计算机三级嵌入式知识点汇总可用.pdf

1 一、嵌入式系统开发的基础知识1嵌入式系统的特点、分类、发展与应用，熟悉嵌入式系统的逻辑组成1）特点：专用性隐蔽性（嵌入式系统是被包装在内部）资源受限（要求小型化、轻型化、低功耗及低成本，因此软硬件资源受到限制）高可靠性（任何误动作都可能会产生致命的后果）软件固化（软件都固化在只读存储器ROM 中，用户不能随意更改其程序功能）实时性（2）逻辑组成硬件： 1)处理器（运算器、控制器、存储器）目前所有的处理器都是微处理器中央处理器（CPU ）和协助处理器（数字信号处理器DSP 、图像处理器、通信处理器）2)存储器（随机存储器RAM 和只读存储器ROM ）RAM 分为动态 DRAM 和静态 SRAM 两种 DRAM 电路简单、集成度高、功耗小、成本低，但速度稍慢慢；SRAM 电路较复杂、集成度低、功耗较大、成本高，但工作速度很快，适合用作指令和数据的高速缓冲存储器RAM 当关机或断电时，其中的信息都会消失，属于易失性存储器ROM 属于不易失性存储器分为电可擦可编程只读存储器（存放固件）和闪速存储器（Flash ROM简称内存）内存的工作原理：在低压下，存储的信息可读但不可写，这类似于ROM ；在较高的电压下，2 所存储的信息可以更改和删除，这有类似于RAM 。

3)I/O 设备与 I/O 接口4)数据总线软件（3）分类按嵌入式系统的软硬件技术复杂程度进行分类：1)低端系统采用 4 位或 8位单片机，在工控领域和白色家电领域占主导地位，如计算器、遥控器、充电器、空调、机、BP 机等2)中端系统采用 8 位/16 位/32 位单片机，主要用于普通、摄像机、录像机、电子游戏机等3)高端系统采用32 位/64 位单片机，主要用于智能、调制解调器、掌上计算机、路由器、数码相机等4）发展20 世纪 60 年代初，第一个工人的现代嵌入式系统（阿波罗导航计算机）20 世纪 60 年代中期，嵌入式计算机批量生产20 世纪 70 年代，微处理器出现20 世纪 80 年代中期， 外围电路的元器件被集成到处理器芯片中，昂贵的模拟电路元件能被数字电路替代20 世纪 90 年代中期 SOC 出现，集成电路进入超深亚微米乃至纳米加工时代2嵌入式系统的组成与微电子技术（集成电路、EDA 、 SoC、 IP 核等技术的作用和发展）（1）集成电路IC 集成电路的制造大约需要几百道工序，工艺复杂 集成电路是在硅衬底上制作而成的硅衬底是将单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片，它的厚度不足1mm ，其直径可以是6、8、12 英寸甚至更大这种硅片称为3 硅抛光片，用于集成电路的制造。

制造集成电路的工艺技术称为硅平面工艺，包括氧化、 光刻、掺杂等多项工序把这些工序反复交叉使用，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路集成电路的特点：体积小、重量轻、可靠性高其工作速度主要取决于逻辑门电路的晶体管的尺寸尺寸越小，工作频率就越高，门电路的开关速度就越快2）EDA （电子信号自动化）（3）SoC 芯片（片上系统）既包含数字电路，也可以包含模拟电路，还可以包含数模混合电路和射频电路SoC芯片可以是一个CPU ，单核 SoC ，也可以由多个CPU和/ 或 DSP ，即多核SoC 开发流程：（1）总体设计可以采用系统设计语言System C（或称 IEEE 1666 ，它是 C+的扩充）或System Vetilog语言对 SoC芯片的软硬件作统一的描述，按照系统需求说明书确定SoC的性能能参数，并据此进行系统全局的设计2）逻辑设计将总体设计的结果用RTL （寄存器传输级描述语言）语言进行描述（源文件）后，在使用逻辑综合将源文件进行综合生成，生成最简的布尔表达式核心好的连接关系（以类型为EDF的 EDA工业标准文件表示）（3）综合和仿真（4）芯片制造借助 EDA 中的布局布线工具（4）IP 核IC 设计文件：逻辑门级，包括各种基本的门电路；寄存器传输级，如寄存器、译码器、数据转换器；行为级，如CPU 、DSP 、存储器、总线与接口电路等。

核库中的设计文件均属于知识产权IP 保护的范畴，所以称为“知识产权核”或“ IP 核”IP 核是开发SoC的重要保证按IC 设计文件的类型，IP 通常分为：软核、固核、硬核 IP 核的复用可以减少研发成本，缩短研发时间，是实现SoC的快速设计，尽早投放市场的有效途径目前主要的CPU内核有 ARM 、MIPS、PowerPC 、Coldfile、x86、8051 等 ARM内核占所有32 位嵌入式RISC处理器的90% 以上3嵌入式系统与数字媒体（文本、图像和音频/视频等数字媒体的表示与处理）（1）文本含义：在计算机中的文字信息，最常用的一种数字媒体字符集及其编码1）西方字符的编码ASC II字符集和ASCII编码，基本的ASCII字符集共128 个字符，每个字符使用7 个二进位制进行编码2）汉字的编码4 汉子国家编码标准有GB2312 和 GB18030 每个汉字用2 个字节表示GB2312 只有 6763 个汉字， 经常不够用 GB18030 字符集与UCS/Unicode 字符集基本兼容，采用不等长的编码方法，单字节编码表示ASCII字符，与ASCII码兼容；双字节表示汉字，与GB2312 保持向下兼容（即GB2312 中有的 GB18030 字符集都有）3）UCS/Unicode 编码文本类型1）简单文本只能顺序阅读。

2）丰富格式文本有插图、对文字颜色等定义，调整页面，文本布局，插入声音视频等3）超文本通过超链接实现跳转、导航、回溯等操作（2）图像图像获取过程的核心是模拟信号的数字化，处理步骤为：1）扫描将画面网格化，每个网格为一个取样点2）分色将每个取样点的颜色分解成三原色3）取样测量每个取样点的每个分量（基色）亮度值4）量化把模拟量使用数字量来表示，A/D 转换数字图像的主要参数：图像大小( 水平分辨率 *竖直分辨率 ) 、位平面数目、像素深度、颜色模型一幅图像的数据量计算公式：图像数据量 =图像大小 * 像素深度 /8 （3）音频 /视频音频 / 视频信息的数字化，处理步骤为：1）取样2）量化3）编码数字音频的主要参数：取样频率、量化位数、声道数目、使用的压缩编码方法、比特率（每秒钟的数据量）压缩前波形声音的码率 （比特率） = 取样频率 * 量化为数 * 声道数（单位 b/s ）压缩后码率 = 压缩前码率 / 压缩倍数（压缩比）4嵌入式系统与网络通信技术（数字通信与计算机网络，TCP/IP协议，互联网接入技术等）（1）数字通信（2）计算机网络（3）音频 / TCP/IP 协议5 （4）互联网接入技术二、嵌入式处理器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）（1）不同内核嵌入式微控制器性能比较性能内核51 内核其他 8 位内核16 位内核其他 32 位内核ARM Cortex-M内核处理速度差差一般好好低能耗好好好差好代码密度差差一般差好内存 64KB 差差差好好向量中断好好好一般好低中段延时好好好差好低成本好好好差好多供资源好差差差好编译器选择好一般一般一般好软件可移植性好一般一般一般好（2）冯诺依曼结构和哈佛结构的区别两者连接CPU程序存储器和数据存储器的方式不同冯诺依曼结构CPU 程序 / 数据存储器哈佛结构程序存储器 CPU 数据存储器程序总线数据总线（3）分类按指令集分为：复杂指令集结构CISC和精简指令集结构RISC 按存储机制分为：冯诺依曼结构和哈佛结构按字长分为：8 位、 16 位、 32 位、 64 位结构按不同内核系列可以分为：51、AVR 、PIC、MSP430 、PowerPC 、Coldfile、ARM（4）不同典型内核简介内核系列推出公司内核结构简单描述51 Intel CISC 哈佛结构8 位字长， 常用于简单的检测与控制应用领域，最早被称为单片机。

其价格低，应用资料齐全，开发工具便宜，开发周期短，成本低，因此被广泛应用到各个行业随着 1T 改进型 51 内核的推出， 加上许多器件厂家增加了自己的特色组件，51 系列还在使用6 AVR Atmel RISC 哈佛结构8 位、 16 位和 32 位三类字长的微控制器内核，以适应不同应用层次的要求主要特点是高性能、高速度、低功耗PIC Microchip RISC 哈佛结构8 位、 16 位和 32 位三类字长的微控制器内核，以适应不同应用层次的要求主要用于工业控制，主要优势是针对性强，特别是抗干扰能力强MSP430 TI RISC 冯- 结构16 位字长的微控制器区内核，广泛应用于手持设备嵌入式应用系统中，突出特点就是以超低功耗著称全球MIPS MIPS RISC 哈佛结构高性能高档次32 位和 64 位处理器内核主要特点是适应于高速、大数据吞吐量应用场合PowerPC Apple ，IBM,Motorola RISC 哈佛结构高性能高档次含有32 位子集的64 位处理器内核 具有优异的性能、较低的能耗以及较低的散热量MC68K Motorola RISC 哈佛结构32 位字长的处理器内核，具有超标量的超级指令流水线，性能优异明显，主要用于与高端嵌入式应用领域。

Coldfile Frescale RISC 哈佛结构32 位字长的高性能处理器内核，性能优越， 集成度高， 可用于工业应用领域、消费电子领域、医疗电子领域、测试与测量领域等ARM ARM RISC 多数为哈佛结构32 位字长的高性能处理器内核，目前嵌入式处理器的领跑者2ARM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）（1）工作状态一是 ARM状态，二是Thumb指令状态及Thumb-2状态，三是调试状态ARM 处理器复位后开始执行代码时总是只处于ARM 状态，如果需要，可通过下面的方法切换到Thumb状态或 Thumb-2 状态ARM 状态切换到Thumb指令状态： 通过 BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为1即可如果R00=1 ，则执行BX R0指令将进入Thumb状态状 Thumb态切换到 ARM 状态：通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为0 即可如果 R00=0 ，则执行BX R0指令将进入ARM 状态2）工作模式（7 种）工作模式功能说明可访问的寄存器CPSRM4:M0 用户模 User 程序正常执行工作模式PC,R14-R0,CPSR 10000 快速中断模式 FIQ 处理高速中断，用于高速数据传输或通道处理PC,R14_fiq-R8_fiq, R7-R0,CPSR,SPSR_fiq 10001 外部中断模式 IRQ 用于普通中断处理PC,R14_irq-R13_irq, R12-R0,CPSR,SPSR_irq 10010 管理模式操作系统的保护模式，处理软中PC,R14_svc-R13_svc, 10011 7 SVC 断 SWI R12-R0,CPSR,SPSR_svc 中止模式ABT 处理存储器故障，实现虚拟存储器和存储器保护PC,R14_abt-R13_abt, R12-R0,CPSR,SPSR_abt 10111 未定义指令模式 UND 处理为定义的指令陷阱，用于支持硬件协处理器仿真PC,R14_und-R13_und, R12-R0,CPSR,SPSR_und 11011 系统模 SYS 运行特权及的操作系统任务PC, R14-R0,CPSR 11111 （3）寄存器组织ARM 处理器共有37 种寄存器，包括31 个通用寄存器（含PC ）和 6 个状态寄存器。

无论何种模式，R15 均作为 PC使用； CPSR为当前程序状态寄存器；R7-R0 为公用的通用寄存器所有通用寄存器均为32 位结构程序状态寄存器的格式：31 30 29 28 27 26 8 7 6 5 4 3 2 1 0 N Z C V Q 状态保留I F T M4 M3 M。