入門嵌入式系統(tǒng)這些知識你知道嗎？

　　1 什么是嵌入式

　　IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國電氣和電子工程師協(xié)會）對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。原文為：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。

　　嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。

　　從應用對象上加以定義，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

　　一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當手機處于震動接收狀態(tài)時打開；也可以很復雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。2 嵌入式系統(tǒng)的組成

　　硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個嵌入式控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應用程序都可以固化在ROM中。

　　硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或者板級支持包（Board Support Package，BSP），它半系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。 實際上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入工系統(tǒng)的硬件初始化的BSP功能，設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。

　　系統(tǒng)軟件層由實時多任務操作系統(tǒng)（Real-time Operation System，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（Graphic User Interface，GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。

　　3 實時系統(tǒng)

　?。?）定義：能在指定或確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步時間做出響應的系統(tǒng)。

　?。?）區(qū)別：通用系統(tǒng)一般追求的是系統(tǒng)的平均響應時間和用戶的使用方便;而實時系統(tǒng)主要考慮的是在壞情況下的系統(tǒng)行為。

　?。?）特點：時間約束性、可預測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。

　　（4）硬實時（強實時）：指應用的時間需求應能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如：航天、軍事。

　?。?）軟實時（弱實時）：指某些應用雖然提出了時間的要求，但實時任務偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運行及環(huán)境不會造成嚴重影響，如：監(jiān)控系統(tǒng)、實時信息采集系統(tǒng)。

　?。?）任務的約束包括：時間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。

　　4 實時系統(tǒng)的調(diào)度

　?。?）調(diào)度：給定一組實時任務和系統(tǒng)資源，確定每個任務何時何地執(zhí)行的整個過程。

　　（2）搶占式調(diào)度：通常是優(yōu)先級驅(qū)動的調(diào)度，如uCOS。優(yōu)點是實時性好、反應快，調(diào)度算法相對簡單，可以保證高優(yōu)先級任務的時間約束;缺點是上下文切換多。

　?。?）非搶占式調(diào)度：通常是按時間片分配的調(diào)度，不允許任務在執(zhí)行期間被中斷，任務一旦占用處理器就必須執(zhí)行完畢或自愿放棄，如WinCE。優(yōu)點是上下文切換少;缺點是處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。

　?。?）靜態(tài)表驅(qū)動策略：系統(tǒng)在運行前根據(jù)各任務的時間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運行時刻表，指明各任務的起始運行時刻及運行時間。

　?。?）優(yōu)先級驅(qū)動策略：按照任務優(yōu)先級的高低確定任務的執(zhí)行順序。

　?。?）實時任務分類：周期任務、偶發(fā)任務、非周期任務。

　?。?）實時系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)采集任務實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理任務處理采集的數(shù)據(jù)、并將加工后的數(shù)據(jù)送到執(zhí)行機構(gòu)管理任務控制機構(gòu)執(zhí)行。

　　5 嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)

　?。?）馮諾依曼結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序和數(shù)據(jù)的寬度相同。例如：8086、ARM7、MIPS…

　?。?）哈佛結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問，是一種將程序存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、ARM9、ARM10…？？（3）CISC與RISC的特點比較。計算機執(zhí)行程序所需要的時間P可以用下面公式計算：P=I×CPI×TI：語言程序編譯后在機器上運行的指令數(shù)。CPI：為執(zhí)行每條指令所需要的平均周期數(shù)。T：每個機器周期的時間。？？（4）流水線的思想：在CPU中把一條指令的串行執(zhí)行過程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^程在CPU中重疊執(zhí)行。？？（5）流水線的指標：吞吐率：單位時間里流水線處理機流出的結(jié)果數(shù)。如果流水線的子過程所用時間不一樣長，則吞吐率應為長子過程的倒數(shù)。建立時間：流水線開始工作到達吞吐率的時間。若m個子過程所用時間一樣，均為t，則建立時間T=mt。？？（6）信息存儲的字節(jié)順序A、存儲器單位：字節(jié)（8位）B、字長決定了微處理器的尋址能力，即虛擬地址空間的大小。C、32位微處理器的虛擬地址空間位232，即4GB。D、小端字節(jié)順序：低字節(jié)在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)在內(nèi)存高地址處。E、大端字節(jié)順序：高字節(jié)在內(nèi)存低地址處，低字節(jié)在內(nèi)存高地址處。F、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存儲順序問題取決于OSI模型底層中的數(shù)據(jù)鏈路層。6 邏輯電路基礎(chǔ)

　?。?）根據(jù)電路是否具有存儲功能，將邏輯電路劃分為：組合邏輯電路和時序邏輯電路。

　?。?）組合邏輯電路：電路在任一時刻的輸出，僅取決于該時刻的輸入信號，而與輸入信號作用前電路的狀態(tài)無關(guān)。常用的邏輯電路有譯碼器和多路選擇器等。？？（3）時序邏輯電路：電路任一時刻的輸出不僅與該時刻的輸入有關(guān)，而且還與該時刻電路的狀態(tài)有關(guān)。因此，時序電路中必須包含記憶元件。觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的基礎(chǔ)。常用的時序邏輯電路有寄存器和計數(shù)器等。？？（4）真值表、布爾代數(shù)、摩根定律、門電路的概念。？？（5）NOR（或非）和NAND（與非）的門電路稱為門電路，可以實現(xiàn)任何一種邏輯函數(shù)。？？（6）譯碼器：多輸入多輸出的組合邏輯網(wǎng)絡(luò)。每輸入一個n位的二進制代碼，在m個輸出端中多有一個有效。當m=2n是，為全譯碼;當m《2n時，為部分譯碼。？？（7）由于集成電路的高電平輸出電流小，而低電平輸出電流相對比較大，采用集成門電路直接驅(qū)動LED時，較多采用低電平驅(qū)動方式。液晶七段字符顯示器LCD利用液晶有外加電場和無外加電場時不同的光學特性來顯示字符。？？（8）時鐘信號是時序邏輯的基礎(chǔ)，它用于決定邏輯單元中的狀態(tài)合適更新。同步是時鐘控制系統(tǒng)中的主要制約條件。？？（9）在選用觸發(fā)器的時候，觸發(fā)方式是必須考慮的因素。觸發(fā)方式有兩種：方式1：電平觸發(fā)方式：具有結(jié)構(gòu)簡單的有點，常用來組成暫存器。方式2：邊沿觸發(fā)方式：具有很強的抗數(shù)據(jù)端干擾能力，常用來組成寄存器、計數(shù)器等。

　　7 總線電路及信號驅(qū)動

　?。?）總線是各種信號線的集合，是嵌入式系統(tǒng)中各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。在同一時刻，每條通路線路上能夠傳輸一位二進制信號。按照總線所傳送的信息類型，可以分為：數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。

　?。?）總線的主要參數(shù)：總線帶寬：一定時間內(nèi)總線上可以傳送的數(shù)據(jù)量，一般用MByte/s表示?？偩€寬度：總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)（bit），即人們常說的32位、64位等總線寬度的概念，也叫總線位寬。總線的位寬越寬，總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大，也就是總線帶寬越寬?？偩€頻率：工作時鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬?？偩€帶寬 = 總線位寬×總線頻率/8， 單位是MBps。常用總線：ISA總線、PCI總線、IIC總線、SPI總線、PC104總線和CAN總線等。？？（3）只有具有三態(tài)輸出的設(shè)備才能夠連接到數(shù)據(jù)總線上，常用的三態(tài)門為輸出緩沖器。

　　（4）當總線上所接的負載超過總線的負載能力時，必須在總線和負載之間加接緩沖器或驅(qū)動器，常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅(qū)動和隔離。？？（5）采用總線復用技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線和地址總線的共用。但會帶來兩個問題：A、需要增加外部電路對總線信號進行復用解耦，例如：地址鎖存器。B、總線速度相對非復用總線系統(tǒng)低。？？（6）兩類總線通信協(xié)議：同步方式、異步方式。？？（7）對總線仲裁問題的解決是以優(yōu)先級（優(yōu)先權(quán)）的概念為基礎(chǔ)。

　　8 電平轉(zhuǎn)換電路

　?。?）數(shù)字集成電路可以分為兩大類：雙極型集成電路（TTL）、金屬氧化物半導體（MOS）。

　?。?）CMOS電路由于其靜態(tài)功耗極低，工作速度較高，抗干擾能力較強，被廣泛使用。

　?。?）解決TTL與CMOS電路接口困難的辦法是在TTL電路輸出端與電源之間接一上拉電阻R，上拉電阻R的取值由TTL的高電平輸出漏電流IOH來決定，不同系列的TTL應選用不同的R值。

　　9 嵌入式系統(tǒng)中信息表示與運算基礎(chǔ)

　?。?）進位計數(shù)制與轉(zhuǎn)換：這樣比較簡單，也應該掌握怎么樣進行換算，有出題的可能。

　?。?）計算機中數(shù)的表示：源碼、反碼與補碼。正數(shù)的反碼與源碼相同，負數(shù)的反碼為該數(shù)的源碼除符號位外按位取反。正數(shù)的補碼與源碼相同，負數(shù)的補碼為該數(shù)的反碼加一。例如-98的源碼：11100010B反碼：10011101B補碼：10011110B？？（3）定點表示法：數(shù)的小數(shù)點的位置人為約定固定不變。浮點表示法：數(shù)的小數(shù)點位置是浮動的，它由尾數(shù)部分和階數(shù)部分組成。任意一個二進制N總可以寫成：N=2P×S。S為尾數(shù)，P為階數(shù)。？？（4）漢字表示法，搞清楚GB2318-80中國標碼和機內(nèi)碼的變換。？？（5）語音編碼中波形量化參數(shù)采樣頻率：一秒內(nèi)采樣的次數(shù)，反映了采樣點之間的間隔大小。人耳的聽覺上限是20kHz，因此40kHz以上的采樣頻率足以使人滿意。CD唱片采用的采樣頻率是44.1kHz。測量精度：樣本的量化等級，目前標準采樣量級有8位和16位兩種。聲道數(shù)：單聲道和立體聲雙道。立體聲需要兩倍的存儲空間。

　　10 差錯控制編碼

　?。?）根據(jù)碼組的功能，可以分為檢錯碼和糾錯碼兩類。檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)差錯的碼，例如奇偶檢驗碼;糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能自動糾正差錯的碼，例如循環(huán)冗余校驗碼。

　　（2）奇偶檢驗碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗碼（CRC）。

　　11 差錯控制編碼嵌入式系統(tǒng)的度量項目

　?。?）性能指標：分為部件性能指標和綜合性能指標，主要包括：吞吐率、實時性和各種利用率。

　　（2）可靠性與安全性：可靠性是嵌入式系統(tǒng)重要、突出的基本要求，是一個嵌入式系統(tǒng)能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時間MTBF來度量。

　　（3）可維護性：一般用平均修復時間MTTR表示。

　　（4）可用性（5）功耗（6）環(huán)境適應性（7）通用性（8）安全性（9）保密性（10）可擴展性

　　性價比中的價格，除了直接購買嵌入式系統(tǒng)的價格外，還應包含安裝費用、若干年的運行維修費用和軟件租用費。

　　嵌入式系統(tǒng)的評價方法：測量法和模型法

　　（1）測量法是基本的方法，需要解決兩個問題：A、根據(jù)研究的目的，確定要測量的系統(tǒng)參數(shù)。B、選擇測量的工具和方式。

　?。?）測量的方式有兩種：采樣方式和事件跟蹤方式。

　?。?）模型法分為分析模型法和模擬模型法。分析模型法是用一些數(shù)學方程去刻畫系統(tǒng)的模型，而模擬模型法是用模擬程序的運行去動態(tài)表達嵌入式系統(tǒng)的狀態(tài)，而進行系統(tǒng)統(tǒng)計分析，得出性能指標。

　　（4）分析模型法中使用多的是排隊模型，它包括三個部分：輸入流、排隊規(guī)則和服務機構(gòu)。

　?。?）使用模型對系統(tǒng)進行評價需要解決3個問題：設(shè)計模型、解模型、校準和證實模型。