嵌入式医学仪器设计考试复习题Word格式.docx
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可能需要传感器（将生理现象从其力学状态或电化学状态中转化为与机械能或化学能成比例的电信号）；
静态取样（InVitro）：
着眼于活体组织；
表示某一特定时刻及规定条件下由医学仪器系统获得的样本。
信号特点：
1、信号弱Weak
2.频率范围一般较低Lowfrequency
3.噪声强StrongNoise：
4.随机性强Random：
5.数据量大Hugedataamount：
现代医疗器械发展具有直观、无创、高效、经济等特征
第二章
嵌入式系统定义
•从技术的角度定义（重）
–以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、重量、功耗严格要求的专用计算机系统
–简而言之，是含有处理器的专用软硬件系统
•从系统的角度定义（重）
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
•英国电机工程师协会的定义
用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置
•微机学会的定义
–嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、模块级、芯片级
嵌入式系统架构
硬件层HardwareLayer：
例如嵌入式微处理器、Soc、ROM、I/O接口
中间层MiddlewareLayer：
包括硬件抽象层（HardwareAbstractionLayer）、板级支持包（BoardSupportPackage），实现系统软件与底层硬件的隔离，以及为系统提供特定功能的代码。
操作系统层OSlayer：
包括嵌入式操作系统（EOS）、文件子系统、图形子系统等，简化软件设计、提供标准内核、封装资源
应用层Applicationlayer：
面向目标和用户，完成特定功能，例如，医学图像处理系统、数据采集系统
嵌入式系统特点
•嵌入专用
–嵌入式处理器与通用处理器的最大不同就是嵌入式处理器嵌入在针对特定应用设计的系统中
•综合性强
–嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物
–是一个技术密集、资金密集、知识高度分散、不断创新的知识集成系统
•设计高效
–可裁剪——嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余
•程序固化
–软件一般都固化在存储器芯片或处理器本身中，这样提高了系统的执行速度和可靠性
•需要独立的开发系统
–嵌入式系统本身不具备自主开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发
•生命周期长
–嵌入式系统和具体应用结合在一起，其升级换代一般与具体产品同步进行，因此具有较长的生命周期
•可靠性高、成本低、资源受限、功耗低等等
第三章
硬件结构HardwareArchitecture
–冯·
诺伊曼结构VonNeumannarchitecture
•典型的微型计算机的存储器结构采用的是冯·
诺伊曼结构--也叫普林斯顿结构
特点：
有RAM（random-accessmemory）和带指令集的CPU（central-processingunit）
同一标准的内存系统，指令和数据使用相同的地址空间
有一条地址总线和一条数据总线，后者由指令和数据共享使用
–哈佛结构Harvardarchitecture
••即数据存储空间和程序存储空间分离
•较大的程序存储器（用于固化已调试好的控制程序）
•较小的数据存储器（用于存放少量的随机数据—高速）
可以同时获取程序和数据
分离的内存系统可能有不同的地址空间和带宽
难以进行自修改程序设计——程序内存通常是只读的，不能将数据写到程序存储空间
–改进的哈佛构架ModifiedHarvardArchitecture——指令内存内容可以像数据一样被访问
通过对数据和指令使用分离的缓存建立统一的分层内存结构
特殊机器操作
哈佛结构（英语：
Harvardarchitecture）是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构。
中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据储存器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。
程序指令储存和数据储存分开，数据和指令的储存可以同时进行，可以使指令和数据有不同的数据宽度。
与冯.诺曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点：
1、使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；
2、使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。
冯·
诺伊曼结构（vonNeumannarchitecture），也称普林斯顿结构，其内部程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数是通过一条总线分时进行的。
冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点：
必须有一个存储器；
必须有一个控制器；
必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；
必须有输入和输出设备，用于进行人机通信。
总结：
①冯•诺依曼结构中不独立区分程序和数据空间，且程序和数据空间共用地址和数据线;
②哈佛结构中程序空间和数据空间是独立的，具有各自独立的地址线和数据线；
③DSP中的改善型哈佛结构是在普通哈佛结构的基础上加上独立的缓冲区，同时在程序和数据空间之间加上了一根总线，用于程序空间和数据空间的互访。
指令周期
Storedprogram
在电子内存中存储程序指令。
其定义后来延伸到内存中的程序与数据可交换或统一。
图灵机模型：
图灵机是一个理想化的机器模型，其能够完成任何计算且只需要最少的逻辑结构。
（自己做的补充0.0：
所谓的图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。
有一个机器头在纸带上移来移去。
机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。
在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。
）
（不是重点）嵌入式处理器特点：
1、品种规格系列化
同一产品系列不同型号处理器：
具有相同CPU内核，相同或兼容指令系统；
具有不同I/O
接口功能部件配置
2、支持实时多任务
3、可靠性高，功耗低，集成度高，性价比高
处理器分类
MPUMicroprocessorUnit微处理器
MCUMicrocontrollerUnit微控制器
ASIPApplication-SpecificInstruction-setProcessor特殊应用指令集处理器
SoCSystemOnaChip系统芯片
ASICApplication-SpecificIntegratedCircuit专用集成电路
ASIP中有DSP（DigitalSignalProcessor）数字信号处理器、GPU（GraphicsProcessorUnit）图形处理器、NetworkProcessor网络处理器、Cryptoprocessor密码处理器
嵌入式微处理器MPU
基础是通用CPU，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性、功耗等方面做了各种增强，并去除冗余功能部分
嵌入式计算机=嵌入式微处理器+芯片组（总线仲裁器+中断控制器+DMA控制器+存储控制器+I/O接口）+外接存储器
嵌入式微处理器一般与存储器、接口电路等安装在一块电路板上,称为单板机
以下为例子与相应的特点，“了解”⊙▂⊙即可。
（从PPT中省去了一些内容，若觉得不可靠，请自己参考PPT）
PowerPC：
–特点——可伸缩性好，方便灵活
–品种很多，有通用处理器、嵌入式处理器和CPU核
•通用处理器——主要型号是PowerPC750系列，主频最高为700MHz
•嵌入式处理器——有PowerPC405（主频最高为266MHz）和PowerPC440（主频最高为550MHz）
•CPU核——用于各种集成的系统芯片（System-On-Chip，SOC）设备上
PC/104,PC/104+单板机
–特点
•PC/104总线采用96mmx90mm的小板结构
•低功耗，1~5瓦每模块，支持32位PCI连接
•紧凑加固性设计，可用于军工产品
•PC/104总线工控机主流产品是486EX和586EX
BiscuitPC单板机
–特点
•一体化计算机、低成本、形状像饼干，俗称饼干计算机
–分类（根据尺寸）：
迷你BiscuitPC（2.5”12082mm）、半尺寸BiscuitPC（3.5”145×
102mm）、全尺寸BiscuitPC（5.25”203×
146mm）
微控制器MCU
又叫单片机，将整个计算机集成到一块芯片中
分为低档微控制器（8051系列、MSP430）和高档微控制器（ARM、MIPS等）
•低档微控制器：
CPU+存储控制器+片内存储器（ROM/E2PROM/Flash、SRAM）+中断控制器、定时/计数器、WatchDog、GPIO、UART、PWM、A/D、D/A等
•高档微控制器：
CPU+总线仲裁器+DMA控制器+中断控制器+I/O接口+存储控制器+外接存储器/少量片内存储器（Flash、SRAM、SDRAM）
与嵌入式微处理器比较
–微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高，但性能有所降低
–目前微控制器是嵌入式系统工业中的主流，在嵌入式系统占有约70％的市场份额
MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages）
•一种通用的RISC（ReducedInstruction-SetComputer，精简指令集计算机）处理器，有R4000,4kc，5kc，20kc等型号
AtmelAVR系列
•8位RISC微处理器芯片
•拥有大量灵活的配置
•许多爱好者开发免费的工具链与应用
•通常速度1MIPS（1M指令每秒），部分模块20MIPS，最大寻址128K程序内存空间、8KRAM，•常用于ADC、LCD控制等
AtmelARM7（32位）
•低电压要求
•可以32位或16位运行，
•寻址空间大，可寻址8-64kRAM，32-256kFLASH，速度可变，最高55MHZ，通常封装外设，•常见于数据处理系统中
TIMSP430
•低功耗，低电压RISC芯片
•TI提供开发程序链支持
•为间歇性采样和快速启动设计
•最大25MHz/25MIPS,最大256K程序内存空间，16KRAM，可用于控制LCD、SPI、UART等
专用指令集处理器ASIP
ASIP，Application-SpecificInstruction-setProcessor
指令集是为特殊应用或者特殊应用领域所定制的处理器。
Instruction-setgenerationaspartofsynthesis
Customizedprocessoroptions
优点：
Customizationyieldslowerarea,poweretc.
缺电：
硬件与软件开发成本较高、设计编译调试复杂，投入市场前周期较长
DSP：
特殊设计
–高效乘累加运算、超标量操作、指令流水线
–高效数据存取、硬件重复循环
–确定性操作（程序执行时间可预测）
•应用场合
–数字滤波、FFT、频谱分析等方面
•代表性的产品
–TI的TMS320系列、ADI的21xx系列、Motorola的DSP56000系列
TMS320系列：
低成本C2000、C6000高性能、C5000低功耗、OMAP多核
NetworkProcessor（PPT上就一张图，我不知道怎么写了￣□￣｜｜）
VideoProcessor（PPT上就一张图，我不知道怎么写了￣□￣｜｜）
系统芯片SoC：
SystemonaChiporSystemonChip
将一个计算机的所有组件或者其他电子系统集成到一个IC芯片上。
典型的组成有：
μC,μPorDSPcore（多核SoC），内存块（RAM、FLASH、EEPROM），定时源（晶振、锁相回路），外围设备（计时器、上电触发器）、外部接口（USB、以太网接口、USART、SPI）、模拟接口（ADCs和DACs）、稳压器和电源控制电路
专用集成芯片ASIC
为特殊功能自定义的集成线路。
ASICs包括处理器、内存块、Flash和Soc。
设计的方式有：
全自定义、标准单元（StandardCell）、门阵列
FPGA与标准单元：
FPGA的优势：
CAD设计简单、nomaskcost、Bug修复快、厂家负责电路调试、优化检测。
标准单元：
大小尺寸较小，批量生产成本低，速度较快，电源要求较低
注，两者优势即为对面的劣势
发展趋势：
更多Soc设计，与DSP、FPGA、Flash结合，性能更强，功耗更低、多核、可靠、支持在线编程、在线调试。
选择标准
功能、性能、成本、开发技巧与资源、操作系统兼容性、供应商、更新情况
第四章
（PS自己觉得总结的并不好，基本把PPT文字全拷了。
。
ARM（AdvancedRISCMachines）特点
–体积小、功耗低、成本低、性能高
–支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集
•Cortex支持Thumb-2（16/32位混合指令系统）
–指令长度固定（32位/16位）
–大量使用寄存器，指令执行速度更快
–寻址方式灵活简单，执行效率高
ARM微处理器的技术指标：
功能、字宽、处理速度、工作温度、功耗、寻址能力、平均无故障工作时间、性价比、工艺和电磁兼容性
CISCvsRISC（据说此图必考）
ARM系列名后缀与意义（据说会考）
T-支持16位压缩指令集Thumb、D-支持片上调试Debug、M-内嵌硬件乘法器，支持长乘法、I-EmbeddedICE支持在线仿真，断点调试、E-支持DSP指令扩展、J-支持Java编程、S可综合Synthesizable、F-支持VFP，向量浮点运算
ARM简介：
ARM是32位构架，8位（bit）是一个字节（Byte），一个字是32位，半字是16位。
实行两套指令集：
32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
有Jazelle核心的也支持8位工作模式—因为Java是以8位为一数据单元运行的。
工作状态
1、ARM状态（
、执行32位ARM指令；
、要求字对齐）
2、Thumb状态（
、执行16位Thumb指令；
、要求半字对齐）
Thumb指令集是16位的，每一个Thumb指令都有对应的ARM（32位）指令，Thumb编程模型对应于ARM编程模型，只要遵循一定的调用规则，Thumb子程序与ARM子程序可以互相调用。
Thumb指令特点
-Thumb指令集中的数据处理指令的操作数是32位，指令地址也是32位；
-大多数Thumb指令是无条件执行的，而几乎所有的ARM指令都是有条件执行的；
-大多数Thumb数据处理指令的目的寄存器与其中的一个源寄存器相同。
-Thumb指令的长度为16位，只用ARM指令一半的位数来实现同样的功能。
实现特定的程序功能，所需的Thumb指令的条数比ARM指令多。
ThumbvsARM（空间效率、时间效率和功耗分析）
同一功能程序的Thumb代码比ARM代码多，但存储空间少。
当使用32位存储器，ARM代码快，当使用16位存储器时，Thumb快。
使用Thumb代码时存储器功耗会降低。
优缺点：
对系统性能要求高，选择ARM指令集和32位存储系统。
对系统成本和功耗要求高时，选择Thumb指令集和16位存储系统
若两者结合使用，充分发挥各自的有点，会取的更好的结果。
程序执行中，两种工作状态可以随时切换，切换时不会影响处理器的工作模式和寄存器中的内容。
PS：
ARM复位之后程序处于ARM工作状态。
工作模式
7种工作模式：
用户模式和6种特权模式，6种特权模式中除System模式外均为异常模式
User用户模式，程序不能访问有些受保护的资源，只能通过异常形式来改变CPU当前运行模式。
System系统模式，与用户模式一样，但是访问资源不受限制，主要用于运行系统中的一些特权任务。
FIQ快速响应中断模式：
用于高速数据传输或通道处理
IRQ外部中断模式：
用于通用的中断处理
SVR管理模式：
操作系统使用的保护模式以及复位、软中断调用（SWI）
ABT中止模式：
当数据或指令预取中止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护
UND未定义模式：
当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真
工作模式可由软件或者外部中断或异常处理改变
ARM寄存器集（相当重要）
一共37个32位的寄存器，分为31个通用寄存器与6个状态寄存器。
这些寄存器不能同时被访问，取决于工作状态与工作模式。
通用寄存器R0-R15：
•未分组寄存器R0-R7
–在所有的工作模式下，每个未分组寄存器都指向对应的1个物理寄存器
–在中断或异常处理进行工作模式转换时，由于不同的处理器工作模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏
•分组寄存器R8-R14
R8~R12
–每个寄存器对应2个不同的物理寄存器
–当使用FIQ模式时，访问R8_fiq～R12_fiq
–当使用其他模式时，访问R8_usr～R12_usr
R13、R14
–每个寄存器对应6个不同的物理寄存器
–其中一个寄存器是用户模式与系统模式共用
–另外5个物理寄存器对应于其他5种不同的工作模式
•程序计数器R15（PC）。
R13常用作堆栈指针SP（StackPointer），在应用程序初始化时，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该工作模式的栈空间。
（在Thumb指令集中，某些指令强制使用R13
作为堆栈指针）R14也称链接寄存器LR（LinkRegister），异常模式时用于保存返回地址LR=PC（即R15）-4；
Label→PC。
（PS，这个“公式”绝对会考到，重点中的重点。
程序计数器R15，用作程序计数器PC（ProgramCounter），指向正在被读取的指令的地址。
在ARM与Thumb工作状态下，R15分别需要进行字对齐（即最后两个bit为0）与半字对齐（最后一位bit为0）。
由于ARM体系结构采用了多级流水结构，PC总是指向当前执行指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前执行指令的地址值加8个字节
执行指令的地址值加8个字节
程序状态寄存器的构成：
一个当前程序状态寄存器（CPSR）、五个备份程序状态寄存器（SPSR）（用来进行异常处理）
程序状态寄存器的功能：
保存ALU中的当前操作信息、控制允许和禁止中断、设置处理器的工作模式。
CPSR（CurrentProgramStatusRegister）：
–CPSR可在任何工作模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位
–异常模式下有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（SavedProgramStatusRegister）
当异常发生时，用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR
•用户模式和系统模式不属于异常模式，没有SPSR
稍提一下CPSR的标志位与字母的含义：
N是否为负，Z是否为0，C进位，V溢出，I指IRQ，F指FIQ，T指Thumb模式
Thumb的寄存器集
Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集。
程序可以直接访问8个通用寄存器（R7～R0）、程序计数器（PC）、SP、LR、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）、CPSR
–在每一种异常模式下都有一组SP、LR和SPSR
中断/异常Exception（这个要是不考就真是出邪了）
定义
正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常（Exception）。
处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，当多个异常同时发生会按照固定的优先级进行处理。
异常的优先级：
优先级只是表示当同时发生多种中断时哪一个可以执行，不是说高优先级的中断可以随时打断低优先级的中断。
Reset>
DataAbort>
FTQ>
IRQ>
RrefetchAbort>
SoftwareInterrupt=UndefinedInstruction
响应过程
ARM工作状态下，中断的进入：
ThiscanonlybedoneinARMstate
1将CPSR拷贝到SPSR_<
mode>
，
2修改CPSR的工作模式CPSR[4:
0]，
3修改工作状态-CPSR[5]，
4（如果可以的话）关闭中断-CPSR[6]，[7]置1，
5保存返回地址到LR_<
6设置PC到中断程序开始的位置.
以上几步由CPU自动完成，也可以编程
中断返回:
升级会员 