嵌入式系統設計師考試筆記之基礎知識篇

一、引言

自《嵌入式系統設計師考試復習筆記之存儲管理篇》在嵌入式在線(xiàn)的博客出現后，意外的得到很多朋友的關(guān)注和評論，收到不少朋友的郵件，問(wèn)一些有關(guān)考試的問(wèn)題，希望得到我的復習筆記的其他部分。我非常感謝他們，他們的熱切關(guān)注，使我有了繼續往下寫(xiě)的無(wú)限動(dòng)力，使我萌生了將我以前的復習筆記、考試經(jīng)驗結合大綱教程并重新按《教程》的章節順序整理一份適合考生復習的筆記手冊，筆記后面再分析歷年的真題，按章節考點(diǎn)找出相關(guān)的考題進(jìn)行分析，希望能和有興趣的人們一起討論討論。

嵌入式系統設計師的一天考試分為上午和下午部分，兩部分的考試方式、試題難度、考點(diǎn)分布和復習方法都是不同的。這次我們討論的是嵌入式系統基礎知識，我本人覺(jué)得，這部分出下午大題的可能性不大，主要是分布在上午的75道選擇題之中。

從歷年的真題和考試大綱來(lái)看，上午的選擇題主要考查一些基本概念，重要原理的理解，一些關(guān)鍵技術(shù)和一些重要的原理引申出來(lái)的簡(jiǎn)單計算。根據這些考試特點(diǎn)，復習的時(shí)候可以采用適當的策略，當然每個(gè)人的方法都是不一樣的，適合自己的辦法才是最好的辦法。方法大家可以自己慢慢去體會(huì )，我的也不多說(shuō)了，通過(guò)筆記和真題分析就可以體現處理。對于很多關(guān)鍵的知識點(diǎn)和基本概念，除了記住之外還要徹底理解，否則出題的時(shí)候會(huì )進(jìn)行一些變換，或者引申一些計算，那么就算你知道考那個(gè)考點(diǎn)，可能你也做不好。

在復習的過(guò)程中，你要記?。耗悴皇且家粋€(gè)很高的分數，而是要考一個(gè)通過(guò)的分數，在復習過(guò)程中可以放棄一些內容，只要保證在大部分基本概念，關(guān)鍵技術(shù)，重要原理和歷年考點(diǎn)上都把握住，能夠拿到需要的分數就可以了。

二、復習筆記

1、嵌入式系統的定義

(1)定義：以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。

(2)嵌入式系統發(fā)展的4個(gè)階段：無(wú)操作系統階段、簡(jiǎn)單操作系統階段、實(shí)時(shí)操作系統階段、面向Internet階段。

(3)知識產(chǎn)權核(IP核)：具有知識產(chǎn)權的、功能具體、接口規范、可在多個(gè)集成電路設計中重復使用的功能模塊，是實(shí)現系統芯片(SOC)的基本構件。

(4)IP核模塊有行為、結構和物理3級不同程度的設計，對應描述功能行為的不同可以分為三類(lèi)：軟核、固核、硬核。

2、嵌入式系統的組成：硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層

(1)硬件層：嵌入式微處理器、存儲器、通用設備接口和I/O接口。

嵌入式核心模塊=微處理器+電源電路+時(shí)鐘電路+存儲器

Cache：位于主存和嵌入式微處理器內核之間，存放的是最近一段時(shí)間微處理器使用最多的程序代碼和數據。它的主要目標是減小存儲器給微處理器內核造成的存儲器訪(fǎng)問(wèn)瓶頸，使處理速度更快。

(2)中間層(也稱(chēng)為硬件抽象層HAL或者板級支持包BSP)：它將系統上層軟件和底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據BSP層提供的接口開(kāi)發(fā)即可。

BSP有兩個(gè)特點(diǎn)：硬件相關(guān)性和操作系統相關(guān)性。

設計一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：

A、 嵌入式系統的硬件初始化和BSP功能。

片級初始化：純硬件的初始化過(guò)程，把嵌入式微處理器從上電的默認狀態(tài)逐步設置成系統所要求的工作狀態(tài)。

板級初始化：包含軟硬件兩部分在內的初始化過(guò)程，為隨后的系統初始化和應用程序建立硬件和軟件的運行環(huán)境。

系統級初始化：以軟件為主的初始化過(guò)程，進(jìn)行操作系統的初始化。

B、 設計硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)。

(3)系統軟件層：由RTOS、文件系統、GUI、網(wǎng)絡(luò )系統及通用組件模塊組成。

RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開(kāi)發(fā)平臺。

(4)應用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統開(kāi)發(fā)的應用程序組成。

3、實(shí)時(shí)系統

(1)定義：能在指定或確定的時(shí)間內完成系統功能和對外部或內部、同步或異步時(shí)間做出響應的系統。

(2)區別：通用系統一般追求的是系統的平均響應時(shí)間和用戶(hù)的使用方便;而實(shí)時(shí)系統主要考慮的是在最壞情況下的系統行為。

(3)特點(diǎn)：時(shí)間約束性、可預測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。

(4)硬實(shí)時(shí)(強實(shí)時(shí))：指應用的時(shí)間需求應能夠得到完全滿(mǎn)足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如：航天、軍事。

(5)軟實(shí)時(shí)(弱實(shí)時(shí))：指某些應用雖然提出了時(shí)間的要求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對系統運行及環(huán)境不會(huì )造成嚴重影響，如：監控系統、實(shí)時(shí)信息采集系統。

(6)任務(wù)的約束包括：時(shí)間約束、資源約束、執行順序約束和性能約束。

4、實(shí)時(shí)系統的調度

(1)調度：給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執行的整個(gè)過(guò)程。

(2)搶占式調度：通常是優(yōu)先級驅動(dòng)的調度，如uCOS。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應快，調度算法相對簡(jiǎn)單，可以保證高優(yōu)先級任務(wù)的時(shí)間約束;缺點(diǎn)是上下文切換多。

(3)非搶占式調度：通常是按時(shí)間片分配的調度，不允許任務(wù)在執行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執行完畢或自愿放棄，如WinCE。優(yōu)點(diǎn)是上下文切換少;缺點(diǎn)是處理器有效資源利用率低，可調度性不好。

(4)靜態(tài)表驅動(dòng)策略：系統在運行前根據各任務(wù)的時(shí)間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運行時(shí)刻表，指明各任務(wù)的起始運行時(shí)刻及運行時(shí)間。

(5)優(yōu)先級驅動(dòng)策略：按照任務(wù)優(yōu)先級的高低確定任務(wù)的執行順序。

(6)實(shí)時(shí)任務(wù)分類(lèi)：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。

(7)實(shí)時(shí)系統的通用結構模型：數據采集任務(wù)實(shí)現傳感器數據的采集，數據處理任務(wù)處理采集的數據、并將加工后的數據送到執行機構管理任務(wù)控制機構執行。

5、嵌入式微處理器體系結構

(1)馮諾依曼結構：程序和數據共用一個(gè)存儲空間，程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置，采用單一的地址及數據總線(xiàn)，程序和數據的寬度相同。例如：8086、ARM7、MIPS…

(2)哈佛結構：程序和數據是兩個(gè)相互獨立的存儲器，每個(gè)存儲器獨立編址、獨立訪(fǎng)問(wèn)，是一種將程序存儲和數據存儲分開(kāi)的存儲器結構。例如：AVR、ARM9、ARM10…