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(huì)）對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)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(jì)算機(jī)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(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、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(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。

　　從應(yīng)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(jī)械等附屬裝置。國內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機(jī)上的一個(gè)微小型的電機(jī)，當(dāng)手機(jī)處于震動(dòng)接收狀態(tài)時(shí)打開；也可以很復(fù)雜，如SONY 智能機(jī)器狗，上面集成了多個(gè)微小型控制電機(jī)和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動(dòng)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(chǔ)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(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)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(jí)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(dòng)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(jìn)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(shí)際上，BSP是一個(gè)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(jì)一個(gè)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(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)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(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。

　　3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)

　?。?）定義：能在指定或確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步時(shí)間做出響應(yīng)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(yīng)時(shí)間和用戶的使用方便;而實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要考慮的是在壞情況下的系統(tǒng)行為。

　?。?）特點(diǎn)：時(shí)間約束性、可預(yù)測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。

　?。?）硬實(shí)時(shí)（強(qiáng)實(shí)時(shí)）：指應(yīng)用的時(shí)間需求應(yīng)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(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如：航天、軍事。

　?。?）軟實(shí)時(shí)（弱實(shí)時(shí)）：指某些應(yīng)用雖然提出了時(shí)間的要求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重影響，如：監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)。

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

　　4 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度

　?。?）調(diào)度：給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過程。

　　（2）搶占式調(diào)度：通常是優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的調(diào)度，如uCOS。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對簡單，可以保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)間約束;缺點(diǎn)是上下文切換多。

　?。?）非搶占式調(diào)度：通常是按時(shí)間片分配的調(diào)度，不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，任務(wù)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(diǎn)是上下文切換少;缺點(diǎn)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(dòng)策略：系統(tǒng)在運(yùn)行前根據(jù)各任務(wù)的時(shí)間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運(yùn)行時(shí)刻表，指明各任務(wù)的起始運(yùn)行時(shí)刻及運(yùn)行時(shí)間。

　?。?）優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略：按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。

　?。?）實(shí)時(shí)任務(wù)分類：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。

　?。?）實(shí)時(shí)系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)采集任務(wù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理任務(wù)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(jī)構(gòu)管理任務(wù)控制機(jī)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(gè)存儲(chǔ)空間，程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)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(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問，是一種將程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、ARM9、ARM10…？？（3）CISC與RISC的特點(diǎn)比較。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間P可以用下面公式計(jì)算：P=I×CPI×TI：語言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)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(gè)機(jī)器周期的時(shí)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(biāo)：吞吐率：單位時(shí)間里流水線處理機(jī)流出的結(jié)果數(shù)。如果流水線的子過程所用時(shí)間不一樣長，則吞吐率應(yīng)為長子過程的倒數(shù)。建立時(shí)間：流水線開始工作到達(dá)吞吐率的時(shí)間。若m個(gè)子過程所用時(shí)間一樣，均為t，則建立時(shí)間T=mt。？？（6）信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序A、存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)功能，將邏輯電路劃分為：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。

　　（2）組合邏輯電路：電路在任一時(shí)刻的輸出，僅取決于該時(shí)刻的輸入信號(hào)，而與輸入信號(hào)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(shí)序邏輯電路：電路任一時(shí)刻的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與該時(shí)刻電路的狀態(tài)有關(guān)。因此，時(shí)序電路中必須包含記憶元件。觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)。常用的時(shí)序邏輯電路有寄存器和計(jì)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(shí)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(gè)n位的二進(jìn)制代碼，在m個(gè)輸出端中多有一個(gè)有效。當(dāng)m=2n是，為全譯碼;當(dāng)m《2n時(shí)，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(dòng)LED時(shí)，較多采用低電平驅(qū)動(dòng)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(shí)不同的光學(xué)特性來顯示字符。？？（8）時(shí)鐘信號(hào)是時(shí)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(shí)鐘控制系統(tǒng)中的主要制約條件。？？（9）在選用觸發(fā)器的時(shí)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(diǎn)，常用來組成暫存器。方式2：邊沿觸發(fā)方式：具有很強(qiáng)的抗數(shù)據(jù)端干擾能力，常用來組成寄存器、計(jì)數(shù)器等。

　　7 總線電路及信號(hào)驅(qū)動(dòng)

　?。?）總線是各種信號(hào)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(shí)刻，每條通路線路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號(hào)。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(shí)間內(nèi)總線上可以傳送的數(shù)據(jù)量，一般用MByte/s表示。總線寬度：總線能同時(shí)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(shí)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。總線帶寬 = 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。

　?。?）當(dāng)總線上所接的負(fù)載超過總線的負(fù)載能力時(shí)，必須在總線和負(fù)載之間加接緩沖器或驅(qū)動(dòng)器，常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅(qū)動(dòng)和隔離。？？（5）采用總線復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線和地址總線的共用。但會(huì)帶來兩個(gè)問題：A、需要增加外部電路對總線信號(hào)進(jìn)行復(fù)用解耦，例如：地址鎖存器。B、總線速度相對非復(fù)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(jí)（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(dǎo)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(qiáng)，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(yīng)選用不同的R值。

　　9 嵌入式系統(tǒng)中信息表示與運(yùn)算基礎(chǔ)

　?。?）進(jìn)位計(jì)數(shù)制與轉(zhuǎn)換：這樣比較簡單，也應(yīng)該掌握怎么樣進(jìn)行換算，有出題的可能。

　?。?）計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示：源碼、反碼與補(bǔ)碼。正數(shù)的反碼與源碼相同，負(fù)數(shù)的反碼為該數(shù)的源碼除符號(hào)位外按位取反。正數(shù)的補(bǔ)碼與源碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為該數(shù)的反碼加一。例如-98的源碼：11100010B反碼：10011101B補(bǔ)碼：10011110B？？（3）定點(diǎn)表示法：數(shù)的小數(shù)點(diǎn)的位置人為約定固定不變。浮點(diǎn)表示法：數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置是浮動(dòng)的，它由尾數(shù)部分和階數(shù)部分組成。任意一個(gè)二進(jìn)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(biāo)碼和機(jī)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(diǎn)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(jí)，目前標(biāo)準(zhǔn)采樣量級(jí)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(chǔ)空間。

　　10 差錯(cuò)控制編碼

　　（1）根據(jù)碼組的功能，可以分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼兩類。檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的碼，例如奇偶檢驗(yàn)碼;糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)的碼，例如循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

　?。?）奇偶檢驗(yàn)碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。

　　11 差錯(cuò)控制編碼嵌入式系統(tǒng)的度量項(xiàng)目

　?。?）性能指標(biāo)：分為部件性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)，主要包括：吞吐率、實(shí)時(shí)性和各種利用率。

　?。?）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(gè)嵌入式系統(tǒng)能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時(shí)間MTBF來度量。

　?。?）可維護(hù)性：一般用平均修復(fù)時(shí)間MTTR表示。

　?。?）可用性（5）功耗（6）環(huán)境適應(yīng)性（7）通用性（8）安全性（9）保密性（10）可擴(kuò)展性

　　性價(jià)比中的價(jià)格，除了直接購買嵌入式系統(tǒng)的價(jià)格外，還應(yīng)包含安裝費(fèi)用、若干年的運(yùn)行維修費(fèi)用和軟件租用費(fèi)。

　　嵌入式系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法：測量法和模型法

　?。?）測量法是基本的方法，需要解決兩個(gè)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。

　　（3）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(xué)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(yùn)行去動(dòng)態(tài)表達(dá)嵌入式系統(tǒng)的狀態(tài)，而進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，得出性能指標(biāo)。

　　（4）分析模型法中使用多的是排隊(duì)模型，它包括三個(gè)部分：輸入流、排隊(duì)規(guī)則和服務(wù)機(jī)構(gòu)。

　?。?）使用模型對系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)需要解決3個(gè)問題：設(shè)計(jì)模型、解模型、校準(zhǔn)和證實(shí)模型。