计算机三级嵌入式知识点整理.pdf

We are limited only by our energy and imagenation. 1 一、嵌入式系统开发的基础知识一、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．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 1）特点：）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 2）逻辑组成）逻辑组成 硬件：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， 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 软件软件 （（3 3）分类）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 4））发发展展 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； We are limited only by our energy and imagenation. 2 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、．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）核等技术的作用和发展） 2.1 集成电路集成电路 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 2.2 EDA（电子设计（电子设计自动化）自动化） 2.3 SoC 芯片（片上系统）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：开发流程： （（1 1）总体设计）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 2）逻辑设计）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）综合和仿真 （（4）芯片制造）芯片制造 借助 EDA 中的布局布线工具 2.4 IP 核核 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．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）视频等数字媒体的表示与处理） （（1））文本文本 We are limited only by our energy and imagenation. 3 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 ASCII 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 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 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））音频音频/视频视频 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） We are limited only by our energy and imagenation. 4 4．嵌入式系统与网络通信技术（数字通信与计算机网．嵌入式系统与网络通信技术（数字通信与计算机网络络，，TCP/IP 协议，互联网接入技术协议，互联网接入技术 等）等） （（1））数字通信数字通信 （（2））计算机网计算机网络络 （（3））音频音频/ TCP/IP 协议协议 （（4））互联网接入技术互联网接入技术 二、嵌入式处理器二、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．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）理器分类等） （（1 1）不同内核嵌入式微控制器性能比较）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 2））冯冯––诺依曼结构和哈佛结构诺依曼结构和哈佛结构的区别的区别 两者连接 CPU 程序存储器和数据存储器的方式不同 冯冯––诺依曼结构诺依曼结构 CPUCPU 程序程序/ /数据存储器数据存储器 哈佛结构哈佛结构 程序存储器程序存储器 CPU CPU 数据存储器数据存储器 We are limited only by our energy and imagenation. 5 程序总线程序总线 数据总线数据总线 （（3 3）分类）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 4））不同典型内核简介不同典型内核简介 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 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 。