计算机三级嵌入式知识点

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， 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、传真机、BP机等。

2)中端系统 采用8位/16位/32位单片机，主要用于普通手机、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，主要用于智能手机、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

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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、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”

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。

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

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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

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 1）简单文本

只能顺序阅读。

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。 通过超链接实现跳转、导航、回溯等操作 2）丰富格式文本 3）超文本

文本类型

（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

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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

（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 低能耗 代码密度 内存>64KB 向量中断 低中段延时 低成本 多供资源 编译器选择 软件可移植性 差 好 差 差 好 好 好 好 好 好 差 好 差 差 好 好 好 差 一般 一般 一般 好 一般 差 好 好 好 差 一般 一般 好 差 差 好 一般 差 差 差 一般 一般 好 好 好 好 好 好 好 好 好 好

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（2）冯–诺依曼结构和哈佛结构的区别

（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 51 推出公司 Intel 内核结构 CISC 哈佛结构 简单描述 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。 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

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。 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。 PIC Microchip RISC 哈佛结构 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。 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 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。 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。 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。 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 MIPS MIPS RISC 哈佛结构 PowerPC Apple，IBM,Motorola RISC 哈佛结构 RISC 哈佛结构 MC68K Motorola Coldfile Frescale RISC 哈佛结构 ARM ARM RISC 多数为哈佛结构

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