嵌入式系统开发技术基本知识点(打印版)

嵌入式系统开发技术基本知识点
第一章嵌入式系统概论
一：定义：嵌入式系统是一种嵌入在设备（或系统）内部，为特定应用而设计开发的专用计算机系统。

国内普遍认为：嵌入式是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁剪、使用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的功用计算机系统。

2特点①专用性②隐蔽性③资源受限④高可靠性⑤实时性⑥软件固化。

3嵌入式系统是由硬件和软件两部分组成的。

硬件的主体是中央处理器和存储器，它们通过输入/输出（I/O）接口和输入/输出设备与外部世界联系。

二:处理器能够按照指令的要求高速度完成二进制数据和逻辑运算的部件。

组成：由运算器、控制器、寄存器、高速缓冲存储器（Cache）等部件组成。

三：①中央处理器（CPU）：负责运行系统软件和应用软件的主处理器②其余的都是协处理器：如数字信号处理器（DSP）、通信处理器、图形处理器。

四：地位：CPU是任何计算机不可或缺的核心部件。

CPU的字长有4位、8、16位（最多）、32位（技术发展的主流）、64位之分。

字长指的是CPU中通用寄存器和定点运算器的宽度。

CPU的性能主要表现为程序（指令）执行速度放入快慢。

影响执行速度的因素①主频（CPU时钟频率）②指令系统③高速缓冲存储器的容量和结构④逻辑结构。

五：存储器的任务是存储程序和数据。

它分为内置存储器和扩充存储器两部分。

内置又分为片内存储器和片外存储器两部分。

扩充存储器通常做成插拔形式，需要时才插入宿主设备使用。

存储器大多数是由半导体集成电路组成。

按照其存取特性，分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）,其中RAM又可分为动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）.
动态随机存取存储器（DRAM）：电路简单，集成度高，功耗小，成本低，但速度稍慢。

静态随机存取存储器（SRAM）：电路较复杂，集成度低，功耗较大，成本高，但工作速度快（适合用作指令和数据的高速缓冲存储器）无论是DRAM，SRAM当关机或断电时，其中的信息都将随着丢失，属于易失性存储器。

ROM是一种能够永久或半永久性地保存信息的存储器，也叫非易失性存储器。

外部世界都是系统的输入/输出（I/o）他们要么是向嵌入式系统输入信息，要么是接收嵌入式系统的输出信息，或者两者兼有之。

按其服务对象分①用于人机交互的设备②用于机机交互的设备。

从数据传输速率看，有低速和高速之分；从传输方式来看，有串行和并行。

从是否需要物理连接来看，有有线和无线。

从是否需要能连接多个设备来看有总线式和独占式。

数据总线简称总线，它是嵌入式系统各组件之间进行数据传输的一个传输通路，它由传输线和控制电路组成，能为连接在总线上的系统内
或系统外的各个组件提供数据传输和相应的控制服务。

嵌入式系统其硬件的核心是CPU，嵌入式系统的中CPU一般具有4个特点：①支持实时处理；②低功耗；③结构可扩展；④集成了测试电路。

类型：⑴微处理器：是一种可编程的多用途器件（有4、8、16、32、64位主流）。

⑵数字信号处理器(DSP)：是一种专用于数字信号处理的微处理器。

DSP有两种解决方案①DSP经过单片化和电磁兼容（EMC）改造在同一芯片中集成了包括数字基带，SRAM、射频、电源管理等功能部件，成为专门的嵌入式DSP；②在通用未处理器中扩展DSP功能，或者在单片机（或SOC）中增加DSP协处理器内核。

DSP可分为两大类：①定点DSP②浮点DSP。

⑶微控制器（单片机）：除CPU外，芯片还集成ROM/EEPROM、RAM、总线、定时器、看门狗、I/O接口、A/D转换器、D/A转换器、网络通信接口等各种必要的功能部件和外设接口。

特点（体积减小、功耗和成本降低）
⑷片上系统（SOC）：能够将计算机或其他一些电子系统的全部电路集成在单个芯片上。

SOC芯片中既包含数字电路，也可以包含模拟电路，甚至还能包含数字/模拟混合电路和射频电路。

大多数32位的嵌入式处理芯片均为SOC，SOC渐渐成为集成电路设计的主流发展趋势。

① SOC可以和PLD/FPGA相结合，用可编程逻辑把系统制作在一芯片上（特点：设计灵活、可裁剪、可扩充、可升级、并具备可编程）
②系统级封装，将多个不同功能的有源器件和无源器件以高密度装配技术封装在一个集成电路外壳内，实现一个更完整的嵌入式系统。

嵌入式系统的分类：
按用途：①军用②民用③工业用。

按时实性：①非实时性②软实时性③硬实时性。

按产品形态：①系统级产品②板级产品③片级产品。

按复杂程度：①低端系统②中端系统③高端系统。

嵌入式系统的发展方向：向着更高性能、更小功率、更低成本发展。

连通性和多媒体化将是嵌入式系统技术上的两个主要发展趋势。

嵌入式系统是先进的微电子技术、微机电技术与计算机技术和通信技术相结合的产物。

微电子技术实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的，它以半导体集成电路为核心。

集成电路根据它所含的（如晶体管、电阻、电容等）的数目多少分类：小规模<100 中规模100~3000 大规模3000~10万超大规模10万~100万极大规模>100万
硅锭切片硅抛光片氧化、光刻、掺杂晶圆晶片切割晶片测试晶片封装成品测试成品销售
集成电路的特点:体积小、重量轻、可靠性高。

集成电路的工作速度主要取决于组成门电路的晶体管的尺寸。

体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快。

摩尔定律：单块集成电路的集成度平均每18~24个月翻一番。

微机电系统(MEMS)在芯片上融合了光、机械、电子等多类不同技术的构件。

SOC的类型
①通用SOC芯片
只有一个CPU或(DSP)，称为单核SOC。

含有多个CPU和/或DSP称为多核SOC。

②专用SOC芯片:是嵌入式系统开发商依据待开发产品的特殊要求，向半导体企业定制的SOC芯片。

SOC芯片的制作工艺类型
①定制的嵌入式处理芯片(ASIC/ASSP)：基于ASIC的SOC以大规模门电路阵列为基本元素作布线重构（适用于复杂度不高的芯片研制是一种短周期、低成本的开发途径）
②现场可编程嵌入式处理芯片（CPLD/FPGA）:特点自由配置、灵活可扩展、逻辑门数目已达千万。

芯片可反复的编程、擦除、使用。

开发过程便捷、风险低、周期更短。

③ SOC芯片的开发流程分为4个阶段：①总体设计②逻辑设计③综合和仿真④芯片制造
集成电路IC设计文件储藏在数据库中：IC设计文件按其功能复杂程度分为3类：①逻辑门级（各种基本门电路）②寄存器传输级（寄存器、多路选择器、译码器、数据转换器）③行为级（CPU、DSP、存储器、总线与接口电路）
经过验证的IC具有固定的不可再分解的功能特性
相应的数据库称为核库，核库中的设计文件属于知识产权（IP）保护范畴，所以它们也被称为知识产权核或IP核
IP核通常分为3种
①软核：使用硬件描述语言(HDL)描述的IP核。

特点：灵活性较大。

常用于功能仿真。

优势：使用软核有利于按目标产品的要求进行创新和技术改进，但后续工作量很大。

②固核：与工艺相关的包含具体结构信息的IP核，它以逻辑综合后的RTL描述和可综合网表的形式提供。

③硬核;是已被投片测试验证的IC的掩膜版图和全套工艺文件，它允许设计者直接将其集成在SOC中。

特点;使用方便、见效快、缺乏设计灵活。

从重用频度、灵活性。

优选次序：软核、固核、硬核。

从性能规范，上市时间，开发工作量，成本：优选次序：硬核、固核、软核。

SOC的开发大多以IP核为基础，在单个芯片上集成处理器、存储器、各种接口等组价，组成一个相当完整的计算机系统，以满足特定嵌入式应用领域的需求。

IP核是开发SOC的重要保证。

IP核的复用优点：减少研发成本、缩短研发时间。

是实现快速设计，尽早投放市场的有效途径。

所有的SOC芯片都包含CPU.
ARM的授权内容包括;芯片内核设计技术、完整的软件开发工具、ARM
CPU的芯片销售权。

文本是计算机中最常用的一种数字媒体。

将文字或符号输入嵌入式系统的途径主要有两种：
①一种是基于汉子拼音的键盘输入。

②用手指(专门的笔)在触摸屏上进行书写。

特点：无论是那种途径输入的数字文本在系统内部都是采用二进制编码表示。

目前计算机中使用得最广泛的西文符集及其编码是ASCII字符集和ASCII码。

基本的ASCII字符集共有128个字符，包括96个可打印字符和32个控制字符，每个字符使用7个二进制位进行编码。

我国目前广泛使用的汉子编码国家标准有GB2312和GB18030。

GB2312国标字符集中包含3755个一级常用汉字和3008个二级常用汉字，还有682个图形符号。

这些汉字和图形符号在计算机内部都采用2个字节(16个二进制位)
GB18030字符集与国际标准UCS/Unicode字符集基本兼容，它包括90套书写符号，共约11万字符，汉字7万多个。

GB18030采用不等长的编码方法①单字节编码（128个）表示ACSII 字符②双字节编码（23940个）表示汉字。

国际标准UCS/Unicode编码方案：UTF-8（采用的是单字节可变长编码）和UTF-16（采用的是双字节可变长编码）。

数字文本是以文字及符号为主的一种数字媒体。

数字文本的分类:
按排版格式：①简单文本（一连串字符组成）②丰富格式文本（能对字体、字号、颜色、走向进行设定）
按文本内容的组织方式：①线性文本（按顺序阅读）②超文本（像网页一样）
文本的制作和展现
文本必须满足正确、清晰、美观、便于使用等要求。

以文本编辑和排版为主要功能的软件成为文字处理软件（如WPS、Microsoft Word）
PDF将文字、字型、颜色、排版格式、图形、超链、声音和视频等信息都封装在一个文件中，既适合网络传输，也适合印刷出版，它既跨平台，又是一个开放的标准，2007年12月成为ISO32000国际标准。

文本展现方式：⒈打印输出⒉屏幕上阅读
文本展现的大致过程：①对文本格式描述进行解释②生成字符和图、表的位图图像③传送到显示器或打印机输出。

字符的形状有两种描述方法：①点阵法（用点）②轮廓法（用线）
图像是表达信息的另一种媒体，它直观明了、生动形象。

嵌入式系统中使用的数字图像也称为取样图像、点阵图像、位图图像。

图像获取过程的核心是模拟信号的数字化，它的处理步骤大体分为4步：
①扫描（将画面划分为M*N个网格，每个网格成为取样点）
②分色（将每个取样点的颜色分解成红绿蓝3个基色注意：如果不
是彩色图像，则不必进行分色）
③取样（测量每个取样点的每个分量的亮度值）
④量化（对取样点每个分量的亮度值进行A/D转换，即把模拟量用数字量表示）
图像的获取方式：数码照相机和扫描仪
每个取样点是组成图像的基本单位，成为像素。

彩色图像的像素通常是由R、G、B、这3个分量组成，灰度图像只有一个亮度分量。

灰度图像用一个矩阵表示；彩色图像用一组（通常是3个）表示。

每个矩阵成为一个位平面。

矩阵的行数称为图像垂直分辨率，矩阵的列数称为图像水平分辨率。

图像大小：就是图像的分辨率
位平面数目：即像素颜色分量的数目
像素深度：指每个像素用多少个二进制位来表示如单色图像，若其像素深度是8位，则不同亮度等级为，又如R、G、B三基色组成的彩色图像，若3个分量中的像素位数都是8位，则该图像深度为24，图像中不同颜色数目最多为，1600多种，则会称为真彩色图像。

颜色模型：指彩色图像所使用的颜色描述方法。

一幅图像的数据量计算公式：
数据压缩类型
①无损压缩（是指使用压缩以后的数据还原图像时，重建的图像与原始图像完全相同，没有一点误差）
②有损压缩（是指使用压缩后的图像数据进行还原时重建的图像与原始图像虽然有一些误差，但是不影响人们对图像含义的正确理解和使用
名称压缩编码方法性质应用特点
BMP RLE 无损Windows应用标准图像
TIF RLE、LZW 无损桌面出版支持多种压缩和不同类型图像GIF LZW 无损互联网颜色数目少，文件特小，适合互联网传输
JPEG DCT 大多有损数码相机、互联网静止图像数据压缩编码的国际标准
PNG LZ77 无损互联网、桌面出版支持真彩
音频数字化：
①取样：把时间上连续的声音信号离散为不连续的一系列的样本（取样频率不应低于声音信号最高频率的两倍）
②量化：把每个样本的模拟值转换成数字量表示（量化精度越高，声音的保真度越好）
③编码：经过取样和量化得到的数据必须进行数据压缩（以减少数据量，便于计算机进行存储、处理、传输）
比特率也称码率，它指的是每秒钟的数据量，码率的计算公式：
音频格式文件扩展名编码类型源图像格式应用
WAV .wav 未压缩MPEG-1 VCD,数码相机，数字摄像机FLAC .flac 无损压缩 H.261 视频通信
APE .ape 无损压缩 MPEG-2(MP@ML) DVD、数字卫星电视转播
M4A .m4a 无损压缩 MPEG-2 High Profile 高清晰度电视
MP3 .mp3 有损压缩 MPEG-4 ASP 监控器、手机
WMA .wma 有损压缩 MPEG-4 AVC 应用较广
AC3 .ac3 有损压缩
AAC .aac 有损压缩
MPEG是一种国际标准格式
通信的基本任务是传递信息。

组成要素①信源②信道③信宿
电或（光）信号有两种形式：①模拟信号②数字信号
模拟信号传输特点：抗干扰差、传输质量不稳定。

数字通信特点：抗干扰能力强、差错可控制、可靠性好、易加密、安全易保证。

通讯系统分为有线通信和无线通信
光纤通信特点：通信容量大、传输距离远、不易受雷电高压线电磁感应影响，保密性强、重量轻、便于运输和铺设。

无线通信存在着易被窃听，易受干扰等。

调制和解调技术
调制：信息传输时，利用信源信号去调整载波的某个参数，这样的过程称为调制。

解调：接收方把载波所携带的信息检测出来恢复为原始的信号形式，这个过程称为解调。

对载波进行调制使用的设备称为调制器，它在发送端使用。

接收端则会使用解调器以恢复出被传输的原始信号。

由于大多数情况下通信总是双向进行的，所以调制器和解调器往往做在一起。

这样的设备被称为调制解调器
多路复用技术：让多路信号同时共用一条传输线进行传输。

多用复用技术分类：
①时分多路复用：按事先规定的顺序轮流使用同一传输线路进行信号传输。

②频分多路复用:将不同频率复合成一个信号，在同一传输线路上进行传输。

交换技术：即通话前经过拨号接通双方的线路，通话后在释放。

特点：在通话的全部时间内用户始终占用端到端的传输信道。

目的：更有效的利用线路资源。

分组交换（包交换）：源计算机把需要传输的数据划分为若干块，为每块数据附加上源计算机和目的计算机地址、数据块的编号、校验信息等有关信息（称为头部），组成一个一个包，然后以包为单位通过传输网络向目的计算机发送。

分组技术的优势：①大大提高传输线路的利用率（不会发生一台终端长时间地占有传输线路而使其他终端没有机会传输数据的情况②提高了通信的可靠性。

分组技术的缺点：成本变大、信息量过大，时延可能很明显。

计算机网络是利用通信设备、传输线路和网络软件，把地理上分散的许多计算机及其他智能设备以相互通信和共享资源为目的连接起来的一个系统。

（只要使用二进制编码形式表示，都可以在计算机网络中进行传输）
计算机的网络组成：①计算机等智能电子设备②数据通信链路③通信协议（规则、约定或标准）④网络软件（实现网络通信协议）
计算机网络类型：
按传输介质：有线网和无线网
按使用性质：公用网和专用网
按使用范围和对象：企业网、政府网、金融网、校园网等
按覆盖地域范围：局域网、城域网、广域网
以太局域网特点：①为一个单位所拥有、自建自管、地理范围有限。

②使用专门铺设的传输介质进行联网和数据通信。

③数据传输速率高，延迟时间短，误码率低。

局域网中的每一台终端设备都有各自的各自的标识（称为该设备的物理地址或MAC地址），以便相互通信。

局域网采取分组交换技术
数据帧的组成
发送设备MAC地址接收设备MAC地址控制信息有效荷载校验信息
集线器或以太网交换机为中心构成。

早期流行的使用是集线器组成的以太网，也称为总线式以太网或共享式以太网。

现在流行的是使用交换机组成的交换式以太网。

无论是总线式还是交换式以太网，网络中的每个终端设备都需要配置以太网卡。

每块网卡都有一个全球唯一一个48个二进制位组成的MAC 地址，该地址就是网卡所在终端的物理地址。

网卡的主要任务是负责发送和接收数据帧。

无线局域网：
无线局域网（WLAN）是以太网与无线通信技术相结合的产物。

它借助无线电波进行数据传输，工作原理与有线以太网基本相同，最大的优点是能方便地移动计算机的位置或改变网络的组成。

无线局域网主要是2.4GHz和5.8GHz两个频段，采用扩频方式通信，具有抗干扰、抗噪声和抗信号衰减能力，能够较好的防止信息被窃听和窃取，通信比较安全。

无线局域网采用的主要协议是IEEE.802.11（俗称WIFI）
其中传输速率有11Mb/s、54 Mb/s、108 Mb/s之分
无线接入点（WAP或AP）提供从无线终端设备对有线局域网和从有线局域网对无线终端设备的访问。

无线AP覆盖距通常可达100~300m室内一般仅为30m
无线局域网的另外一种构建方式是无线自组网，它不需要AP。

构建无线局域网的另一种技术是蓝牙。

它是一种短距离、低速率、低成本的无线通信技术（2.4HZ,传输速率为1Mb/s）。

TCP/IP中的IP协议定义的主机这一概念，它指的是任何按照 TCP/IP 协议连接到网络的终端。

解决计算机统一的编址、数据包格式转换的等一系列的问题就是能够使用TCP/IP协议和路由器。

主机可以是PC机、手机、平板电脑，也可以是服务器或网络打印机设备。

所有主机使用一种统一格式地址（简称IP地址）进行标识。

32位的IP地址总是用4个十进制数表示已个IP，十进制数之间采用小数点予以隔开。

更方便的方法是使用具有特定寒衣调额特定的符号来表示互联网中的主机地址。