计算机三级嵌入式系统开发技术考点总结.docx

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计算机三级嵌入式系统开发技术考点总结

嵌入式系统硬件组成概述

嵌入式最小硬件系统：

嵌入式处理器运行必备条件的硬件电路与嵌入式处理器共同构成了嵌入式最小硬件系统。

嵌入式最小硬件系统组成：

嵌入式处理器、时钟电路、电源电路、复位电路、存储器、调试测试接口

电源电路：

嵌入式系统常用的电源模块式交流变直流（AC-DC）模块、直流到直流（DC-DC）模块以及低压差稳压器（LDO）。

稳压器包括普通稳压器和低压差稳压器LDO。

78XX系列属于普通稳压器，LM2576/2596为开关稳压芯片，CCAT6219/AS2815/1117/2908等属于低压差稳压器。

稳压器最大的特点是低噪声、低成本、纹波小、精度高、电路简单。

时钟电路：

几乎所有的嵌入式处理器本质上均为同步时序电路，需要时钟信号才能按照节拍正常工作。

复位电路：

嵌入式处理器都有一个系统复位引脚为nRESET或RESET，n表示低电平复位，不带n的表示高电平复位。

JTAG测试接口：

联合测试行为小组（JTAG）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试以及对系统进行仿真和调试。

测试访问口：

TAP

基于ARM内核的电性嵌入式应用系统硬件组成：

嵌入式最小硬件系统、前向通道、后向通道、人机交互通道、以及相互互联通信通道等组成。

前向通道，即输入接口，包括传感器、信号调理电路（滤波器、放大器等）、A/D转换器等构成。

后向通道，即输出接口，包括D/A转换器、功率放大器。

执行器等组成。

人机交互通道，包括键盘或触屏输入接口以及LED或LCD显示输出接口。

相互互联通道，包括RS-232/RS-485串行通信接口、CAN通信接口、以太网通信接口、USB通信接口等。

嵌入式处理芯片

AMBA：

先进微控制器总线体系结构

系统总线（ASB、AHB、AXI、ACE）主要用于连接高带宽快速组件：

电源管理与时钟控制器、测试接口如JTAG、外部存储器控制接口、DMA控制器、USB主机、片上SRAM及Flash、中断控制器、LCD控制器。

外围总线：

（APB）主要连接低带宽组件以及与外部相连的硬件组件：

GPIO、UART、SPI、I^2C、USB设备、CAN、Ethernet、ADC、DAC、WDT、Timer、RTC、PWM等。

存储器及控制器：

片内程序存储器通常用FlashROM，一般配有几KB到几MB不等；片内数据存储器通常使用的是SRAM，一般配有几KB到几百KB不等。

目前程序存储器大都采用Flash存储器，而数据存储器可采用SRAM和DDR或DDR2或普通的DRAM。

中断控制器：

一般采用向量中断（VIC）或嵌套向量中断（NVIC）方式管理中断。

Cortex-M系列就支持嵌套的向量中断。

DMA控制器：

直接存储器访问控制器

电源管理与时钟控制器：

ARM处理芯片内部的电源管理主要有正常工作模式、慢时钟模式、空闲模式、掉电模式、休眠模式、深度休眠模式等。

时钟信号是ARM芯片定时的关键。

GPIO端口：

通用输入/输出端口。

输入时具有缓冲功能，输出时具有锁存功能。

定时计数组件：

看门狗定时器（WDT）、Timer通用定时器、RTC、脉冲宽带调制器（PWM）

模拟通道组件：

ADC、DAC、比较器。

ADC：

模拟到数字的转换器。

DAC：

数字到模拟的转换器。

比较器主要功能是当比较器正端电压高于负端电压时，输出电压值接近正电源电压，反之输出电压接近负电源电压。

互联通信组件：

UART、I^2C、SPI、CAN、USB、Ethernet等。

UART：

通用异步收发器。

I^2C：

集成电路互连的一种总线标准，只有两根信号线，一根是时钟线SCL，一根是数据线SDA（双向三态）

I^2S：

面向多媒体应用的音频串行总线。

SPI：

串行外设接口。

包括MISO、MOSI、SSL和SCK。

可完成全双工的同步串行通信，用于板级芯片之间的短距离通信。

CAN：

控制器局域网，仅有CANH和CANL两根信号线，采用差分方式传输数据，可以进行远距离多机通信。

主要用于要求抗干扰能力强的工业控制领域，可组成多主多从系统。

USB：

通用串行总线，主要应用于与外部设备的短距离通信，也采用差分方式传输数据，是目前应用最广的串行总线接口形式。

Ethernet：

以太网通信接口

常用ARM嵌入式处理芯片：

NXP的、TI的、Samsung的、Atmel的、ST的、Freescale的、Nuvoton的、Intel的等等

嵌入式处理芯片选型遵循：

性价比原则和参数选择原则

3.3嵌入式系统的存储器

存储器层次结构

对于CPU使用最频繁的少量的程序代码和数据用SRAM作为高速缓冲存储器（Cache）存放；

正在运行中的程序的大部分数据和代码存放在主存储器（内存）中；

尚未启动运行的其余程序或数据则存放在容量大的外部存储器如磁盘（虚拟内存）中待命。

目前嵌入式系统采用SRAM作为Cache，Cache又分为嵌入式处理器内部一级Cache（L1）和二级Cache（L2）

存储器分类

按存取特性可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）；按所处物理位置可分为片内春初期（芯片内置的存储器）和片外存储器（外部扩展的存储器）以及外部存储设备；按照存储信息的不同可分为程序存储器和数据存储器。

在嵌入式系统中把片内存储器及片外扩展的存储器简称内存，把外部存储设备简称外村。

嵌入式系统的存储器以半导体存储器为主。

FRAM：

铁电随机存取存储器；MRAM：

磁性随机存取存储器

随机存取存储器

包括静态和动态两种形式，即SRAM和DRAM，都是易失性存储器。

目前嵌入式处理器内嵌的数据存储器基本都采用SRAM，外部扩展的存储器大都采用DRAM及改进型（DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3、DDR4）

只读存储器

MROM、PROM、EPROM、EEPROM、FlashROM、NORFlash和NANDFlash

NANDFlashROM以页（行）为单位随机存取，速度慢，变成复杂，大多作为数据存储器使用。

（数码相机、MP3随身听记忆卡、U盘）

NORFlashROM以字节为单位随机存取，写入和擦除速度较慢。

铁电存储器：

非易失，可取代SRAM和Flash存储器

磁性存储器：

可取代Flash存储器

存储器主要性能指标

存储器的存取速度、存储容量、带宽

容量：

对于内存容量而言，单位之间换算以2^10=1024倍表示，对于外存容量（磁盘、U盘、Flash存储卡），以10^3=1000倍表示。

内存储器容量取决于存储单元的个数和存储器各单元的位数：

内存容量=单元总数*数据位数/单元

存储芯片的容量完全取决于存储器芯片的地址线条数和数据线的位数。

V=2^m*n（L：

单元个数，n：

数据线位条数，m：

地址条数，m=log2L）

存取时间：

从CPU给出有效的存储器地址开始到存储器读出数据所需要的时间。

带宽：

存储器每秒可传输的最大数据总量。

并行总线的存储器带宽：

带宽=总线频率*数据宽度/8*传输次数/总线周期（B/s）串行总线带宽=总线频率*1/10以10位为一个数据帧（含一字节数据）

片内存储器

片内Cache、片内FlashROM（嵌入式微控制器内部集成的程序存储器）、片内SRAM（集成的数据存储器，SRAM属于易失性存储器）、片内E2PROM（作为长期保存重要数据的存储器，属于非易失性）

、片内FRAM（具有RAM和ROM的全部特点，是当前嵌入式微控制器内部的主要存储器之一）

片外存储器

外部存储器的扩展是靠ARM内核提供的高带宽外部存储器控制器接口完成的。

片外程序存储器：

NORFlash、NANDFlash

片外数据存储器：

SDRAM、DDR/DDR2/DDR3/DDR4

外部存储设备

SM卡、CF卡、MMC、SD卡、记忆棒、XD卡、U盘、微硬盘

3.4I/O接口及常用I/O设备

通用I/O接口GPIO

嵌入式系统外部通信接口

基于UART的RS-232/RS-485接口

RS-232接口：

传输距离可以达到15m左右，无法消除共模干涉。

RS-485接口：

采用差分信号传输方式，具有很强的抗共模干扰能力，传输距离可达1200m，不能构成多主系统

CAN总线接口

广泛应用于工控领域以及要求抗干扰和实时性强的场合；采用差分创术，控制器内置CRC教研，传输可靠性强，可构成多主多从系统；CAN总线的数据帧由7不同的域组成：

帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域。

帧结尾，其中数据域的长度可选为0-8B

以太网通信接口：

分为基于内置以太网控制器的以太网接口（以太网控制器MAC层，物理层PHY层的收发器电路）和不带内置以太网控制器的以太网接口

常用无线通信接口

GPS、GPRS、WiFi、蓝牙以及通用射频通信模块等

GPS模块：

必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。

GPRS模块：

以封包（Packet，也称为分组）方式进行数据传输。

WiFi模块：

使用IEEE802.11系列协议，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、TTL电平、USB接口或SPI接口数据到无线网络之间的转换。

蓝牙模块：

支持设备短距离通信（10m内）的无线低速（1Mb/s）通信技术，基于串口UART或USB

其他无线模块：

射频无线收发模块，如Si4432

嵌入式系统的软件组成

嵌入式系统与通用计算机系统的软件的相同之处指的是：

嵌入式系统具备引导加载程序、外部设备驱动程序、操作系统、文件系统、网络协议栈、图形用户界面、数据库、各种各样的应用程序等

区别：

嵌入式系统的软件配备没有通用计算机那样多；通用计算机的软件系统无疑以操作系统为核心，不可或缺；对于数据库、图形用户界面、因特网浏览器、媒体播放器等基于操作系统的外围工具软件，如果运行在通用计算机上则具有内部结构细致化、运行效率高效化、代码重量化的特点。

嵌入式操作系统

RTOS：

实时操作系统IEEE：

美国电气电子工程师协会

实时系统的属性

时间约束性。

分为硬实时系统、软实时系统。

常见的系统大多是软实时系统。

可预测性；可靠性

按响应时间将实时系统分为三类：

强实时系统：

响应时间在毫秒级或微秒及。

普通实时系统：

响应时间一般在几秒；弱实时系统：

响应时间一般在数十秒。

实时操作系统

IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应该具备7个特征：

1.具有异步I/O和中断处理能力2.任务切换时间和中断延迟时间确定3.优先级中断和调度4.抢占式调度5.内存锁定6.连续文件7.同步

RTOS的三个主要实时指标：

响应时间（中断延迟时间和任务切换时间）、吞吐量（在给定时间内，实时系统可以处理的事件总数）、生存事件（输入数据的有效等待时间）

嵌入式操作系统概述

嵌入式操作系统（EOS）是嵌入式系统中的软件。

与通用计算机的操作系统相比较具有可移植、强调实时性能、内核精简、抢占式多任务处理、使用可重入函数、可配置、可裁剪、高可靠性等特点。

嵌入式操作系统可粗略地分为内核、驱动程序、服务模块与行命令解释程序几大部分。

内核有广义和狭义两种解释。

广义：

指装入在存储器里的嵌入式软件中的操作系统部分。

狭义：

指嵌入式操作系统中负责多任务管理及任务间通信的多任务处理部分。

它执行任务创建与初始化、任务调度、时钟管理、中断管理。

内存管理等。

例如μCOS-II就是典型的纯内核例子。

主流嵌入式操作系统

TinyOS：

开源，深度轻量级，先进先出调度，用于无线传感器网络

μC/OS-II/III：

小型嵌入式操作系统内核，不含设备驱动程序和文件系统。

开源，用于工控领域。

iOS：

苹果公司，微内核，系统结构分为4个层次：

核心操作系统、核心服务层、媒体层、触摸框架层，系统运行占用约512MB。

iOS与苹果公司的MacOSX操作系统一样，也是以Darwin