嵌入式系统设计师教程笔记

为了备考2019年嵌入式系统设计师，同时更关键的是为了补齐一些嵌入式方面的基础知识，做如下笔记，持续记录：

1.嵌入式系统基础知识

（1） 嵌入式系统组成

嵌入式系统是：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、工功耗严格要求的专用计算机系统。下图为其组成：

硬件层：主要由嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口组成；

1. 嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系结构或哈佛体系结构，指令系统可以选用精简指令系统或复杂指令集系统；
2. 存储器用于存放和执行代码，包含Cache、主存和辅助存储器；

• Cache存储器是位于CPU和主存储器之间，规模较小，但速度很高的存储器，通常由SRAM（静态存储器）组成；
• 主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用于存放系统和用户的程序及数据，分为ROM和RAM，其区别是ROM是只读存储器，一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制，RAM是构成内存的主要部分，其内容可以根据需要随时按地址读出或写入；
• 辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，读取速度相对于主存比较慢，常见的有硬盘、SD卡、CF卡和MMC卡等；
  
  

3. 通用设备接口和I/O接口用于与外界交互，外设种类复杂，通用设备接口有A/D、D/A，I/O接口有串行接口，以太网接口、USB接口、音频接口、视频接口等；

中间层：也成为硬件抽象层（BSP层），该层需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及硬件相关的设备驱动程序；

系统软件层：由RTOS、文件系统、图形用户接口、网络系统及通用组件模块组成；

应用软件层是由基于实时系统开发的应用程序组成，用来实现被控对象的控制功能。

PS:实时系统中抢占式调度和非抢占式调度优缺点分析：

• 抢占式调度优点是实时性好，反应快、调度算法相对简单，可优先保证高优先级任务的时间约束，缺点是上下文切换多；
• 非抢占式调度（通常为时间片式）不允许任务在执行期间被中断，优点是上下文切换少，缺点是在一般情况下，处理器有效资源利用率低，可调度性差；

（2） 嵌入式微处理器体系结构

冯·诺依曼结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构，包括因特尔公司的8086，ARM7架构，在高速运算时，会出现瓶颈。

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，包含所有DSP处理器，AVR系列以及ARM9等等，哈佛CPU通常具有较高的执行效率。

CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）的对比图如下，现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入RISC的特性。

流水线技术：

将一条指令分解成一连串执行的子过程，若每条指令分解为m个子过程，则可以使执行时间由原来的T缩短成T/m；

衡量流水线技术的主要指标：

• 吞吐率P；单位时间里流水线处理机流出的结果数，即单位时间里执行的指令数，为最长子过程的倒数；
• 建立时间T：开始工作到最大吞吐率所用时间，T=mt；

信息存储的字节顺序：

1. 小端字节顺序存储法：低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地址处；
2. 大端字节顺序存储法：低字节数据存放在内存高地址处，高字节数据存放在内存低地址处；
3. IP协议定义了标准的网络字节顺序；

（3）嵌入式系统的硬件基础

• 组合逻辑电路基础： 输出只与该时刻输入相关，相关知识点有真值表、布尔代数，与或非、门电路、译码器、数据选择器和数据分配器；
• 时序逻辑电路： 输出只与该时刻输入和该时刻电路状态相关，相关知识点有时钟信号、触发器、寄存器、移位寄存器器、计数器等等；
• 总线信号及信号驱动： 总线是一组通信线路，若只有一组，则为串行通信线路，其性能衡量标准有：

1. 总线带宽：单位时间内，总线能传输的最大数据量，单位MByte/s；
2. 总线宽度：通信线路数目，如8/16/32等等；
3. 单元时钟频率：统一的时钟脉冲作为定时基准，该定时基准的时钟频率；
4. 总线负载能力：总线上可连接模块的最大数目；
5. 总线复用技术：数据总线和地址总线共用；
6. 总线通信协议：同步和异步；
7. 总线仲裁：多个主设备同时使用总线时，解决各个主设备之间的资源争用问题，主要有串联优先级判别法、并联优先级判别法和循环优先级判别法；

• 电平转换电路：

1. 数字集成电路分类：双极型集成电路和MOS集成电路；
2. 常用数字集成电路逻辑电平接口技术：如TTL、ECL和CMOS；

• PLD