大学嵌入式系统课程重难点要点.docx
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大学嵌入式系统课程重难点要点
《嵌入式系统原理及应用》
复习大纲
第一章绪论（重点）
1．嵌入式系统的概念与分类
1）从应用角度分类：
通用型嵌入式操作系统和专业型操作系统。
2）按实时性分类：
实时嵌入式操作系统和非实时嵌入式操作系统。
实时嵌入式操作系统又分为可抢占型实时嵌入式操作系统和不可抢占型实时嵌入式操作系统。
3）按复杂程度分类：
单个微处理器，嵌入式处理器可扩展的系统，复杂的嵌入式系统，在制造或过程控制中使用的计算机系统
2.嵌入式系统的分析方法
3.嵌入式系统的应用举例
思考与练习
1．什么是嵌入式系统？
嵌入式系统的特点是什么？
答：
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。
它可以实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。
嵌入式系统的特点：
可定制性、可移植性、实时性、低资源占有性
2．请说出嵌入式系统与其它商用计算机系统的区别。
答：
随机应变——可裁剪性
从硬件环境来看，桌面操作系统具有标准化的CPU、存储和I/O架构，而嵌入式环境中的RTOS的硬件环境只有标准化的CPU，没有标准化的存储、I/O和显示器架构。
从应用环境来看，桌面操作系统面向复杂多变的应用，而RTOS面向单一设备的单一应用。
从开发界面来看，桌面操作系统试图给开发人员提供一个“黑箱”，让开发人员通过一系列标准的系统调用来使用操作系统中的功能，而嵌入式试图为开发人员提供一个“白箱”，让开发人员可以自主控制系统的所有资源。
用于嵌入式环境的操作系统RTOS与桌面操作系统有很多本质的不同。
这些不同的特性导致产品开发的不同结果。
嵌入式环境给人的第一印象就是占用空间小。
所以，普通的Linux或者Windows操作系统要变成嵌入式操作系统，首先就是要进行裁剪。
然而，与桌面环境相比，嵌入式环境对于操作系统系统要求不仅仅是“小”，二者在设计要求上有着本质的不同。
这些不同主要体现在可裁剪性、实时性和可靠性等三个方面.
精确到位——实时性
例如用于控制火箭发动机的嵌入式系统，它所发出的指令不仅要速度快，而且多个发动机之间的时序要求非常严格，否则就会差之毫厘、谬之千里。
在这样的应用环境中，非实时的普通操作系统无论如何是无法适应的。
坚如磐石――可靠性
桌面操作环境与嵌入式环境在设计思路上有一个重大的不同——桌面环境假定应用软件与操作系统相比而言可以是不可靠的，而嵌入式环境假定应用软件与操作系统一样可靠。
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的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，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。
嵌入式系统是嵌入式产品的核心。
如果说PC机的发展带动了整个桌面软件的发展，那么嵌入式产品的广泛普及必将为嵌入式软件产业的蓬勃发展提供无穷的推动力。
从八十年代起，国际上就有一些IT组织、公司开始进行商用嵌入式系统和嵌入式操作系统的研发。
这其中涌现了一些著名的嵌入式操作系统：
如WindowsCE，VxWorks，pSOS，PalmOS等。
3．请说明嵌入式系统技术的发展及开发应用的趋势。
开发应用的趋势向经济性、小型化、可靠性、高速、智能性方向发展。
嵌入式系统硬件集成化，嵌入式操作系统向高可靠性、强实时性、采用组件化技术增加操作系统的可配置性、可裁剪性和可移植性。
软件开发环境集成化、智能化和图形化。
与网络及通信的结合是嵌入式技术的未来。
Linux和JAVA技术对嵌入式软件的发展产生深远的影响。
嵌入式系统的发展历史悠久，早在电子数字计算机出现之前就有了把计算装置嵌入在系统和设备之中的嵌入式系统。
随着电子技术的发展，嵌入式计算机在20世纪60年代，集成电路化的第三代计算机时期逐步兴起。
嵌入式的真正发展是在微处理器问世之后，微处理器基于超大规模集成电路技术的发展而发展。
20世纪80年代，随着微电子工业水平的提高，制造除了嵌入式处理器。
20实际90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统应用得到进一步的加速发展，面向实时信号处理算法的DSP产品向高速、高精度、低功耗发展。
日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理，嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持\联网成为必然趋势\支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本\提供精巧的多媒体人机界面。
精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本
IT业最新的最尖端的是HDTV,辨析移动的，PDA,PMP等，
处理器的发展：
70年代出现第一代嵌入式微处理器，以Intel的8048为代表。
80年代出现第二代入式微处理器，以Intel的8051为代表。
90年代出现第三代，可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。
微处理器的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线，SOC的出现。
Flash的使用使微处理器技术进入到第四代，低功耗，可靠性加强。
接口（吴志做）
存储（吴志做）
显示（吴志做）
4．你知道嵌入式系统在我们日常生活中哪些设备中应用?
说明其采用的处理器是什么？
采用的哪一个嵌入式操作系统？
答：
PDA：
PXA25X;PalmOS/WINCE
路由器：
ARM9;uclinux
数码相机：
ARM9+DSP5000;uclinux
波导手机：
ARM9；DOEASYOS
数码相机：
TI的数码相机解决方案佳能的DIGIC芯片，索尼真实影像处理器（RealImagingProcessor），奥林巴斯TruePicTURBO影像处理器。
数码相机的操作系统：
Digita，DigitaX，
MP3播放机：
Telchips生产的TCC730微处理器，摩托罗拉的i.MX处理器，操作系统：
Form3poOS，
手机：
英特尔PXA800F手机处理器，NEC的MP211处理器，操作系统：
Symbian、Palm、Linux和WindowsMobile
5．嵌入式系统和专用集成电路的关系是什么？
答：
嵌入式控制器可以设计成用户专用集成电路。
把微处理器看成电路库元件中的一个标准单元，微控制器就成了专用集成电路。
嵌入式系统可以编程，专用集成电路也可以编程。
专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）指为某种用途专门设计制造的集成电路。
其中所谓半定制ASIC设计指用户根据半导体集成电路制造商提供的单元电路库来设计自己的asic。
把微处理器看成电路库元件中的一个标准单元，微处理器就成了ASIC。
6．开发嵌入式系统的计算机语言主要有哪几种？
分别用在什么场合？
答：
C语言（开发操作系统,和硬件相关的一些应用程序），C＋＋语言（开发一些大型的应用程序），汇编语言（开发低层的硬件接口以及一些算法的基本模块），宏语言，JAVA语言（JSP开发网页,J2EE开发B/S,J2ME开发移动设备的服务程序），C＃语言（开发大型的应用程序），VHDL语言（开发CPLD/FPGA芯片逻辑语言,其RTL模型对于ASIC也有很有用），Fortran语言（用于科学计算）
嵌入式开发用的最多的语言是C语言。
C语言和C＋＋语言具有可移植性，可以在主机上调试算法程序。
对于汇编语言，可以在桌面系统上使用指令集模拟器运行它们，这一过程可以抑制持续到需要测试代码与目标系统特殊硬件之间的实时交互操作时为止。
第二章嵌入式系统设计方法（了解）
1.系统分析法
2．嵌入式硬件开发方法
3．嵌入式软件开发
4．面向对象开发方法
5．构件式开发方法
思考与练习
1．请说出嵌入式系统设计的主要方法及设计流程。
答：
P11嵌入式系统开发的最大特点就是需要软硬件综合开发。
主要有以下步骤：
系统定义、可行性研究、需求分析、系统概要设计、系统总体设计（包括系统总体框架、软硬件划分、处理器选择、操作系统选定和开发环境选定）、硬件设计制作（包括硬件概要设计、硬件详细设计、硬件制作和硬件测试）、软件设计实现（包括软件概要设计、软件详细设计、软件实现和软件测试）、软硬件集成、性能测试。
2．嵌入式硬件调试的主要方法及技术手段有哪些？
答：
P13与传统的电子产品设计比较，在现代电子产品设计中，一方面大量使用大规模可编程逻辑器件（PLD）来提高产品性能、减低消耗；另一方面不断提高自动化设计水平，缩短开发周期，从而导致电子设计自动化（EDA）技术的不断发展。
电子设计自动化：
以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言（HDL）为主要表达方式，以相应的开发软件为工具，用软件方式自动地完成逻辑编译、化简、分割、结合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作，最终形成专用的集成芯片。
硬件描述语言HDL：
使用于设计硬件电子系统的计算机语言。
它能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。
知识产权核：
是一种预先设计好的甚至已经过验证的具有某种确切功能的集成电路、器件或部件。
1.主要的调试方法monitor方式（指的是在目标操作系统与调试器内分别添加一些功能模块，两者相互通信来实现调试功能）和片上方式（在处理器内部嵌入额外的硬件控制模块，当满足了特定的触发条件时进入某种特殊状态）。
2.技术手段：
基于主机的调试，远程调试，ROM仿真器，在线仿真器，BDM（backgrounddebugmode,背景调试方式），JTAG（JointTestActionGroup联合测试行动组）。
3．什么是面向对象开发方法和构件式开发方法？
指出两种方法对嵌入式系统开发具有什么作用及意义，并举例说明。
答：
面向对象方法则从所处理的数据入手，以数据为中心来描述系统，数据相对于功
能而言，具有更强的稳定性，这样设计出的系统模型往往能较好地映射问题域模型。
对象、类，、继承性、多态性、动态定连概念和设施的引入使用，显然令面向对象的设计方法具有一定的优势，能为生产可重用的软件构件和解决软件的复杂性问题提供一条有效的途径。
面向对象的设计过程就是指通过建立一些类以及它们之间的关系来解决实际问题，这就需要对问题域中的对象作整体分析，类和类间关系的设计要求较高，否则设计出的并不是真正意义上的面向对象的软件系统，而只是一些类的堆砌而已，不能体现出面向对象设计方法的优势之处。
我们生活在对象的世界，这些对象存在于各类实体中，如自然、社会、商业和产品等。
它们可以被分类、描述、组织、操作、创建以及销毁。
因此，在软件开发中提出面向对象的思想极其自然。
OO软件开发涉及软件生命期的各个阶段，包括面向对象分析、包括面向对象设计、包括面向对象编程和包括面向对象测试等多个方面。
软件开发初期为程序设计时代，其特点是软件开发开发处于小作坊个体生产方式水平。
后来出现了一些大型复杂的软件系统，人们认识到以个人的能力难以完成一个大系统的任务，因此引入了软件复用的思维方法。
构件（Component）是由可复用的软件组成，可用来构造其它软件。
它可以是被封装的对象类、类树、一些功能模块等。
为嵌入式软件开发，特别是构建大型嵌入式系统，提供了新的解决方法。
4．需求分析阶段分为哪几个步骤？
每个步骤完成什么工作？
答：
1.分析用户的需求
（1）分析用户对产品的需求（分功能和非功能的需求—--性能，价格，系统地尺寸和质量，功耗）
（2）确认用户的需求（3）罗列用户的需求（4）简单的需求表格（5）需求的内部一致性。
2.确定硬件和软件。
包括：
处理器，总线吞吐量，操作系统，编程语言，第三方软件或库函数，第三方硬件。
3.检查需求分析的结果。
包括：
错误的原因，目的，方法和内容
4.确定项目的约束条件。
包括：
工期限制，预算限制，人员限制，技术及经验限制等。
5.概要设计，包括：
系统结构模型建立方式，系统结构模型建立流程，
在解决必须做什么时，除确定功能需求外，还需要确定性能需求、环境需求等。
需求分析的结果是提交需求分析报告（系统规格说明），包括系统功能模块图。
5．在进行系统设计时，概要设计和详细设计的工作内容有什么不同？
系统概要设计是整个嵌入式系统的总体设计。
它需要解决嵌入式系统的总体构架，从功能实现上对软硬件进行划分；在此基础上，选定嵌入式系统硬件实现的核心——处理器；同时根据系统的复杂程度确定是否使用嵌入式操作系统，以及选用哪种操作系统；此外，还需要选择系统的开发平台。
硬件详细设计：
选定实现硬件功能框图内的各个具体的器件（包括型号、规格、封装等），设计相应的周边电路，得到符合系统需求和硬件概要设计的电路原理图，进一步生成实际的PCB图。
软件设计实现：
这部分的开发过程与硬件设计制作并行、交互进行及所完成的任务与概要设计到测试一致。
概要设计是在需求分析的基础上通过抽象和分解将系统分解成模块，确定系统功能的实现。
基本任务是：
建立系统结构（划分模块、定义模块功能、模块间的调用关系、定义模块的接口、评价模块的质量）、数据结构和数据库的设计（数据结构设计、概念设计、逻辑设计、物理设计）、编写概要设计文档（概要设计说明书、用户手册、数据库设计说明书、修订测试计划）。
、
详细设计的基本任务是设计模块的数据结构、设计数据库的物理结构、设计模块的详细算法、其它（代码设计、输入/输出格式设计、人机对话设计）、编写详细设计说明书、评申。
6．在嵌入式系统实现阶段，需要选择开发平台，通常开发平台的选择包括哪些内容？
答：
任务的多少.实时性的要求.平台所用编译器编译效率的要求.
通常硬件和软件的选择包括：
处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等。
在上述选择中，通常，处理器是最重要的，同时操作系统和编程语言也是非常关键的。
处理器的选择往往同时会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限制开发工具的选择。
硬件平台的选择--处理器的选择
软件平台的选择--主要涉及到操作系统的选择,同时要考虑代码编程、交叉编译、交叉连接、下载到目标板和调试等几个步骤，因此软件平台的选择也涉及到以下几个方面。
7．在当今IT时代，为了使产品尽快进入市场，就产品开发阶段，你认为有哪些方法可以加快产品的开发速度?
产品开发是产品形成中的创造性阶段。
一般认为产品开发包括产品规划、产品设计、生产准备和样品试验4个阶段。
随着信息技术的发展，产品开发的概念和内涵在不断改变和拓宽，主要表现如下：
（1）由单目标规划向多目标规划的转变 传统产品开发仅考虑产品性能要求，而在信息时代，则要考虑产品生命周期内所有阶段的要求，尤其是对材料、能源、环境的要求已变得日益重要，产品规划已变成多目标的全局规划。
（2）串行设计向并行设计的转变 传统产品开发是个顺序过程，如概念设计完成之后，才能进行详细设计、工艺设计。
信息时代的产品开发除信息的交换和共享之外，并行是最显著的特性。
（3）工艺设计向过程设计的转变 传统产品开发中的生产准备主要是指工艺规划和刀具、夹具、量具的准备，这是一种局限于面向制造的观点。
信息时代的生产准备应理解为过程设计，它不仅包括工艺过程设计，还包括装配过程设计、使用过程设计、维修过程设计等。
（4）实物样品向虚拟样品的转变 传统产品开发是采用“试凑法”，因此有些情况下，为保证产品质量，实物样品的测试不可缺少。
信息时代的产品开发，基于数字化模型和虚拟现实技术，可以部分取代实物测试。
（5）严格分工向自主管理的项目小组的转变 设计方法的改变，必然引起组织管理模式的改变，如采用多学科工作小组的方式，以及网上的合作等。
由此可见，信息时代的产品开发在产品生命周期中的地位越来越重要。
因此，
（1）面向产品全生命周期的虚拟产品开发技术，
（2）有效利用产品信息资源的方式就可以加快产品的开发速度。
。
（1）虚拟产品开发是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、网络技术、数据库技术、并行工程、多媒体技术和虚拟现实技术为一体的综合系统技术。
它利用虚拟现实技术的交互性（interaction）、沉浸性（immersion）和想像性（imagination）达到虚拟产品开发环境的高度逼真化，并使人可以对虚拟原型直接进行交互操作，产生身临其境的感觉。
虚拟产品开发技术不仅可实现并行的、闭环的工作模式，还可以促进远程协同产品开发的实现。
（2）企业实现快速产品开发的关键，是有效利用各种信息资源。
其主要的实现方式有：
按关系型产品模型进行信息重组和变型设计，以产品数据管理系统作为进行快速变型设计的数据平台，以基于实例推理技术为快速变型设计的智能推理工具。
7．在当今IT时代，为了使产品尽快进入市场，就产品开发阶段，你认为有哪些方法可以加快产品的开发速度?
答：
用以有的软件和硬件组件来构造自己的系统.分小组设计,在复杂系统设计时用多任务操作系统.等等.
8．什么是“黑盒”测试？
什么是“白盒”测试？
什么是“灰盒”测试？
答：
黑盒测试指功能测试,白盒测试指完全（全部代码）测试,灰盒测试指不完全测试（部分主要代码测试）。
（1）什么是白盒法？
有那些覆盖标准？
比较他们的检错能力。
答：
将程序看成是白盒子，认真的分析程序的结构和功能制定测试用例来测试。
有逻辑覆盖（语
句覆盖、判断覆盖、条件覆盖、判断/条件覆盖、条件组合覆盖、路径覆盖）
（2）什么是黑盒法？
有那些测试方法？
特点？
答：
将程序当成是黑盒子以设计中的功能为标准在程序的接口出进行测试看它能否达到功能要
求。
等价类划分、边界值分析、因果图、错误推测。
（3）什么是灰盒测试？
我归纳了一下，大致上灰盒测试干的工作是在把软件单元装成软件系统的过程中所使用的一类测试。
这类测试一般地把某个模块或某个分系统作测试对象，然后进行类似于黑盒的模块功能、性能等方面测试。
灰盒测试就是测试员，要阅读大体的代码结构，测试的时候出了问题能大略的知道代码那里出问题。
不像黑盒测试对代码一无所知,也要关心软件内部结构的。
9．嵌入式操作系统开发中，使用软件组件技术有什么好处？
答：
减少程序员的工作量,加快产品的开发进度.程序设计清楚.
基于组件的软件工程（ComponentBasedSoftwareEngineering,以下简称CBSE）
（1）定义组件：
组件是可用来构成软件系统的即插即用（plugandplay）的软件成分，是可以独立地制造、分发、销售、装配的二进制软件单元。
（2）定义CBSE：
CBSE是指用装配可重用软件组件的方法来构造应用程序。
它包含了系统分析，构造，维护和扩展的各个方面，在这些方面中都是以组件方法为核心的。
（3）CBSE的特点：
1.即插即用2.以接口为核心3.标准化组件的接口必须严格地标准化，这是组件技术成熟的标志之一。
目前主要的组件标准有：
Microsoft的COM/DCOM，Java的JavaBeans和EJB，OMG组织的CORBA。
4.组件通过市场销售和分发
（4）CBSE的好处：
1.CBSE从根本上改变了软件生产方式。
2.CBSE提高了软件重用率，保护了已有的投资。
3.CBSE使开发者将更多的注意力放到业务流程和业务规则上去。
4.用CBSE开发的系统灵活，便于维护和升级。
由于CBSE是模块化开发，如果某个模块需要修改，只需用修改好的模块替换掉以前的模块，不用重新编译整个系统。
若想扩展系统的功能，也只需将符合框架约束条件和接口要求的扩展模块直接加入到该系统即可。
由此可见，CBSE开发的系统的维护和升级都十分方便。
5.CBSE降低了对系统开发者的要求。
尽管CBSE没有消除系统开发者和使用者之间的分界线，但却移动了这条分界线。
这是因为CBSE的开发者主要任务是装配已有的模块，不需要有很高的编程技巧。
从而使更多的人可以构造适用于自已的系统。
在开发环境中，仅仅在构造组件时才需要对编程语言的熟悉和高超的技巧。
（5）在嵌入式系统开发中应用组件技术具有能够减少应用开发代码量、利于软件升级与维护、提高软件生产效率、便于移植和剪裁以及便于共享第三方建立的组件库等优点,因此得到越来越多的重视。
10．综合思考题：
选择一个嵌入式系统产品（如手机、PDA、工业控制产品、智能家用电器等），利用本章学过的知识，假设你是系统的总设计师，那么你认为应该如何运作这个产品的开发，直到把产品从实验室推向市场。
提示：
题目较大，嵌入式系统开发包括需求分析、设计、实现、测试等方面。
在实现方面，不必把产品开发出来（即不必设计电路图，不必编写程序代码，只需要概括地写出软件硬件需要完成的工作即可）。
第三章嵌入式系统的硬件基础（重点）
1.常用嵌入式系统及嵌入处理器分类
2.单片机构成最常用和最基本的嵌入式系统
3.PLD、CPLD、FPGA是柔性化的硬件模块电路
4.DSP是嵌入式高速信号算法处理与控制的芯片
5.PC104、eBox及工业控制计算机是生产现场控制的典型嵌入式系统
6.各种嵌入式外部接口及终端设备
7．国产嵌入式处理器芯片－龙芯系列与方舟系列处理器。
思考与练习
1．按照原理和功能不同，嵌入式处理器分为哪几种类型？
简要说明它们各自不同的主要性能特点。
答：
嵌入式微处理器（EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU）
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，
嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit,MCU）
和嵌入式微处理器相比，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。
微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP）
在数字滤波、FFT、谱分析等方面。
推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。
这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。
嵌入式片上系统（SystemOnChip）
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SystemOnChip（SOC）。
各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。
用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。
这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利
SOPC（system-on-a-programmable-chip）：
sopc不只有cpu内核可以配置，其他memory，逻辑器件也可以配置。
sopc也是一种加快time-to-market的方法，可以根据具体的应用灵活选择soc的配置。
可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：
首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。
ARM（AdvancedRISCMachines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。
技术具有性能高
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