【嵌入式】等级考试嵌入式自整理资料（2023.3.25考试）
一、嵌入式系统开发的基础知识
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１嵌入式系统的特点、分类、发展与应用
（）嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪、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。
（）嵌入式系统与通用计算机系统软件的相同之处:指的是嵌入式系统通常也具备引导加载程序，外设驱动程序，操作系统，文件系统，网络协议栈，图形用户界面，数据库，以及各种各样的应用程序等。
（）嵌入式特点：
1专用性 2隐蔽性 3资源受限 4高可靠性 5实时性 6软件固化
（）嵌入式分类
用途分类：军用、工业用、民用
实时性分类：实时性、非实时性
产品形态分类：系统级产品、板级产品、片级产品
软硬件复杂程度分类：
低端 4/8位单片机 不使用操作系统
中端 8位/16位单片机、32位处理器 使用小型嵌入式操作系统、用户界面较为简单
高端 32/64位处理器 操作系统功能齐全，应用软件可更新扩展
（）嵌入式应用：
1消费类应用：白色家电-冰箱、洗衣机、空调 数码产品-电视机、游戏机、MP3
2产业类应用：工业设备-数控机床、工业机器人、机电一体化设备 运输工具-汽车、飞机、电梯 医疗电子-X光、B超、CT
3业务类应用：办公设备-电话机、打印机、复印机 金融电子-POS机、点钞机、ATM提款机 通信设备-手机、路由器、交换机
4军用类应用：武器控制-火炮、导弹、炸弹 军用电子-坦克、战机、无人机 军事通信-雷达、电子对抗、导航
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２嵌入式系统的组成与微电子技术（集成电路、ＳｏＣ、ＩＰ核等技术的作用和发展）
（）嵌入式组成：
1处理器：按照指令的规定高速度完成二进制数据运算和逻辑运算的部件。 性能因素有 主频、指令系统、高速缓存器容量结构、逻辑结构。
2存储器：存储程序和数据。
| 易失性存储器 | SRAM 静态随机存取存储器 | 高速缓冲存储器 |
| DRAM 动态随机存取存储器 | 工作存储器 | |
| 非易失性存储器 | EEPROM 电可擦可编程只读存储器 | 存储固件 |
| FlashROM 闪速存储器 | 固件/数据 | |
| 磁盘和光盘存储器 | 辅助存储器 |
3 I/O设备与I/O接口：
I/O设备：
A人机交互设备-按键、键盘、鼠标、显示器
B机机交互设备-传感器（压力传感器、温度传感器）伺服执行机构（继电器、步进电机）
I/O接口：低速高速、串行并行、有线无线、总线式独占式
| 通用串行总线式接口 | USB2.0/USB3.0、IEEE 1394、 以太网接口 |
| 异步串行接口 | RS-232-C、RS-485 |
| 视频信号接口 | VGA接口、DVI接口、HDMI接口 |
| 工业总线接口 | CAN接口、1553B接口、LIN接口 |
| 无线接口 | IrDA接口、蓝牙接口、Zigbee接口、WiFi接口 |
4数据总线：由传输线和控制电路组成。有内部总线、外部总线、扩充总线之分
5软件：低端（监控程序+中断服务+设备驱动），高端（板级支持包+设备驱动+实时操作系统+中间件+嵌入式应用）
（）嵌入式系统CPU特点：1支持实时处理 2低功耗 3结构可扩展 4集成了测试电路
（）嵌入式处理芯片类型：1微处理器 2数字信号处理器 3微控制器 4片上系统
（）集成电路制造过程：硅锭——切片——硅抛光片——氧化、光刻、掺杂等处理——晶圆——晶片切割——晶片测试——晶片封装——成品测试——成品销售
（）微机电系统（MEMS）产品：压力传感器、加速仪、陀螺仪
（）SoC芯片分类
| 通用SoC芯片 | 半导体企业通过自主开发处理器内核或购买其他企业的处理器内核的IP授权，按照目标应用领域功能要求开发的SoC芯片系列。 | 高通骁龙、联发科MT系列 | ARM内核、x86内核 |
| 专用SoC芯片 | 嵌入式系统开发商依据待开发产品的特殊要求，向半导体企业定制的SoC芯片 | Apple A系列 | Swift内核、Cyclone内核 |
（）SoC芯片开发流程：总体设计——逻辑设计——综合与仿真——芯片制造
（）IP核：已经完成并经过验证的IC（集成电路）具有固定不可再分解的功能特性，被称为“核”，设计文件属于知识产权IP的保护范畴，故称为IP核
（）IP核分类：
| 软核 | 使用硬件描述语言（HDL）描述的IP核。常用于功能仿真 |
| 固核 | 与工艺相关包含具体结构信息的IP核，用RTL描述和综合网表的形式提供 |
| 硬核 | 已经被投片测试验证的IC掩膜版图和全套工艺文件。可直接集成在SoC中 |
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３数字媒体基础（文本、图像和音频视频等数字媒体的表示与处理）
（）数字文本编码：
| 西文字符 | ASCII (1字节) |
| 汉字编码 |
GB2312 （2字节） GB18030 （不等长编码） |
| UCS/unicode编码 |
UTF-8 （单字节可变长编码） UTF-16 （双字节可变长编码） |
（）数字文本类型：1、简单文本（.txt） 2、丰富格式文本 （.doc .html ,pdf） 3超文本（ www网页）
（）数字图像的获取：
| 扫描 | 将画面划分成M*N的网格，每个网格称为一个取样点 |
| 分色 | 将每个取样点的颜色分成RGB三基色，如果是灰度图像则不必进行分色 |
| 取样 | 测量每个取样点的每个分量的亮度值 |
| 量化 | 对取样点每个的分量的亮度值进行A/D转换 |
（）数字图像的主要参数
| 图像大小 | 图像分辨率=水平分辨率*竖直分辨率 |
| 位平面数目 | 像素颜色分量的数目。黑白1个、彩色3个或多个 |
| 像素深度 | 每个像素用多少二进制位来表示。若RGB 3分量都用8位，则该RGB图像的深度为24 |
| 颜色模型 | 显示器使用RGB颜色模型、打印机使用CMYK（青、品红、黄、黑）模型 |
（）图像数据量（字节为单位）=图像水平分辨率*图像垂直分辨率*图像深度/8；
（）MPEG-2制定于1994年，设计标是高级工业的图象质以及更高的传输率，MPEG-2所提供的传输率在3-10Mbits/se 其在NTSC制式下的分我率可达720X486MPEG-2地可提供并够提供广懂的像本CD级的质，MPEG-2音频综可提供中及两绕道 以及-加重声道，和多音声道(DVD有8种语言图高的原因)。由于MPEG-2在设计时的5沙处理，使得大多数MPE-2解码也可播放MPEG-1格式的数，如CD，同时，由于MPEG-2的出色性能表现，已能适用于HDTV，使得原打算为HDTV设计的MPEG-3，还没出世就被抛弃了，MPE6-3要求传输速率在20Mbts/se(-40Mbts/se间，但这将使画面有轻度扭曲)除了做为DVD指定标外，MPEG-2还可用于为广播，有线电视网，电缆网络以及卫星直播(Direct Broadcast Satellite)提供广播级的数字视频。
（）前向通道通常指的是输入接口，由模拟量输入接口和数字量输入接口组成，模拟输入接口包括传感器，信号调节电路(波，放大器等)，
A/D转换器等构成。后向通道是输出接口，由模拟量和数字量接口组成，包括D/A转换器，功率放大器，执行器等。
（）常用图像文件格式
| BMP | RLE（行程长度编码） | 无损 | windows应用 |
| TIF | RLE、LZW（字典编码） | 无损 | 桌面出版 |
| GIF | LZW | 无损 | 互联网 |
| JPEG |
DCT（离散余弦变换） Huffman编码 |
多为有损 | 互联网、数码相机 |
| PNG | LZ77派生的DEFLATE算法 | 无损 | 互联网、桌面出版 |
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４网络通信技术（数字通信与计算机网，ＴＣＰ ／ ＩＰ协议，互联网接入技术等）。
（）AMBA是ARM公司布的总线协议，用于连接和管理片上系统 So 中功能模块的开放标和片上连现范，标现定了ARM处理内核与处理内部高带RAM、DMA以及高
带宽外部存储器等快速组件的接口标准，也规定了内核与ARM处理影内部外国端口及慢速设备接口组件的接口标准，AMBA有多个版本，性能随版本的发展而逐步提高。
（）按照AMBA总线规范，基于ARM内核的式处理片采用系统总线与外国总线两结构的方式构建片上系统，其中的系统总线主要用
于连接高带宽快速组件。
()WLAN所采用的主要通信协议是802.11; 数据传输速率可达到11 Mbps、54Mbps、108Mbps甚至更高.
二、嵌入式处理器
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１嵌入式处理器的结构、特点与分类（不同类型的典型嵌入式处理器及其特点，嵌入式处理器分类等）。
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２ ＡＲＭ处理器内核的体系结构（工作状态，工作模式，寄存器组织，异常，数据类型与存储格式等）。
ARM中支持7种异常,其中包括复位REST、未定义指令异常UND、软中断异常SWI、预取指令中止PABT、数据访问中止DABT、外部中断IRQ、快速中断IFQ。
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３典型ＡＲＭ处理器内核（ＡＲＭ９，ＣｏｒｔｅｘＡ，Ｃｏｒｔｅｘ Ｍ，Ｃｏｒｔｅｘ Ｒ等的技术特点与应用领域）。
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４ＡＲＭ处理器指令系统及汇编语言程序设计（指令格式，寻址方式，指令集，伪指令，语句格式与程序结构，ＡＲＭ汇编语言与Ｃ的混合编程等）。
（）Thumb-2关外部中断使用的指令为: CPSID ，开外部中断的指令为: CPSIE I。
（）ARM当调用子程序时，子程序调用指令为BL; 子程序返回调用程序的指令为MOV PC,LR.
三、嵌入式系统硬件组成
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１嵌入式硬件组成与嵌入式处理芯片（组成，特点，类型，ＡＲＭ的ＡＭＢＡ总线，嵌入式处理芯片的选型）。
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２嵌入式系统的存储器（层次结构，分类，性能指标；片内存储器，片外存储器，外部存储设备等）。
（）嵌入式系统的存情以半导体存诸器为主，使用的RAM有SRAM、DRAM等多种，随着技术不断发展，FRAM和MRAM等新型存储器不断出现，也得到使用;NOR Flash和NAND Flash是现在市场上两种主要的闪存技术，在性能高的嵌入式处理器中都会集成内部Cache，ARM9和ARM11都有Cache存储器。
（）嵌入式系统的存储器以半导体存储器为主，FRAM和MRAM，分别称为铁电随机存取存储器和磁性随机存取存储器。
（）半导体存储器芯片的存储容量取决于该芯片的地址总线的条数和数据总线的位数
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３Ｉ ／ Ｏ接口、Ｉ ／ Ｏ设备以及外部通信接口（ＧＰＩＯ、Ｉ ２ Ｃ、ＳＰＩ、ＵＡＲＴ、ＵＳＢ、ＨＤＭＩ等；
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键盘、ＬＥＤ、ＬＣＤ、触摸屏、传感器等；ＲＳ－２３２ ／ ＲＳ－４８５、ＣＡＮ、以太网和常用无线通信接口）。
（）系统总线通过桥接器与外围总线互连，外围总线连接的硬件组件包括:GPIO、UART、SPI12C、USB设备ADC、DAC等等。DMA (Direct Memory统内部转移数据的独特外设，可以将其视为一种能够通过一组专用总线将内部和外部存储器与每个具有DMA能力的外设连接起来的控制器。
（）I2C总线被启动后，多个主机在发送一个数据位都要对SDA信号线电平进行检测，只要检测的电平与自己发出的电平相同就会继续占用总线，总线的控制遵循“低电平优先”的原则。
（）UART由发送器、接收器、控制单元及波特率发生器等构成
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４基于ＡＲＭ内核的典型嵌入式处理芯片（Ｓ３Ｃ２４１０ ／ Ｓ３Ｃ２４４０芯片的内部结构，如片上总线、ＤＭＡ、时钟控制、中断控制、ＧＰＩＯ、ＵＡＲＴ、Ｉ ２ Ｃ、ＳＰＩ、Ｔｉｍｅｒ、ＲＴＣ、ＷＤＴ及其他硬件组件）。
（）数字信号处理器英文缩写为DSP，它是一种适用于数字信号处理的微处理器，它支持单指令多数据(SIMD) 并行处理的指令，能显者提高音频、视频等数字信号的数据处理效率
四、嵌入式系统软件
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１嵌入式系统的软件组成与实时操作系统（嵌入式系统软件组成，嵌入式操作系统的发展，实时系统与实时操作系统，嵌入式操作系统的内核结构等）。
（）IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应该具备7个特征:具有异步I/O和中断处理能力;任务切换时间和中断延迟时间确定;优先级中断和调度;抢占式调度;内存锁定;连续文件;同步。
（）单内核结构是传统操作系统采用的结构，也称为宏内核(Macro kerne) 。其缺点是占内存空间大，缺可扩展性，维护困难，任务执行时间的可预测性较低，故和增加新功能需要重编，其优点是应用程序生成效率高，系统花在内核功切换上的开销非常小，对外来事件反应速度快，操作系统内核的运行效率高。
（）实时系统的主要特征是能够及时响应外部发生的随机任务请求并且能够在规定的时限内完成任务。任务时限有两种:截止时间，也就是任务开始执行时间到任务必须完成的时间间隔。任务执行预设时间，或者叫做任务最快完成时间，这是无中断响应情况下的任务最快执行时间。
（）实时系统对时间约束要求的严格性，使可预测性成为实时系统的一项重要性能要求，它是指RTOS能够对外部事件的响应时间和实时任务的执行时间进行判断，以确定被事件触发的实时任务能否在规定的时间内完成。
（）按响应时间将实时系统分成三类:强实时系统，其响应时间一般在毫秒级或微秒级，普通实时系统，其响应时间一般在秒级，弱实时系统，其响应时间一般在数十秒级。
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２板级支持包（ＢＳＰ）、引导加载程序Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ和设备驱动程序（硬件抽象层ＨＡＬ，ＢＳＰ的功能和移植，Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ的执行过程，Ｕ-ｂｏｏｔ及其移植，设备驱动程序的实现等）。
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３嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统（Ｌｉｎｕｘ内核，嵌入式Ｌｉｎｕｘ的结构组成与实时化技术，常见嵌入式Ｌｉｎｕｘ发行版等）。
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４嵌入式操作系统μＣ ／ ＯＳⅡ（基本特点、代码结构、任务管理与调度、系统服务、应用程序设计等）。
（）μC/OS-Il是抢占式实时操作系统内核，只能管理64个任务。目前的版本保留8个任务给系统，这样用户编写的应用程序最多可以有56个任务。不支持时间片轮转调度法，因此赋给每个任务的优先级是不相同的。每个任务拥有自用栈。
（）在μC/OS-Il中有多种法可以务之间的共享教和提供务之间的通信，其中主要有以下三种: 利用宏OS ENTER CRTICALOS EX RIICALO采关团中断和打开中断，利用数0SSchedlock0和0SShedUnlock对务调度数上锁开锁利用信号量、信号量、邮和消息队列进行务间通信，利用内存文件进行任务间的大规模数居共享是达不保护任务之间的共享数据的作用。
（）移植μC/OS-Il到一个嵌入式电路板上正常运行,必须满足以下要求:处理器的C编译器能产生可重入代码;用C语言就可以打开和关闭中断;处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在 10~100Hz 之间)处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几干字节)的硬件栈区;处理器有将栈区指针和其他 CPU 奇存器读出和存储到栈区或内存中的指令。存储管理单元可以不需要。
（）基于操作系统的外围工具软件运行在嵌入式系统上，往往具有内部结构精简，代码轻量化 ，占用存储资源少的特点
五、嵌入式系统的开发
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１嵌入式系统的开发过程和工具（开发步骤，交叉开发平台和工具，系统的调试工具等）。
（）嵌入式系统的开发过程按顺序可以分成需求分析与规格说明、系统设计、构件设计、系统集成与测试等4个阶段，测试的目的是验证模块/系统的功能和性能，以及发现错误。
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２系统开发工具软件（ＡＤＳ、ＲＶＤＳ的特点与使用，ＧＣＣ的常用命令与参数）。
（）若以S3C2410为核心的目标机上，已经移植成功Linux操作系统。若要开发该目标机的Linux应用程序，通常使用arm-linux-gcc交叉编译器来编译应用程序。若要对一个应用程序进行调试排错，则应该在编译命令中加g参数对它进行编译
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３以Ｓ３Ｃ２４１０ ／ Ｓ３Ｃ２４４０为背景的应用系统开发（硬件接口及部件的综合使用；无操作系统环境下的系统开发；μＣ ／ ＯＳ Ⅱ环境下的系统开发）。
