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文檔簡(jiǎn)介

電子信息工程中的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)1.引言1.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它被設(shè)計(jì)用來(lái)執(zhí)行特定任務(wù),通常嵌入在其他設(shè)備中,以控制和管理設(shè)備的操作。這種系統(tǒng)在功能、性能、功耗和成本方面都有著嚴(yán)格的要求。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域,成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。1.2電子信息工程與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)系電子信息工程是研究電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的學(xué)科,它為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。嵌入式系統(tǒng)作為電子信息工程領(lǐng)域的重要分支,其開發(fā)涉及硬件、軟件、算法等多個(gè)方面的知識(shí)。因此,電子信息工程與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)之間存在著密切的聯(lián)系。1.3文檔目的與結(jié)構(gòu)安排本文旨在介紹嵌入式系統(tǒng)在電子信息工程領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用,幫助讀者了解嵌入式系統(tǒng)的基本概念、開發(fā)流程和關(guān)鍵技術(shù)。全文共分為七個(gè)章節(jié),分別為:引言:介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念及其在電子信息工程領(lǐng)域的重要性。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí):闡述嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)、硬件與軟件組成及應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程:詳細(xì)講解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的各個(gè)階段,包括需求分析、硬件選型與設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)等。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù):探討硬件開發(fā)、軟件開發(fā)和通信與接口技術(shù)等方面的關(guān)鍵技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)案例:分析三個(gè)具有代表性的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)案例,展示嵌入式技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)趨勢(shì)與展望:探討物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算和人工智能等新興技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的結(jié)合。結(jié)論:總結(jié)全文內(nèi)容,展望嵌入式系統(tǒng)開發(fā)在電子信息工程領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展。通過閱讀本文,讀者可以全面了解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的過程、方法和關(guān)鍵技術(shù),為實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)提供參考和指導(dǎo)。2.嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)2.1嵌入式系統(tǒng)的定義與特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)是一種專門為特定任務(wù)而設(shè)計(jì)的計(jì)算系統(tǒng),具有高度集成、低成本、低功耗的特點(diǎn)。它由硬件和軟件兩部分組成,硬件通常包括處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等;軟件則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)特定功能的應(yīng)用程序。嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下:專用性:針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行定制開發(fā),功能明確,資源利用效率高。實(shí)時(shí)性:對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景,如工業(yè)控制、汽車電子等,嵌入式系統(tǒng)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理。集成性:將多個(gè)功能模塊集成在一個(gè)芯片上,降低系統(tǒng)體積和成本。低功耗:采用低功耗硬件和軟件設(shè)計(jì),以適應(yīng)電池供電等場(chǎng)景的需求。2.2嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件嵌入式系統(tǒng)的硬件主要包括處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、通信接口等部分。處理器:嵌入式系統(tǒng)中的核心部分,負(fù)責(zé)執(zhí)行程序指令、處理數(shù)據(jù)。常見的處理器有微控制器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和片上系統(tǒng)(SoC)等。存儲(chǔ)器:用于存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù),包括閃存(Flash)、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)等。輸入輸出接口:用于連接各種外部設(shè)備,如傳感器、執(zhí)行器等。通信接口:支持嵌入式系統(tǒng)與其他系統(tǒng)或設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,如串行通信接口(SCI)、以太網(wǎng)接口等。嵌入式系統(tǒng)的軟件部分主要包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。操作系統(tǒng):負(fù)責(zé)管理硬件資源、提供程序運(yùn)行環(huán)境。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有嵌入式Linux、WindowsEmbedded、VxWorks等。驅(qū)動(dòng)程序:用于實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)之間的通信,使應(yīng)用程序能夠調(diào)用硬件設(shè)備。應(yīng)用程序:實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的核心部分,根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行開發(fā)。2.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,以下列舉了一些典型應(yīng)用場(chǎng)景:智能家居:如智能門鎖、智能照明、溫濕度監(jiān)測(cè)等。智能交通:如交通信號(hào)燈控制、車輛導(dǎo)航、智能停車場(chǎng)等。醫(yī)療設(shè)備:如心電監(jiān)護(hù)儀、血糖儀、超聲波設(shè)備等。工業(yè)控制:如自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人控制、工廠監(jiān)控系統(tǒng)等。消費(fèi)電子:如智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了電子信息工程領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展,為人們的生活帶來(lái)了便利。3.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程3.1需求分析在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中,需求分析是整個(gè)流程的第一步,也是最關(guān)鍵的一步。這一階段的主要目的是明確用戶需求,確定項(xiàng)目的功能、性能、功耗等各項(xiàng)指標(biāo)。需求分析主要包括以下幾個(gè)方面:功能需求:明確嵌入式系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的基本功能和高級(jí)功能;性能需求:確定系統(tǒng)的處理速度、存儲(chǔ)容量、通信速率等性能指標(biāo);功耗需求:根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景確定系統(tǒng)的功耗限制;環(huán)境適應(yīng)性:分析系統(tǒng)可能面臨的環(huán)境條件,如溫度、濕度、振動(dòng)等;系統(tǒng)可靠性:評(píng)估系統(tǒng)在各種工況下的可靠性。3.2硬件選型與設(shè)計(jì)根據(jù)需求分析的結(jié)果,進(jìn)行硬件選型與設(shè)計(jì)。這一階段主要包括以下內(nèi)容:微控制器選型:根據(jù)系統(tǒng)功能、性能、功耗等需求,選擇合適的微控制器;外圍電路設(shè)計(jì):根據(jù)系統(tǒng)需求,設(shè)計(jì)電源、時(shí)鐘、存儲(chǔ)、通信、傳感器等外圍電路;硬件設(shè)計(jì)原則:遵循模塊化、低功耗、低成本、易維護(hù)等原則進(jìn)行硬件設(shè)計(jì);原理圖繪制:使用EDA工具繪制硬件原理圖;PCB設(shè)計(jì):根據(jù)原理圖進(jìn)行PCB布線,優(yōu)化布局,提高系統(tǒng)性能。3.3軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí),進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)。軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)主要包括以下幾個(gè)方面:嵌入式操作系統(tǒng)選擇:根據(jù)項(xiàng)目需求,選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng);編程語(yǔ)言與開發(fā)工具:根據(jù)系統(tǒng)需求和開發(fā)者經(jīng)驗(yàn),選擇合適的編程語(yǔ)言和開發(fā)工具;軟件架構(gòu)設(shè)計(jì):采用模塊化、層次化、組件化等方法,設(shè)計(jì)軟件架構(gòu);程序編寫:根據(jù)軟件架構(gòu),編寫各個(gè)模塊的源代碼;軟件調(diào)試與優(yōu)化:通過仿真器、調(diào)試器等工具,對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。通過以上三個(gè)階段的開發(fā),嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程基本完成。接下來(lái),需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試,以確保其滿足需求分析中設(shè)定的各項(xiàng)指標(biāo)。在測(cè)試通過后,方可進(jìn)行后續(xù)的生產(chǎn)、部署和維護(hù)工作。4.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)4.1硬件開發(fā)技術(shù)4.1.1微控制器選型微控制器作為嵌入式系統(tǒng)硬件的核心,其選型至關(guān)重要。選型時(shí)需考慮處理速度、存儲(chǔ)容量、外設(shè)接口、功耗和成本等因素。常見微控制器如51系列、AVR、PIC、ARM等,各有其優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。4.1.2嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原則硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循模塊化、低功耗、高可靠性、易于擴(kuò)展等原則。模塊化設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)升級(jí)和維修,低功耗有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和降低能耗,高可靠性是嵌入式系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ),易于擴(kuò)展則能適應(yīng)未來(lái)需求變化。4.1.3硬件調(diào)試與測(cè)試硬件調(diào)試主要包括電路板調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。電路板調(diào)試主要檢查電源、信號(hào)完整性、時(shí)鐘信號(hào)等,確保各組件正常工作;系統(tǒng)調(diào)試則側(cè)重于硬件與軟件的協(xié)同工作,如接口調(diào)試、性能測(cè)試等。4.2軟件開發(fā)技術(shù)4.2.1嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理硬件資源、調(diào)度任務(wù)、處理中斷等。常用嵌入式操作系統(tǒng)有FreeRTOS、uc/OS、Android等。選擇合適的操作系統(tǒng),能提高系統(tǒng)開發(fā)效率,降低開發(fā)難度。4.2.2編程語(yǔ)言與開發(fā)工具嵌入式系統(tǒng)開發(fā)常用的編程語(yǔ)言有C、C++、匯編等。開發(fā)工具如Keil、IAR、Eclipse等,支持跨平臺(tái)開發(fā),便于代碼調(diào)試和優(yōu)化。4.2.3軟件調(diào)試與優(yōu)化軟件調(diào)試主要包括斷點(diǎn)調(diào)試、觀察變量、單步執(zhí)行等。優(yōu)化方法有代碼優(yōu)化、數(shù)據(jù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。通過調(diào)試與優(yōu)化,提高軟件運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。4.3通信與接口技術(shù)嵌入式系統(tǒng)的通信與接口技術(shù)包括有線通信(如RS-232、RS-485、USB等)和無(wú)線通信(如Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等)。接口技術(shù)涉及GPIO、SPI、I2C、CAN等。掌握這些技術(shù),有助于實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與其他設(shè)備的互聯(lián)互通。5.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)案例5.1案例一:智能家居控制系統(tǒng)智能家居控制系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。本案例中,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于ARMCortex-M4微控制器的智能家居控制系統(tǒng)。主要功能包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、家電控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。環(huán)境監(jiān)測(cè):系統(tǒng)通過溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器等獲取環(huán)境數(shù)據(jù);將數(shù)據(jù)傳輸至微控制器,微控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,并通過LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示;當(dāng)環(huán)境異常時(shí),系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。家電控制:用戶可通過手機(jī)APP、語(yǔ)音助手等方式遠(yuǎn)程控制家電;微控制器接收控制指令,通過繼電器、智能插座等設(shè)備控制家電的開關(guān);系統(tǒng)支持家電狀態(tài)查詢,方便用戶了解家電工作情況。遠(yuǎn)程監(jiān)控:系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控,用戶可通過手機(jī)APP查看家中實(shí)時(shí)畫面;系統(tǒng)具備移動(dòng)偵測(cè)功能,當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí),立即發(fā)送報(bào)警信息至用戶手機(jī)。5.2案例二:智能交通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)在交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用。本案例中,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的智能交通系統(tǒng)。主要功能包括車輛檢測(cè)、違章抓拍、路況監(jiān)控等。車輛檢測(cè):系統(tǒng)通過地磁傳感器、攝像頭等設(shè)備檢測(cè)車輛信息;微控制器對(duì)車輛信息進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)車輛計(jì)數(shù)、車速檢測(cè)等功能;系統(tǒng)支持車輛類型識(shí)別,為交通管理提供數(shù)據(jù)支持。違章抓拍:系統(tǒng)通過攝像頭捕捉違章行為,如闖紅燈、逆行等;微控制器對(duì)違章行為進(jìn)行識(shí)別,實(shí)時(shí)抓拍違章車輛;抓拍圖片上傳至服務(wù)器,為交警部門提供處罰依據(jù)。路況監(jiān)控:系統(tǒng)通過攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控道路狀況,如擁堵、事故等;微控制器對(duì)路況信息進(jìn)行處理,并通過LED顯示屏實(shí)時(shí)發(fā)布;用戶可通過手機(jī)APP查詢實(shí)時(shí)路況,合理規(guī)劃出行路線。5.3案例三:醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用之一。本案例中,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于嵌入式系統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)對(duì)患者生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常報(bào)警。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):系統(tǒng)通過生理傳感器(如心電、血氧、血壓等)獲取患者生命體征數(shù)據(jù);微控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,實(shí)時(shí)顯示在醫(yī)護(hù)人員的監(jiān)控終端上;系統(tǒng)支持多床位監(jiān)測(cè),方便醫(yī)護(hù)人員了解患者整體狀況。異常報(bào)警:當(dāng)患者生命體征數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí),系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警;報(bào)警信息通過聲音、短信等方式通知醫(yī)護(hù)人員;系統(tǒng)具備歷史數(shù)據(jù)查詢功能,方便醫(yī)護(hù)人員分析患者病情變化。以上三個(gè)案例均展示了嵌入式系統(tǒng)在電子信息工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和重要作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),為人們的生活帶來(lái)便捷。6.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)趨勢(shì)與展望6.1物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)(IoT)逐漸成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的核心理念是讓所有物品通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)信息的智能化處理。嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中扮演著至關(guān)重要的角色,從傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理到傳輸,都離不開嵌入式技術(shù)的支持。在未來(lái),隨著5G技術(shù)的普及,嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛,為智能家居、智慧城市等提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。6.2云計(jì)算與邊緣計(jì)算在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)為嵌入式系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)空間,使得嵌入式系統(tǒng)可以更加專注于實(shí)時(shí)性任務(wù)。同時(shí),邊緣計(jì)算作為一種新興的計(jì)算模式,將計(jì)算任務(wù)從云端遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣,降低了延遲,提高了實(shí)時(shí)性。這對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有極大的意義,尤其是在自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。未來(lái),云計(jì)算與邊緣計(jì)算的結(jié)合將為嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)更多可能。6.3人工智能與嵌入式系統(tǒng)人工智能(AI)技術(shù)的快速發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。將AI技術(shù)應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)更加智能化的數(shù)據(jù)處理和分析,為用戶提供更加智能的服務(wù)。例如,智能家居中的語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)駕駛中的圖像識(shí)別等。隨著AI技術(shù)的不斷成熟,嵌入式系統(tǒng)將更加智能化,為各行各業(yè)帶來(lái)深刻的變革。在展望未來(lái)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時(shí),我們需要關(guān)注以下幾個(gè)方面:硬件性能的提升:隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,嵌入式硬件將具有更高的性能和更低的功耗,為嵌入式系統(tǒng)提供更強(qiáng)的計(jì)算能力。軟件生態(tài)的完善:隨著開源軟件和開發(fā)工具的普及,嵌入式系統(tǒng)開發(fā)將變得更加便捷,軟件生態(tài)的完善將降低開發(fā)難度,提高開發(fā)效率。安全性:隨著嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,安全性成為關(guān)注的焦點(diǎn)。如何確保嵌入式系統(tǒng)的安全,防止惡意攻擊,是未來(lái)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要重視的問題??珙I(lǐng)域融合:嵌入式系統(tǒng)開發(fā)將不再局限于單一領(lǐng)域,而是與其他技術(shù)領(lǐng)域(如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等)進(jìn)行深度融合,為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供綜合性解決方案??傊?,嵌入式系統(tǒng)開發(fā)在電子信息工程領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景,將為我們的生活帶來(lái)更多便利和創(chuàng)新。7結(jié)論7.1文檔總結(jié)本文檔從嵌入式系統(tǒng)的基本概念、開發(fā)流程、關(guān)鍵技術(shù)以及案例分析等方面對(duì)電子信息工程中的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了全面的闡述。通過深入剖析嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件、開發(fā)流程以及在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)要點(diǎn),旨在為電子信息工程領(lǐng)域的工程師和技術(shù)人員提供一個(gè)清晰、系統(tǒng)的開發(fā)指導(dǎo)。7.2嵌入式系統(tǒng)開發(fā)在電子信息工程領(lǐng)域的意義嵌入式系統(tǒng)作為電子信息工程領(lǐng)域的重要組成部分,其開發(fā)技術(shù)在各行各業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)在智能控制、數(shù)據(jù)處理、通信傳輸?shù)确矫娴淖饔萌找嫱癸@。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)在電子信息工程領(lǐng)域的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:提高系統(tǒng)的集成度和性能:通過嵌入式系統(tǒng)開發(fā),可以將多種功能集成在一個(gè)小型設(shè)備中,提高系統(tǒng)的性能和效率。降低系統(tǒng)成本:嵌入式系統(tǒng)開發(fā)可以根據(jù)需求定制硬件和軟件,從而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新:嵌入式系統(tǒng)開發(fā)涉及到眾多領(lǐng)域,如微電子、計(jì)算機(jī)、通信等,為技術(shù)創(chuàng)新提供了廣闊的空間。拓展應(yīng)用領(lǐng)域:嵌入式系統(tǒng)在智能家居、智能交通、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,為人類生活帶來(lái)極大便利。7.3對(duì)

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