学习嵌入式必读:嵌入式系统基础及知识及接口

本文主要介绍嵌入式系统的一些基础知识,从嵌入式系统基础,包括嵌入式系统的定义、嵌入式系统的组成、实时系统、逻辑电路基础以及接口技术两方面介绍,希望对各位有帮助。

(1)定义: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。

(2)嵌入式系统发展的4个阶段:无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统阶段、面向Internet阶段。

(3)知识产权核(IP核):具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个中重复使用的功能模块,是实现(SOC)的基本构件。

(4)IP核模块有行为、结构和物理3级不同程度的设计,对应描述功能行为的不同可以分为三类:软核、固核、硬核。

Cache:位于主存和嵌入式微处理器内核之间,存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈,使处理速度更快。

它将系统上层软件和底层硬件分离开来,使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况,根据BSP层提供的接口开发即可。

片级初始化:纯硬件的初始化过程,把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。

板级初始化:包含软硬件两部分在内的初始化过程,为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。

(1)定义:能在指定或确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。

(2)区别:通用系统一般追求的是系统的平均响应时间和用户的使用方便;而实时系统主要考虑的是在最坏情况下的系统行为。

(4)硬实时(强实时):指应用的时间需求应能够得到完全满足,否则就造成重大安全事故,甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏,如:航天、军事。

(5)软实时(弱实时):指某些应用虽然提出了时间的要求,但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行及环境不会造成严重影响,如:监控系统、实时信息采集系统。

(2)抢占式调度:通常是优先级驱动的调度,如uCOS。优点是实时性好、反应快,调度算法相对简单,可以保证高优先级任务的时间约束;缺点是上下文切换多。

(3)非抢占式调度:通常是按时间片分配的调度,不允许任务在执行期间被中断,任务一旦占用处理器就必须执行完毕或自愿放弃,如WinCE。优点是上下文切换少;缺点是处理器有效资源利用率低,可调度性不好。

(4)静态表驱动策略:系统在运行前根据各任务的时间约束及关联关系,采用某种搜索策略生成一张运行时刻表,指明各任务的起始运行时刻及运行时间。

(7)实时系统的通用结构模型:数据采集任务实现传感器数据的采集,数据处理任务处理采集的数据、并将加工后的数据送到执行机构管理任务控制机构执行。

(1)冯诺依曼结构:程序和数据共用一个存储空间,程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置,采用单一的地址及数据总线,程序和数据的宽度相同。例如:8086、ARM7、MIPS

(2)哈佛结构:程序和数据是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编址、独立访问,是一种将程序存储和数据存储分开的存储器结构。例如:AVR、ARM9、ARM10

(4)流水线的思想:在CPU中把一条指令的串行执行过程变为若干指令的子过程在CPU中重叠执行。

吞吐率:单位时间里流水线处理机流出的结果数。如果流水线的子过程所用时间不一样长,则吞吐率应为最长子过程的倒数。

建立时间:流水线开始工作到达最大吞吐率的时间。若m个子过程所用时间一样,均为t,则建立时间T=mt。

(1)根据电路是否具有存储功能,将逻辑电路划分为:组合逻辑电路和时序逻辑电路。

(2)组合逻辑电路:电路在任一时刻的输出,仅取决于该时刻的输入信号,而与输入信号作用前电路的状态无关。常用的逻辑电路有译码器和多路选择器等。

(3)时序逻辑电路:电路任一时刻的输出不仅与该时刻的输入有关,而且还与该时刻电路的状态有关。因此,时序电路中必须包含记忆元件。触发器是构成时序逻辑电路的基础。常用的时序逻辑电路有寄存器和计数器等。

(5)NOR(或非)和NAND(与非)的门电路称为全能门电路,可以实现任何一种逻辑函数。

(7)由于的高电平输出电流小,而低电平输出电流相对比较大,采用集成门电路直接驱动LED时,较多采用低电平驱动方式。液晶七段字符显示器LCD利用液晶有外加电场和无外加电场时不同的光学特性来显示字符。

(8)时钟信号是时序逻辑的基础,它用于决定逻辑单元中的状态合适更新。同步是时钟控制系统中的主要制约条件。

(1)总线是各种信号线的集合,是嵌入式系统电路基础知识中各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。在同一时刻,每条通路线路上能够传输一位二进制信号。按照总线所传送的信息类型,可以分为:数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)。

总线宽度:总线能同时传送的数据位数(bit),即人们常说的32位、64位等总线宽度的概念,也叫总线位宽。总线的位宽越宽,总线每秒数据传输率越大,也就是总线带宽越宽。

总线频率:工作时钟频率以MHz为单位,工作频率越高,则总线工作速度越快,也即总线带宽越宽。

(3)只有具有三态输出的设备才能够连接到数据总线上,常用的三态门为输出缓冲器。

(4)当总线上所接的负载超过总线的负载能力时,必须在总线和负载之间加接缓冲器或驱动器,最常用的是三态缓冲器,其作用是驱动和隔离。

(1)数字集成电路可以分为两大类:双极型集成电路(TTL)、金属氧化物半导体(MOS)。

(3)解决TTL与CMOS电路接口困难的办法是在TTL电路输出端与电源之间接一上拉电阻R,上拉电阻R的取值由TTL的高电平输出漏电流IOH来决定,不同系列的TTL应选用不同的R值。

(1)进位计数制与转换:这样比较简单,也应该掌握怎么样进行换算,有出题的可能。

(1)根据码组的功能,可以分为检错码和纠错码两类。检错码是指能自动发现差错的码,例如奇偶检验码;纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码,例如循环冗余校验码。

(1)性能指标:分为部件性能指标和综合性能指标,主要包括:吞吐率、实时性和各种利用率。

可靠性是嵌入式系统最重要、最突出的基本要求,是一个嵌入式系统能正常工作的保证,一般用平均故障间隔时间MTBF来度量。

性价比中的价格,除了直接购买嵌入式系统的价格外,还应包含安装费用、若干年的运行维修费用和软件租用费。

(3)模型法分为分析模型法和模拟模型法。分析模型法是用一些数学方程去刻画系统的模型,而模拟模型法是用模拟程序的运行去动态表达嵌入式系统的状态,而进行系统统计分析,得出性能指标。

(4)分析模型法中使用最多的是排队模型,它包括三个部分:输入流、排队规则和服务机构。

(5)使用模型对系统进行评价需要解决3个问题:设计模型、解模型、校准和证实模型。

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