2024年北航嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)筆記

1.嵌入式系統(tǒng)目前被大多數(shù)人接受的一般性定義是什么？舉例闡明嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)是“以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)為技術(shù)基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，合用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴(yán)格規(guī)定的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。2.嵌入式系統(tǒng)三要素？嵌入性：嵌入到對象體系中，對對象環(huán)境有規(guī)定專用性：軟、硬件按對象規(guī)定裁剪計(jì)算機(jī)：實(shí)現(xiàn)對象的智能化功能3.嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)的區(qū)別？單片機(jī)屬于嵌入式系統(tǒng)，但只有嵌入式系統(tǒng)的部分構(gòu)造和部分功能：單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力有限、處理速度有限，不可以用于所有的嵌入式系統(tǒng)。目前嵌入式系統(tǒng)的主流是以32位嵌入式微處理器為關(guān)鍵的硬件設(shè)計(jì)和基于實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)系統(tǒng)多為4位、8位、16位機(jī)，不適合運(yùn)行操作系統(tǒng)，難以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算及處理功能。嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)基于平臺的設(shè)計(jì)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，單片機(jī)大多采用軟硬件流水設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是軟件設(shè)計(jì)（占70%左右的工作量），單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)所占比例基本相似。單片機(jī)無網(wǎng)絡(luò)功能。4.嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的區(qū)別？嵌入式系統(tǒng)一般專用于特定任務(wù)，而PC是通用計(jì)算機(jī)。嵌入式系統(tǒng)使用多種類型的處理器，系統(tǒng)硬件資源比PC機(jī)少的多，但種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PC機(jī)。嵌入式系統(tǒng)常有實(shí)時約束，常使用實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，此外尚有有功耗、成本約束，且常在極端環(huán)境下運(yùn)行，故障導(dǎo)致的後果比PC系統(tǒng)更嚴(yán)重。嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理器體系的支持嵌入式系統(tǒng)需要專用工具和措施進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)5．嵌入式處理器分為哪幾類，闡明定義及特點(diǎn)？（1）、嵌入式微處理器（MPU）嵌入式微處理器就是和通用計(jì)算機(jī)的處理器對應(yīng)的CPU，可以認(rèn)為是“增強(qiáng)型”通用微處理器。特點(diǎn)：功能和微處理器基本同樣，但為了縮小體積、減少功耗，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的功能。在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了多種增強(qiáng)。（2）、嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微控制器就是將整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要硬件集成到一塊芯片中，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定期/計(jì)數(shù)器、Watchdog、I/O、串行口、A/D等多種必要功能和外設(shè)。特點(diǎn)：一種系列的微控制器具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是同樣的，不一樣的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝，這樣可以使單片機(jī)最大程度地和應(yīng)用需求相匹配，從而減少功耗和成本。單片化、體積大大減小、功耗和成本減少、可靠性提高（3）、嵌入式DSP嵌入式DSP是專門用于信號處理方面的處理器。特點(diǎn)：其在系統(tǒng)構(gòu)造和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。（4）、嵌入式SOC嵌入式SOC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件。絕大多數(shù)系統(tǒng)構(gòu)件都在一種系統(tǒng)芯片內(nèi)部。特點(diǎn)：構(gòu)造簡潔體積小、功耗低可靠性高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率高（5）、嵌入式SOPC嵌入式SOPC是用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上。它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完畢整個系統(tǒng)的重要邏輯功能；它是可編程系統(tǒng)，系統(tǒng)功能可淘汰、易擴(kuò)充、可重構(gòu)，結(jié)合了SOC和CPLD、FPGA的長處。特點(diǎn)：采用超深亞微米工藝技術(shù)使用一種或以上的嵌入式處理器設(shè)計(jì)方式靈活可淘汰、可擴(kuò)充、可升級具有軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。6．嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)和分類？定義：可以對外部事件做出及時響應(yīng)的系統(tǒng)。響應(yīng)時間要有保證。特點(diǎn)：多任務(wù)有線程優(yōu)先級（與否為進(jìn)程）多種中斷級別分類：硬實(shí)時系統(tǒng)：對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴(yán)格的規(guī)定，假如系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，就會引起系統(tǒng)瓦解或致命的錯誤。軟實(shí)時系統(tǒng)：對系統(tǒng)響應(yīng)時間有規(guī)定，不過假如系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，它并不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或瓦解，只是減少系統(tǒng)的吞吐量。7．嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)？嵌入式系統(tǒng)是面向詳細(xì)應(yīng)用的產(chǎn)品。嵌入式軟件特性：實(shí)時性、高質(zhì)量、高可靠、程序固化。需要軟、硬件開發(fā)工具和系統(tǒng)軟件。需要應(yīng)用專家參與開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)分散而不可壟斷。8．舉5個嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的例子辦公設(shè)備：打印機(jī)、掃描儀消費(fèi)電子產(chǎn)品：手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備：路由器、互換機(jī)工業(yè)：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人航空航天：航電設(shè)備，星載計(jì)算機(jī)9．按體現(xiàn)形式和實(shí)時性嵌入式系統(tǒng)的分類？按體現(xiàn)形式（硬件范圍）芯片級嵌入(含程序和算法的處理器、單片機(jī))模塊級嵌入（系統(tǒng)中的某個關(guān)鍵模塊）系統(tǒng)級嵌入（系統(tǒng)中的電路板）按實(shí)時性規(guī)定（軟件范圍）非實(shí)時系統(tǒng)（PDA）軟實(shí)時系統(tǒng)（消費(fèi)類產(chǎn)品）硬實(shí)時系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）10．軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的目的？其波及的內(nèi)容有哪些？目的：為軟件和硬件的協(xié)同描述、驗(yàn)證和綜合提供一種集成環(huán)境。內(nèi)容：設(shè)計(jì)描述、設(shè)計(jì)建模、設(shè)計(jì)空間的研究和劃分、合成與優(yōu)化、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。11．用框圖簡述嵌入式開發(fā)的流程？12．馮·諾依曼構(gòu)造與哈佛構(gòu)造的區(qū)別？馮·諾依曼構(gòu)造其特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)共用一種存儲空間。統(tǒng)一編址依托指令計(jì)數(shù)器提供的地址來辨別是指令數(shù)據(jù)還是地址。由于對數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行分時讀寫，執(zhí)行速度慢，數(shù)據(jù)吞吐量低，不適合于進(jìn)行具有高度實(shí)時規(guī)定場所。哈佛構(gòu)造是一種并行體系構(gòu)造，特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)存儲在不一樣的存儲空間，每個存儲器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問。與之對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置的兩條總線（程序總線和數(shù)據(jù)總線），使數(shù)據(jù)吞吐量大大提高。13．嵌入式硬件系統(tǒng)包括那些部分，與一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)有什么區(qū)別？包括：嵌入式處理器、存儲器、總線、通信接口、輸入輸出設(shè)備、電源及輔助設(shè)備。區(qū)別：相比一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，集成度高、非原則化、接口非常復(fù)雜。14．總線的定義及重要參數(shù)，舉至少三個總線例子。定義：總線是把處理器與存儲器、I/O設(shè)備相連接的信息通道，是數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路，總線并不僅僅指的是一束信號線，而應(yīng)包括對應(yīng)的通信協(xié)議。重要參數(shù)：帶寬、位寬、工作時鐘頻率?？偩€例子：系統(tǒng)總線：PCI-express；外部總線：I2C；現(xiàn)場總線：CAN；嵌入式系統(tǒng)總線：AMBA、Avalon、CoreConnect等。15．按編程工藝分FPGA分為哪幾類，簡要闡明其各自特點(diǎn)？熔絲或反熔絲編程器件體積小，集成度高，速度高，易加密，抗干擾，耐高溫只能一次編程，在設(shè)計(jì)初期階段不靈活SRAM可反復(fù)編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的動態(tài)重構(gòu)每次上電需重新下載，實(shí)際應(yīng)用時需外掛EEPROM用于保留程序EEPROM可反復(fù)編程不用每次上電重新下載，但相對速度慢，功耗較大16．IP資源復(fù)用的定義，IPCore的分類定義：?IP資源復(fù)用(IPReuse)是指在集成電路設(shè)計(jì)過程中，通過繼承、共享或購置所需的部分或所有智力產(chǎn)權(quán)內(nèi)核(IPCore)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合和驗(yàn)證，從而加速流片設(shè)計(jì)過程的設(shè)計(jì)措施?IPCore是一種商品，是可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工程師價值體現(xiàn)的重要途徑分類：按形式分為：軟核、固核、硬核按用途分為：?微處理器IPCore?處理器外設(shè)IPCore?DSP算法IPCore?通信控制器IPCore?圖像處理IPCore17．常見的通信接口有哪些？他們的重要特點(diǎn)是什么？至少舉3個接口為例進(jìn)行描述。串口常用于嵌入式系統(tǒng)使用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試，及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制。?RS-232––傳播速率低、傳播距離近、抗共模干擾能力差––RC232C的最高傳播速率為20kb/s,最大傳播線長為30米?RS-485––高抗共模干擾驅(qū)動能力，并且提供多點(diǎn)應(yīng)用，同一線上最多可接32個驅(qū)動器和接受器––最大傳播速率10Mb/s(12m)，最大傳播距離為1200m（10kb/s）USB（2.0）––480Mb/s高速串行總線––即插即用––最多可支持127個外部設(shè)備––主機(jī)供電?小功率設(shè)備主機(jī)可以直接供電?大功率設(shè)備仍然需要外部供電IEEE-1394b（FireWire）多用于MPU與多媒體設(shè)備連接接口?800Mbps，高速串行總線?傳播距離可達(dá)100米?支持63個設(shè)備?熱插拔，即插即用18．為何在FPGA中嵌入處理器？?FPGA合用于邏輯控制、接口控制、規(guī)則數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)具有復(fù)雜算法和邏輯控制系統(tǒng)時，需要結(jié)合使用嵌入式處理器?對系統(tǒng)集成度規(guī)定較高，將處理器嵌入FPGA能最大程度地提高系統(tǒng)集成度，減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，加緊上市時間。?對需求變化提供較大的靈活性，在FPGA中嵌入處理器較為合適。FPGA與芯片處理器的結(jié)合的長處是不必重做一塊新PCB或采用新的處理器就可以對軟、硬件進(jìn)行調(diào)試，對變更進(jìn)行測試。19．FPGA與CPLD的長處?伴隨VLSI工藝的不停提高，單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬個晶體管，F(xiàn)PGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已到達(dá)上百萬門，可以替代多至幾仟塊通用IC芯片,它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)，同步也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。?FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)人員只需在自已的試驗(yàn)室裏就可以通過有關(guān)的軟硬件環(huán)境來完畢芯片的最終功能設(shè)計(jì)。因此，F(xiàn)PGA／CPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)。?顧客可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的狀況下用不一樣軟件就可實(shí)現(xiàn)不一樣的功能。因此，用FPGA／CPLD試制樣片，能以最快的速度占領(lǐng)市場。?具有完善先進(jìn)的開發(fā)工具–提供語言、圖形等設(shè)計(jì)措施，拾分靈活–通過仿真工具來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的對的性?靈活地定義管腳功能，減輕設(shè)計(jì)工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間?保密性好Verilog硬件描述語言的語法和使用措施PPT都需掌握，題型編程（尤其關(guān)注PPT上的例子）。FPGA設(shè)計(jì)的一般流程？每一步的功能？FPGA配置的三種方式分別是什么？配置的三個階段是什么？方式：1.FPGA積極串行(AS)方式2.JTAG方式3.FPGA被動(Passive)方式階段：復(fù)位、配置、初始化Quartus環(huán)境下生成的用于直接配置FPGA和配置芯片（EPCS）的文獻(xiàn)分別是什么？直接配置FPGA：.sof配置PROM：.pof構(gòu)成SOPC的三種方案是什么？基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)基于HardCopy技術(shù)的SOPC系統(tǒng)NiosII處理器系列包括哪三種內(nèi)核？各自特點(diǎn)？NiosII/f(迅速)：性能最高，但占用的邏輯資源最多。NiosII/e(經(jīng)濟(jì))：占用的邏輯資源至少，但性能最低。NiosII/s(原則)：平衡的性能和尺寸。NiosII處理器包括哪些寄存器？各自的功能？有哪三種運(yùn)行模式？有32個通用寄存器和6個控制寄存器。運(yùn)行模式：顧客模式(UserMode)；超級顧客模式(SupervisorMode)；調(diào)試模式(DebugMode)。NiosII處理器包括哪些異常？異常鑒別優(yōu)先級是什么？硬件中斷軟件異常：?軟件陷阱異常?未定義指令異常?其他異常NiosII處理器采用的總線是什么？Avalon互換式總線列舉至少三個NiosII處理器常用的外圍設(shè)備(Peripherals)內(nèi)核。SystemIDPIO