系统功能可淘汰、易扩充、可重构，結合了SOC和CPLD、FPGA的長处。特點：采用超深亚微米工艺技术使用一种或以上的嵌入式处理器设计方式灵活可淘汰、可扩充、可升级具有软硬件在系统可编程的功能。6．嵌入式实時操作系统的定义、特點和分类？定义：可以對外部事件做出及時响应的系统。响应時间要有保证。特點：多任务有线程优先级（与否為進程）多种中断级别分类：硬实時系统：對系统响应時间有严格的规定，假如系统响应時间不能满足，就會引起系统瓦解或致命的錯误。软实時系统：對系统响应時间有规定，不過假如系统响应時间不能满足，它并不會导致系统出現致命的錯误或瓦解，只是減少系统的吞吐量。7．嵌入式系统的特點？嵌入式系统是面向详细应用的产品。嵌入式软件特性：实時性、高质量、高可靠、程序固化。需要软、硬件開发工具和系统软件。需要应用专家参与開发。嵌入式系统分散而不可垄断。8．举5個嵌入式系统应用的例子办公设备：打印机、扫描仪消费電子产品：手机、数码相机网络通信设备：路由器、互换机工业：数控机床、机器人航空航天：航電设备，星载计算机9．按体現形式和实時性嵌入式系统的分类？按体現形式（硬件范围）芯片级嵌入(含程序和算法的处理器、單片机)模块级嵌入（系统中的某個关键模块）系统级嵌入（系统中的電路板）按实時性规定（软件范围）非实時系统（PDA）软实時系统（消费类产品）硬实時系统（工业和軍工系统）10．软硬件协同设计的目的？其波及的内容有哪些？目的：為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、设计实現。11．用框图简述嵌入式開发的流程？12．冯·诺依曼构造与哈佛构造的区别？冯·诺依曼构造其特點是程序和数据共用一种存储空间。统一编址依托指令计数器提供的地址来辨别是指令数据還是地址。由于對数据和程序進行分時讀写，执行速度慢，数据吞吐量低，不适合于進行具有高度实時规定場所。哈佛构造是一种并行体系构造，特點是程序和数据存储在不一样的存储空间，每個存储器独立编址、独立访問。与之對应的是系统中设置的两条總线（程序總线和数据總线），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、總线、通信接口、输入输出设备、電源及辅助设备。区别：相比一般的计算机处理系统，集成度高、非原则化、接口非常复杂。14．總线的定义及重要参数，举至少三個總线例子。定义：總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，總线并不仅仅指的是一束信号线，而应包括對应的通信协议。重要参数：带宽、位宽、工作時钟频率。總线例子：系统總线：PCI-express；外部總线：I2C；現場總线：CAN；嵌入式系统總线：AMBA、Avalon、CoreConnect等。15．按编程工艺分FPGA分為哪几类，简要阐明其各自特點？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，实現系统功能的動态重构每次上電需重新下载，实际应用時需外挂EEPROM用于保留程序EEPROM可反复编程不用每次上電重新下载，但相對速度慢，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)是指在集成電路设计過程中，通過继承、共享或购置所需的部分或所有智力产权内核(IPCore)，進行设计、综合和验证，從而加速流片设计過程的设计措施•IPCore是一种商品，是可编程逻辑器件设计工程師价值体現的重要途径分类：按形式分為：软核、固核、硬核按用途分為：•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．常見的通信接口有哪些？他們的重要特點是什么？至少举3個接口為例進行描述。串口常用于嵌入式系统使用上位机实現系统的调试，及現場数据的采集和控制。•RS-232––传播速率低、传播距离近、抗共模干扰能力差––RC232C的最高传播速率為20kb/s,最大传播线長為30米•RS-485––高抗共模干扰驱動能力，并且提供多點应用，同一线上最多可接32個驱動器和接受器––最大传播速率10Mb/s(12m)，最大传播距离為1200m（10kb/s）USB（2.0）––480Mb/s高速串行總线––即插即用––最多可支持127個外部设备––主机供電•小功率设备主机可以直接供電•大功率设备仍然需要外部供電IEEE-1394b（FireWire）多用于MPU与多媒体设备连接接口•800Mbps，高速串行總线•传播距离可达100米•支持63個设备•热插拔，即插即用18．為何在FPGA中嵌入处理器？•FPGA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時，需要結合使用嵌入式处理器•對系统集成度规定较高，将处理器嵌入FPGA能最大程度地提高系统集成度，減少系统设计复杂度，加紧上市時间。•對需求变化提供较大的灵活性，在FPGA中嵌入处理器较為合适。FPGA与芯片处理器的結合的長处是不必重做一块新PCB或采用新的处理器就可以對软、硬件進行调试，對变更進行测试。19．FPGA与CPLD的長处•伴随VLSI工艺的不停提高，單一芯片内部可以容纳上百萬個晶体管，FPGA／CPLD芯片的规模也越来越大，其單片逻辑门数已到达上百萬门，可以替代多至几仟块通用IC芯片,它所能实現的功能也越来越强，同步也可以实現系统集成。•FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的测试，不需要设计人员承担投片風险和费用，设计人员只需在自已的试验室裏就可以通過有关的软硬件环境来完毕芯片的最终功能设计。因此，FPGA／CPLD的资金投入小，节省了許多潜在的花费。•顾客可以反复地编程、擦除、使用或者在外围電路不動的状况下用不一样软件就可实現不一样的功能。因此，用FPGA／CPLD试制样片，能以最快的速度占领市場。•具有完善先進的開发工具–提供語言、图形等设计措施，拾分灵活–通過仿真工具来验证设计的對的性•灵活地定义管脚功能，減轻设计工作量，缩短系统開发時间•保密性好Verilog硬件描述語言的語法和使用措施PPT都需掌握，題型编程（尤其关注PPT上的例子）。FPGA设计的一般流程？每一步的功能？FPGA配置的三种方式分别是什么？配置的三個阶段是什么？方式：1.FPGA积极串行(AS)方式2.JTAG方式3.FPGA被動(Passive)方式阶段：复位、配置、初始化Quartus环境下生成的用于直接配置FPGA和配置芯片（EPCS）的文献分别是什么？直接配置FPGA：.sof配置PROM：.pof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NiosII处理器系列包括哪三种内核？各自特點？NiosII/f(迅速)：性能最高，但占用的逻辑资源最多。NiosII/e(經济)：占用的逻辑资源至少，但性能最低。NiosII/s(原则)：平衡的性能和尺寸。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個通用寄存器和6個控制寄存器。运行模式：顾客模式(UserMode)；超级顾客模式(SupervisorMode)；调试模式(DebugMode)。NiosII处理器包括哪些异常？异常鉴别优先级是什么？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NiosII处理器采用的總线是什么？Avalon互换式總线列举至少三個NiosII处理器常用的外围设备(Peripherals)内核。SystemIDPIO