嵌入式硬件设计答案(2页)

【1-1】嵌入式系统的定义是什么？嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且在软、硬件方面可进行裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

【1-2】简述嵌入式系统的主要特点。

1．系统内核小。

2．专用性强。

3．系统精简。

4．高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。

5．嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。

6．嵌入式系统开发需要开发工具和环境。

【1-3】嵌入式系统基本架构主要包括哪几部分？它一般由嵌入式微处理器、外围硬件系统和嵌入式操作系统及应用程序等部分组成。

【1-4】举例说明嵌入式系统与通用PC的主要差异体现在哪些方面。

嵌入式的处理器指令系统是双密度的；PC系统可以随便安装到任何符合硬件要求的电脑上；嵌入式系统是固化在特定的设备里面的，不可以随便安装或卸载，需要使用专业的工具把系统代码写到存储芯片上。

【1-5】嵌入式微处理器一般可分为有哪几种类型？各自有什么特点？1、嵌入式微控制器（MCU），又称为单片机。

微控制器的片上外设资源通常比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

微控制器芯片内部集成有ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。

微控制器的最大特点是单片化，功耗成本低，可靠性高。

常用的有8051、MCS系列、C540、MSP430系列等，目前，微控制器占嵌入式系统的约70%的市场份额。

2、嵌入式微处理器（EMPU）。

由通用计算机中的CPU发展而来，主要特点是具有32位以上的处理器，具有比较高的性能，价格也较高。

与计算机CPU不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，因此其体积小、重量轻、功耗低、成本低及可靠性高。

通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等元件做到同一个芯片上，也称为单板计算机。

目前，主要的嵌入式微处理器有ARM、MIPS、POWER PC和基于X86的386EX等。

3、嵌入式DSP处理器。

它是专门用于信号处理方面的处理器，茏在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速率，主要用在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上。

DSP内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速的实现各种数字信号处理算法，加之集成电路的优化设计，速度甚至比最快的CPU还快数倍。

4、嵌入式片上系统（SOC）。

它是追求产品系统最大包容的集成器件。

SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

体积小，功耗低，可靠性高【1-6】嵌入式操作系统按实时性可分为几种类型？各自特点是什么？（1）具有强(硬）实时特点的嵌入式操作系统系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则被称为硬（强）实时系统。

硬实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级（数控机床、防滑刹车系统等）。

硬实时系统通常在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，uc/os和VxWorks是实时操作系统。

（2）具有弱（软）实特点的嵌入式操作系统在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会发生致命的错误。

软实时系统则主要在软件方面通过编程实现现实的管理。

比如Windows CE、Linux是一个多任务分时系统。

一般软实时系统，其系统响应时间在毫秒或几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（电子菜谱的查询）。

(3)没有实时特点的嵌入式操作系统【1-7】简述嵌入式软件系统的运行流程。

上电复位/板级初始化阶段嵌入式系统上电复位后完成板级初始化工作，板级初始化程序具有完全的硬件特性，一般采用汇编语言实现。

系统引导/升级阶段根据需要分别进入系统软件引导阶段或系统升级阶段。

软件可通过测试通信端口数据或判断特定开关的方式分别进入不同阶段。

在系统引导阶段有如下三种不同的工作方式①将系统软件从NOR FLash中读取出来加载到RAM中运行②不需将软件引导到RAM中而是让其直接在NOR FLASH上运行，进入系统初始化阶段③将软件从外存中读取出来加载到RAM 中运行。

在进入系统升级阶段后，系统可通过网络进行远程升级或通过串口进行本地升级。

远程升级一般支持TFTP，FTP，HTTP等方式，本地升级可通过Console口使用超级终端或特定的升级软件进行。

系统初始化阶段在该阶段进行操作系统等系统软件各功能部分必需的初始化工作，如根据系统配置初始化数据空间、初始化系统所需的接口和外设等。

系统初始化阶段需要按特定的顺序进行，如首先完成内核的初始化，然后完成网络、文件系统等的初始化，最后完成中间件等的初始化工作。

应用初始化阶段在该阶段进行应用任务的创建，信号量、消息队列的创建和与应用相关的其他初始化工作。

多任务应用运行阶段各种初始化工作完成后，系统进入多任务状态，操作系统按照已确定的算法进行任务调度，应用任务分别完成各自特定的功能。

【1-8】嵌入式系统开发过程主要分为哪几个步骤？各步骤主要完成哪些工作？嵌入式软件的开发可主要分为目标文件的生成，调试和固化运行三个步骤。

嵌入式软件系统的生成是在宿主机上进行的，利用软硬件各种工具完成对应用程序的编辑、交叉编译和交叉链接工作，生成可供调试或固化的目标程序。

其中通过交叉编译器和交叉链接器可以在宿主机上生成能在目标机上运行的代码，而交叉调试器和硬件仿真器等则用于完成在宿主机与目标机间的嵌入式软件调试。

调试成功后还要使用一定的工具将程序固化到目标机上，然后脱离与宿主机的连接，启动目标机。

这样目标机就可以在没有任何干预的情况下，程序能自动地启动运行。

【1-9】在嵌入式系统开发中应该注意哪些事项？可靠性，功耗，内存限制，抗干扰【1-10】通过一个熟悉的嵌入式产品来描述其嵌入式系统的组成。

【2-2】在嵌入式微处理器中为什么要采用的多时钟电路？多路时钟方式一般用于32位及以上处理器中不同的功能部件电路使用不同频率的时钟频率工作。

各个时钟内部之间具有相关性，它们是通过主时钟分频或倍频来形成的。

有的系统是采用两套或以上石英晶振来实现，如12-20MHZ的主晶振和32.768KNZ的实时时钟晶振。

出于节电设计的考虑，不同的I/O接口等智能部件的工作状态可以由处理器的编程控制。

于是这样处理器内部设计了多种时钟源，分别为处理器内核、实时时钟电路、I/O部件提供不同的时钟信号。

因为32位微处理器工作频率较高，这样高频的时针线会暴露在电路板上，容易产生电磁干扰。

【2-3】嵌入式存储系统与通用的微机中存储系统相比，主要有哪些方面不同？(1)嵌入式系统由于体积的限制，尽量使用存储密度比较大的存储芯片。

(2)嵌入式系统由于功耗的限制，在设计嵌入式系统的存储系统时需要考虑功耗问题。

(3)出于成本考虑，大多数嵌入式系统的存储器容量与软件的大小相匹配。

(4)如果嵌入式处理器中没有存储器，就进行扩充，通常需要扩充ROM子系统用于存储程序，RAM子系统用于存储中间数据，FlachROM子系统也可用于存储配置数据和常数。

(5)嵌入式系统的存储子系统通常设置成模块结构，包括ROM子系统、RAM子系统，每个子系统占用一定的存储空间。

嵌入式系统的存储器通常与系统主板设计在一起的原因是一方面嵌入式系统的内存通常是固定大小的；另一方面一体系结构可以提高系统的可靠性。

【2-4】描述嵌入式系统中的存储系统结构、存储器分类以及各类存储器的常规特征。

寄存器、高速缓存Cache、主存储器、辅助存储器。

寄存器组——访问时间约为几个ns。

片上RAM ——与片外RAM比速度快、功耗小、容量小。

读写时间约为几个ns。

片上Cache ——8—32KB,访问时间约为十几个ns。

主存储器——一般为几兆字节—1GB 的动态存储器，访问时间约50ns。

辅存NAND FLASH,NOR FLASH【2-8】比较一下串联型线性稳压电源与串联型开关稳压电源各自的特点。

普通的串联稳压电源都安装电源变压器，具有输出电压稳定、波纹小等优点，但是电压范围小，效率低。

并联稳压电源输出电压特别稳定，但是负载能力很差，一般只在仪表内部做基准用。

开关电源是近代普遍推广的稳压电源，具有效率高、电压范围宽，输出电压相对稳定等特点，现在应用比较广。

3.1 传感器的类型有哪些？1）按转换原理分类：物理传感器和化学传感器物理传感器：应用压电、热电、光电、磁电等物理效应将被测信号的微小变化转换成电信号特点：可靠性好、应用广泛化学传感器：应用化学吸附、电化学反应等现象将被测信号转换成电信号特点：可靠性、规模生产的可能性、价格等因素的影响按用途分类温度、压力、力敏传感器、位置传感器、液面传感器、速度传感器、热敏传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、气敏传感器、生物传感器等。

3）按输出信号分类模拟传感器、数字传感器和开关量传感器等。

3.2 简述一下传感器的选用原则。

传感器的类型由于同一物理量可能有多种原理的传感器可供选用，可根据被测量的特点、传感器的使用条件如传感器的量程、体积、测量方式（接触式还是非接触式）、信号的输出方式、传感器的来源（国产还是进口）、价格等首先考虑选用何种原理的传感器。

传感器的性能指标( 1 ) 线性范围传感器的线性范围（模拟量）是指输出与输入成正比的范围。

传感器的线性范围越宽，量程越大，在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

在量程范围内，灵敏度在理论上应保持定值，并且保证一定的测量精度。

( 2 ) 精度精度是传感器的一个重要性能指标，关系到整个系统的测量精度。

传感器精度越高，价格越昂贵。

( 3 )灵敏度当灵敏度提高时，传感器输出信号的值随被测量的变化加大，有利于信号处理。

但传感器灵敏度提高，混入被测量中的干扰信号也会被放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。

( 4 )稳定性传感器的性能不随使用时间而变化的能力称为稳定性。

传感器的结构和使用环境是影响传感器稳定性的主要因素。

应根据具体使用环境选择具有较强环境适应能力的传感器，或采取适当措施减小环境的影响。

( 5 )频率响应特性在允许频率范围内保持不失真的测量条件下，传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应特性好，可测的信号频率范围宽。

实用中传感器的响应总有一定延迟，延迟时间越短越好。

3.6 什么是智能传感器？智能识别系统能够完成哪些功能？自动识别技术是以计算机技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术。