全国计算机四级嵌入式系统开发技术工程师考试复习要点doc.docx
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全国计算机四级嵌入式系统开发技术工程师考试复习要点doc
嵌入式系统开发技术工程师考试复习要点：
嵌入式系统的定义
随着现代化技术的飞速发展，嵌入式系统已深入到社会的各个领域，嵌入式系统的产品已应用到人们的日常生活的各个角落，嵌入式系统技术已成为目前人们研究的热门之一。
嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。
70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：
更容易使用、更快、更便宜。
这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。
在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并口软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成木、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
1什么是嵌入式系统
嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。
从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
目前国内一个普遍被认同的定义是：
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、功耗严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统是以应用为屮心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统，对功能、对可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
那么嵌入式系统真正的含义是什么？
现在国内流行的说法是「'嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础，并且软硕件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
”[13]对于这个定义，我有两点疑义：
其一，说嵌入式系统“以计算机技术为基础”，我认为不全面，它忽略了微电子等技术作为嵌入式系统基础的重要作用；其二，把嵌入式系统定义为“专用计算机系统”。
2嵌入式系统不是“专用计算机系统”
“专用计算机系统”这个名词应该和“通用计算机系统”这个名词相对应。
从字义上看，不管是“专用”或者是“通用”，它们都没有脱离计算机系统这个范畴，应该说它们都归属计算机系统。
既然是计算机系统，那它们的发展起源应该是计算机。
它们的体系结构、功能特点,知识体系、技术要求应该有相同Z处。
但是，事实上嵌入式系统和计算机系统虽有联系，可在以上提及的几点上并没有多少相同之处，又何谈它是“专用计算机系统”。
2.1发展并行独立
嵌入式系统独立发展至今约30年了。
它与计算机系统是两个独立的发展系统，从它们的起源看，二者都源于半导体集成电路，诞生于微型计算机时代，二者发展并行独立。
如图1所示。
嵌入式系统起源于半导体集成电路，该半导体集成电路分为晶体管和集成电路。
20世纪70年代，集成电路产生了微处理器，微处理器是智能内核，它有两个功能，其一是运算处理功能,即高速海量的解算能力，它促使了计算机独立的飞速发展至今;其二是控制功能，嵌入式系统属控制功能，控制功能产牛了微控制器，俗称单片机，它促使了嵌入式系统的独立发展至今。
20世纪70年代，微处理器的控制功能引起了控制专业人士研究兴趣，他们将微机嵌入到对象体系内，经过电气、机械加固，并配置各种外围接口，从而实现了对对彖体系的智能化控制。
这样此微机便失去了原来的形态和微型计算机功能，嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）由此而得名。
由于嵌入式系统要求嵌入到对象器件内，体积要特小，功能要可靠，成本还要低,而计算机无法承担起对对象系统的智能化控制任务。
微控制器也就是传统意义上的单片机。
它的特点是体积小、结构简单、便于开发以及价格经济。
它可以说是目前嵌入式系统的前身。
单片机就是把对象所需要的主要功能集成到了一个芯片上，通常一个单片机芯片包含了运算处理单元、ARM、Flash存储器以及一些外部接口等。
通过外部接口可以输出或者输入信号，控制相应的设备，用户可以把编写好的代码烧写到单片机芯片内部来控制外部设备。
单片机常被用在智能仪器、工业测量、办公自动化方面。
我们由嵌入式系统发展起源的历史看，嵌入式系统起源于半导体集成电路，它不是起源于计算机，所以它不是“专用计算机系统”，它是专用的智能化的控制系统。
2.2技术发展方向不同
嵌入式系统顾名思义，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。
例如Iblm之所以在PDA领域占有70%以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理;而风河的VxworksZ所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。
嵌入式系统从形式上，要求该系统智能化、超小型；从功能上，要求功能可靠、功耗低、经济实惠；从应用的范围上，要面向市场、面向用户、面向对象、面向产品；从技术上，要求提高对对象的智能化控制能力、与对象密切相关的嵌入性能和控制的可靠性。
计算机系统从形式上，是要看得见、摸得着，不需要嵌入到别的器件内；从功能上，要求多处理功能;从技术上，要求的是高速海量的数值计算、总线速度的无限提升、存储容量的不断扩大。
所以我们说：
嵌入式系统与计算机系统，技术要求、技术发展方向根本不同，不应定义为“专用计算机系统”。
如果定义为“专用计算机系统”，就等于嵌入式系统的发展，要沿着计算机技术要求的发展道路走。
2.3体系结构不同
嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户应用程序4个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视和管理等功能。
嵌入式系统的经典体系结构有3个层次的软硕件，有4个通道接口，它的通道接口是为了嵌入到对象体系去，和对彖体系产生4个界面。
它的核心是嵌入式微处理器，这个处理器不是通用的计算机处理器。
也就是说，二者采用的处理器是截然不同的。
嵌入式外围功能扩展之后,形成了微控制器，其对象接口技术扩展，产生4个接口，形成了SoC整个片上结构，4个中断。
其软件分为：
指令系统、驱动软件、操作系统3部分。
我们从嵌入式系统体系结构看岀：
1二者的处理器不同。
计算机是通用的处理器，嵌入式系统是而向特定应用的微处理器，它具有低功耗、体积小、集成度高等特点，有利于整个系统设计趋于小型化。
2计算机是标准总线和外设，嵌入式总线和外部接口都集成在处理器内；计算机软硬件相对独立，嵌入式系统则是将软硬件紧密集成在一起，结构更紧凑;计算机系统偏重多功能处理设置，嵌入式系统重在对对象的控制能力设置。
嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪,满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。
所以，如果能建立相对通用的软硬件基础,然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。
目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。
所以说，嵌入式体系结构与计算机的体系结构是不同的。
嵌入式系统体系结构是控制性的体系结构，不是计算机系统的处理型体系结构。
结构不同，则性质全非，所以，嵌入式系统不能定义为“专用计算机系统”。
2.4功能特点各异
1嵌入式系统具有嵌入性、控制性，软硬件可根据对象需要来设置。
计算机系统则不是这样。
2嵌入式系统功能专一，即软硬件专门为某一特定应用系统而设计;计算机系统则是多功能处理。
3嵌入式系统结构紧凑：
嵌入式系统中的软件一般不像计算机存储于磁盘等载体中，而都固化在存储器芯片或单片系统的存储器之中，这样使其结构特别紧凑，从而达到小体积、高效能、低成本、低功耗。
计算机结构要求可大可小，大到台式，小到笔记本、手提电脑等;计算机的CPU要求严格，相比嵌入式系统的微处理器，一般价格昂贵，达不到嵌入式系统那样低成本、低功耗。
4嵌入式系统智能灵活及实时性：
就是要对不同的情况作出不同的反应，同时必须实时地给出计算的结果并进行实时控制，计算机在智能灵活性方面则比不上。
5嵌入式系统可靠性高，因为软件是固化的。
例如，它无病毒侵害。
计算机则不然，常常受病毒的攻击。
所以嵌入式系统常常应用在人身设备安全、国家机密等重大事务上。
6计算机行业一般受技术垄断，例如计算机操作系统方面微软占居垄断地位。
但嵌入式系统领域，不会出现这种情况。
因为它是一个分散的，充满竞争、机遇与创新的领域，没有谁的操作系统和处理器能够垄断市场。
总而言之，嵌入式系统与计算机系统功能特点各异，二者不能混为一谈。
3嵌入式系统不只以“计算机技术为基础”
嵌入式系统知识体系具有广泛性。
它与微电子学科技术、计算机学科技术、电子学科技术与对象学科技术都密切相关。
计算机技术在嵌入式系统中，承担着应用平台的构建任务，它包括嵌入式系统的集成开发环境、计算机工作方法、编程语言、程序设计方法等内容，它是构建嵌入式系统平台的重要基础之一，但并不是唯一。
微电子技术为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础。
电子技术提供电路设计技术。
它将微电子领域的集成电路设计，迅速从电路集成、功能集成、技术集成发展到知识集成，为计算机技术提供嵌入式系统的硬件设计技术支持；对象学科技术是嵌入式系统的最终用户的技术学科。
对象学科儿乎囊括了所有的科技领域，形成了嵌入式系统一个无限大的应用领域。
对象学科要在嵌入式系统平台上构建本领域的一个嵌入式应用系统。
嵌入式应用系统的技术基础是对象学科的基础理论与应用环境、应用要求。
同时，在应用屮要不断给微电子、集成电路设计、嵌入式系统提出技术要求，以便不断提升嵌入式系统平台的技术水平。
图2将嵌入式系统独立的知识技术体系归类。
从图2中可以看到，嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、微电子技术、电子技术以及各种具体应用相结合的产物，是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新型集成知识系统。
它以微电子学科、计算机学科、电子技术学科为构建平台基础，以对象学科技术为平台应用，并且各学科技术又相互联系、相互支持。
从以上分析可以看出，把嵌入式系统定义为“以计算机技术为基础”，缩小了嵌入式系统的外延范围，否定了各学科技术在嵌入式系统中的综合应用作用，不全面，带有一定的局限性,不利于嵌入式系统独特的学科体系建立。
4总结
我们从嵌入式的发展起源、结构体系、功能特点、知识技术体系等方面，对嵌入式系统的定义进行了探讨分析，否定了嵌入式系统是“专用计算机系统”，及嵌入式系统是“以计算机技术为基础”的说法，发现嵌入式系统定义确实需要完善。
实际上，嵌入式系统木身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。
现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。
一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：
处理器、存储器、输入输出仃/0）和软件（由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和Windows系统的最大区别）。
嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。
范围极其广阔，从最初的4位处理器，目前仍在大规模应用的8位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。
嵌入式系统开发技术工程师考试要点：
嵌入式系统的组成
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1/0接口。
嵌入式核心模块二微处理器+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。
⑵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硕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。
（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。
嵌入式系统开发技术工程师考试要点：
实时系统
VxWorks、uClinux、uC/OS-II和eCos是4种性能优良并被广泛应用的实时操作系统。
本文通过对这4种操作系统的主要性能进行分析与比较，归纳出它们的选型依据和适用领域。
14种操作系统的介绍
（1）VxWorks
VxWorks是美国WindRivcr公司的产品，是目前嵌入式系统领域屮应用很广泛，市场占有率比较高的嵌入式操作系统。
VxWorks实吋操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统;提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIXC可移植操作系统接口）规范的内存管理，以及多处理器控制程序;并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至町以微缩到8KBo
（2）uC/OS-II
PC/OS-II是在uC-OS的基础上发展起来的，是美国嵌入式系统专家JeanJ.Labrosse用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。
uC/OS-II能管理64个任务，并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和屮断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。
（3）uClinux
yClinux是一种优秀的嵌入式Linux版本，其全称为micro-controlLinux,从字面意思看是指微控制Linuxo同标准的Linux相比，uClinux的内核非常小,但是它仍然继承了Linux操作系统的主要特性，包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的API,以及TCP/IP网络协议等。
因为没有MMU内存管理单元，所以其多任务的实现需要一定技巧。
（4）eCos
eCos（embeddedConfigurableoperatingsystem）,即嵌入式可配置操作系统。
它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。
最大特点是配置灵活，采用模块化设计，核心部分由小同的组件构成，包括内核、C语言库和底层运行包等。
每个组件可提供大量的配置选项（实时内核也可作为可选配置），使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通过不同的配置使得eCos能够满足不同的嵌入式应用要求。
2性能分析与比较
任务管理、任务及中断间的同步与通信机制、内存管理、中断管理、文件系统、对硬件的支持和系统移植这几方面是实时操作系统的主要性能。
下面就从这几个方面着手对上述4种操作系统进行分析与比较。
2.1任务管理
任务管理是嵌入式实时操作系统的核心和灵魂，决定了操作系统的实时性能。
它通常包含优先级设置、多任务调度机制和时间确定性等部分。
2.1.1优先级设置
嵌入式操作系统支持多任务，每个任务都具有优先级，任务越重要，赋予的优先级应越高。
优先级的设置分为静态优先级和动态优先级两种。
静态优先级指的是每个任务在运行前都被赋予一个优先级，而且这个优先级在系统运行期间是不能改变的;动态优先级则是指每个任务的优先级（特别是应用程序的优先级）在系统运行时可以动态地改变。
2.1.2多任务调度机制
任务调度主要是协调任务对计算机系统资源的争夺使用。
对系统资源非常廣乏的嵌入式系统来说，任务调度尤为重要，它直接影响到系统的实时性能。
通常，多任务调度机制分为基于优先级抢占式调度和时间片轮转调度。
基于优先级抢占式调度：
系统中每个任务都有一个优先级，内核总是将CPU分配给处于就绪态的优先级最高的任务运行。
如果系统发现就绪队列中有比当前运行任务更高的优先级任务,就把当前运行任务置于就绪队列中，调入高优先级任务运行。
系统采用优先级抢占方式进行调度，可以保证重要的突发事件及时得到处理。
时间片轮转调度：
让优先级相同的处于就绪状态的任务按时间片使用CPU,以防止同优先级的某一任务长时间独占CPU。
在一般情况下，嵌入式实时操作系统采用基于优先级抢占式调度与时间片轮转调度相结合的调度机制。
2.1.3时间的可确定性
嵌入式实时操作系统甬数调用与服务的执行时间应具有可确定性。
系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。
基于此特征，系统完成某个确定任务的时间是可预测的。
表1具体列出了4种操作系统的调度机制。
4种嵌入式实时操作系统都支持多任务，只是在支持任务数量上和任务调度机制上有所不同。
VxWorks具有高效的任务管理功能，它支持多任务，可分配256个优先级，支持优先级抢占式调试和时间片轮转调度，实时性最好。
uC/OS-II内核是针对实时系统的要求设计实现的,只支持基于固定优先级抢占式调度;调度方法简单，可以满足较高的实吋性要求。
nClinux在结构上继承了标准Linux的多任务实现方式，分为实时进程和普通进程，分别釆用先来先服务和时间片轮转调度;仅针对中低档嵌入式CPU特点进行改良，且不支持内核抢占。
eCos调度方法丰富，提供了两种基于优先级的调度器（即位图调度器和多级队列调度器），允许用户在进行配置时选择其中一个凋度器，适应性好。
2.2任务及中断间的同步与通信机制
实吋操作系统的功能一般要通过若干任务和中断服务程序共同完成。
任务与任务之间、任务与中断间任务及中断服务程序之间必须协调动作，互相配合，这就涉及任务间的同步与通信问题。
嵌入式实时操作系统通常是通过信号量、互斥信号量、事件标志和异步信号来实现同步,通过消息邮箱、消息队列、管道和共享内存来提供通信服务。
由于互斥信号量的使用，带来了实时操作系统屮常见的优先级反转问题。
优先级反转是一种不确定的延迟形式，当高优先级任务企图访问已被低优先级占有的共享资源吋，必须等待低优先级任务释放共享资源;如果这吋低优先级任务被一个或多个中优先级任务抢占，那么高优先级任务被延迟的时间将更进一步延长,实时性难以保证。
因此，应采取相关措施以尽髦避免出现优先级反转问题。
实时系统通常采用优先级继承和优先级置顶机制。
优先级继承足指拥有互斥量的任务被提升到与下一个在等待该互斥最的最高优先级任务相同的优先级;优先级置顶是指获得互斥量的任务将其优先级提升到一个事先规定好的值。
表2为4种操作系统的同步与通信机制的比较。
4种系统都具有灵话的任务间同步与通信机制，都可以通过信号量、消息队列来实现同步与通信，但是VxWorks与uClinux都不支持邮箱和事件标志，而且除了UClinux和cCos中的位图调度器，其他操作系统都采取了措施抑制优先级反转。
2.3内存管理
内存管理主要包括：
内存分配原则，存储保护和内存分配方式。
2.3.1内存分配原则
内存分配原则包括快速性、可靠性和高效性。
其中，快速性要求内存分配过程要尽可能快,所以一般采用简单、快速的分配算法;可靠性指的是内存分配的请求必须得到满足;系统强调高效性的要求，不仅仅是对系统成本的要求，而且由于系统本身可配置的内存容量也是很有限的,所以要尽可能地避免浪费。
2.3.2存储保护
通常在操作系统的内存中既有系统程序也有用户程序，为了使两者都能正常运行，避免程序间相互干扰，需要对内存屮的程序和数据进行保护。
存储保护通常需要硬件支持，在很多系统中都采用MMU,并结合软件实现;但由于嵌入式系统的成本限制内核和用户程序通常都在相同的内存空间中。
2.3.3内存分配方式
内存分配方式可分为静态分配和动态分配。
静态分配是在程序运行前一次性分配给相应内存，并且在程序运行期间屮不允许再申请或在内存屮移动;动态分配则允许在程序运行整个过程中进行内存分配。
静态分配使系统失去了灵活性，但对于实吋性要求比较高的系统是必需的；而动态分配赋予了系统设计者更多自主性，可以灵活地调整系统的功能。
VxWorks对内存的使用采用的是FlatMode,可被静态或动态链接。
VxWorks为用户提供了两种内存区域Region和Partition。
Region是变长的内存区，用户可以从创建的Region中分配Segment,其特点是容易产生碎片，但灵活并且不浪费partition是定长的内存区，用户可以从刨建的Partition屮分配Buffer,其特点是不会产生碎片，技率高但是易浪费。
VxWorks釆用最先算法分配内存。
UC/OS-II把连续的大块内存按分区来管理，每个分区中都包含整数个大小相同的内存块，但不同分区之间内存的太小可以不同。
用户动态分配内存时，只须选择一个适当的分区，按块来分配内存，释放时将该块放回到以前所属的分区，这样就消除了因多次动态分配和释放内存所引起的碎片问题。
uClinux是针对没有\1此的处理器设计的，不能使用处理器的虚拟内存管理技术，只能采用实存储器管理策略。
系统使用分页内存分配方式，在启动时对实际存储器进行分页。
系统对内存的访问是直接的操作系统对内存空间没有保护，多个进程可共享一个运行空间，所以，即使是一个无特权进程调用一个无效指针也会触发一个地址错课，并有可能引起程序崩溃甚至系统崩溃。
cCos对内存分配既不分段也不分页，而是采用一种基于内存池的动态内存分配机制。
通过两种内存池类来实现两种内存管理方法：
一种是变长的内存池;另一种是定长的内存池，类似于VxWorb的管理方案。
表3为4种操作系统内存管理的比较。
2.4中断管理
中断管理是实时系统中一个很重要的部分，系统经常通过中断与外部事件交互。
主要考虑是否支持中断嵌套、中断处理机制、中断延时等。
（1）VxWorks的中断管理
VxWorks操作系统中断管理采用中断处理与普通任务分别在不同栈中处理的中断处理机制，使得中断只会引发一些关键寄存器的存储，而不会导致任务的上下文切换，从而极大地缩短了中断延时。
同时，VxWorks的中断处理程序只能在最短时间内通告中断的发生，而将其他的非实时处理尽量放入被引发的中断服务程序中来完成，这也缩短了中断延时。
但是函为中断服务程序不在一个固定的仟务上下文屮执行，而目没有任务控制块，所以所有屮断服务程序使用相同的屮断堆栈。
为了能处理最坏情况下的屮断嵌套，必须分配足够大的屮断堆栈空间。
（2）UC/0S-II的中断管理
PC/0S-II中断处理比较简单。
一个中断向量上只能挂一个中断服务子程序ISR,而且用户代码必须都在1SR中完成。
1SR需要做的事情越多，中断延时也就越长。
内核所能支持的最大嵌套深度为255。
（3）uClinux的中断管
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