(完整word版)全国计算机三级嵌入式系统开发技术考点总结,推荐文档.pdf

嵌入式系统硬件组成概述嵌入式最小硬件系统：嵌入式处理器运行必备条件的硬件电路与嵌入式处理器共同构成了嵌入式最小硬件系统。嵌入式最小硬件系统组成：嵌入式处理器、时钟电路、电源电路、复位电路、存储器、调试测试接口电源电路：嵌入式系统常用的电源模块式交流变直流（AC-DC）模块、直流到直流（DC-DC）模块以及低压差稳压器（LDO）。稳压器包括普通稳压器和低压差稳压器LDO。78XX系列属于普通稳压器，LM2576/2596 为开关稳压芯片，CCAT6219/AS2815/1117/2908 等属于低压差稳压器。稳压器最大的特点是低噪声、低成本、纹波小、精度高、电路简单。时钟电路：几乎所有的嵌入式处理器本质上均为同步时序电路，需要时钟信号才能按照节拍正常工作。复位电路：嵌入式处理器都有一个系统复位引脚为nRESET 或 RESET，n 表示低电平复位，不带n 的表示高电平复位。JTAG测试接口：联合测试行为小组（JTAG）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试以及对系统进行仿真和调试。测试访问口：TAP 基于 ARM 内核的电性嵌入式应用系统硬件组成：嵌入式最小硬件系统、前向通道、后向通道、人机交互通道、以及相互互联通信通道等组成。前向通道，即输入接口，包括传感器、信号调理电路（滤波器、放大器等）、A/D 转换器等构成。后向通道，即输出接口，包括D/A 转换器、功率放大器。执行器等组成。人机交互通道，包括键盘或触屏输入接口以及LED或 LCD显示输出接口。相互互联通道，包括 RS-232/RS-485 串行通信接口、CAN通信接口、以太网通信接口、USB通信接口等。嵌入式处理芯片AMBA：先进微控制器总线体系结构系统总线（ASB、AHB、AXI、ACE）主要用于连接高带宽快速组件：电源管理与时钟控制器、测试接口如JTAG、外部存储器控制接口、DMA 控制器、USB主机、片上SRAM 及 Flash、中断控制器、LCD控制器。外围总线：（APB）主要连接低带宽组件以及与外部相连的硬件组件：GPIO、UART、SPI、I2C、USB设备、CAN、Ethernet、ADC、DAC、WDT、Timer、RTC、PWM 等。存储器及控制器：片内程序存储器通常用Flash ROM，一般配有几KB到几 MB不等；片内数据存储器通常使用的是 SRAM，一般配有几KB到几百KB不等。目前程序存储器大都采用Flash 存储器，而数据存储器可采用SRAM和 DDR 或 DDR2 或普通的DRAM。中断控制器：一般采用向量中断（VIC）或嵌套向量中断（NVIC）方式管理中断。Cortex-M 系列就支持嵌套的向量中断。DMA 控制器：直接存储器访问控制器电源管理与时钟控制器：ARM 处理芯片内部的电源管理主要有正常工作模式、慢时钟模式、空闲模式、掉电模式、休眠模式、深度休眠模式等。时钟信号是ARM 芯片定时的关键。GPIO端口：通用输入/输出端口。输入时具有缓冲功能，输出时具有锁存功能。定时计数组件：看门狗定时器（WDT）、Timer 通用定时器、RTC、脉冲宽带调制器（PWM）模拟通道组件：ADC、DAC、比较器。ADC：模拟到数字的转换器。DAC：数字到模拟的转换器。比较器 主要功能是当比较器正端电压高于负端电压时，输出电压值接近正电源电压，反之输出电压接近负电源电压。互联通信组件：UART、I2C、SPI、CAN、USB、Ethernet等。UART：通用异步收发器。I2C：集成电路互连的一种总线标准，只有两根信号线，一根是时钟线SCL，一根是数据线SDA（双向三态）I2S：面向多媒体应用的音频串行总线。SPI：串行外设接口。包括MISO、MOSI、SSL和 SCK。可完成全双工的同步串行通信，用于板级芯片之间的短距离通信。CAN：控制器局域网，仅有CANH 和 CANL两根信号线，采用差分方式传输数据，可以进行远距离多机通信。主要精品资料-欢迎下载-欢迎下载 名师归纳-第 1 页，共 8 页 -用于要求抗干扰能力强的工业控制领域，可组成多主多从系统。USB：通用串行总线，主要应用于与外部设备的短距离通信，也采用差分方式传输数据，是目前应用最广的串行总线接口形式。Ethernet：以太网通信接口常用 ARM 嵌入式处理芯片：NXP的、TI 的、Samsung的、Atmel 的、ST 的、Freescale的、Nuvoton 的、Intel的等等嵌入式处理芯片选型遵循：性价比原则和参数选择原则3.3 嵌入式系统的存储器存储器层次结构对于 CPU使用最频繁的少量的程序代码和数据用SRAM 作为高速缓冲存储器（Cache）存放；正在运行中的程序的大部分数据和代码存放在主存储器（内存）中；尚未启动运行的其余程序或数据则存放在容量大的外部存储器如磁盘（虚拟内存）中待命。目前嵌入式系统采用SRAM 作为 Cache，Cache又分为嵌入式处理器内部一级Cache（L1)和二级 Cache（L2)存储器分类按存取特性可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）；按所处物理位置可分为片内春初期（芯片内置的存储器）和片外存储器（外部扩展的存储器）以及外部存储设备；按照存储信息的不同可分为程序存储器和数据存储器。在嵌入式系统中把片内存储器及片外扩展的存储器简称内存，把外部存储设备简称外村。嵌入式系统的存储器以半导体存储器为主。FRAM：铁电随机存取存储器；MRAM：磁性随机存取存储器随机存取存储器包括静态和动态两种形式，即 SRAM 和 DRAM，都是易失性存储器。目前嵌入式处理器内嵌的数据存储器基本都采用 SRAM，外部扩展的存储器大都采用DRAM 及改进型（DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3、DDR4）只读存储器MROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、NOR Flash 和 NAND Flash NAND Flash ROM以页（行）为单位随机存取，速度慢，变成复杂，大多作为数据存储器使用。（数码相机、MP3随身听记忆卡、U盘）NOR Flash ROM 以字节为单位随机存取，写入和擦除速度较慢。铁电存储器：非易失，可取代SRAM 和 Flash 存储器磁性存储器：可取代 Flash 存储器存储器主要性能指标存储器的存取速度、存储容量、带宽容量：对于内存容量而言，单位之间换算以210=1024 倍表示，对于外存容量（磁盘、U盘、Flash 存储卡），以 103=1000 倍表示。内存储器容量取决于存储单元的个数和存储器各单元的位数：内存容量=单元总数*数据位数/单元存储芯片的容量完全取决于存储器芯片的地址线条数和数据线的位数。V=2m*n（L：单元个数，n：数据线位条数，m：地址条数，m=log2 L）存取时间：从CPU给出有效的存储器地址开始到存储器读出数据所需要的时间。带宽：存储器每秒可传输的最大数据总量。并行总线的存储器带宽：带宽=总线频率*数据宽度/8*传输次数 /总线周期（B/s）串行总线带宽=总线频率 *1/10 以 10 位为一个数据帧（含一字节数据）片内存储器片内 Cache、片内 Flash ROM（嵌入式微控制器内部集成的程序存储器）、片内 SRAM（集成的数据存储器，SRAM属于易失性存储器）、片内 E2PROM（作为长期保存重要数据的存储器，属于非易失性）、片内 FRAM(具有 RAM 和 ROM 的全部特点，是当前嵌入式微控制器内部的主要存储器之一）精品资料-欢迎下载-欢迎下载 名师归纳-第 2 页，共 8 页 -文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 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接口数据到无线网络之间的转换。蓝牙模块：支持设备短距离通信（10m内）的无线低速（1Mb/s）通信技术，基于串口UART或 USB 其他无线模块：射频无线收发模块，如Si4432 嵌入式系统的软件组成嵌入式系统与通用计算机系统的软件的相同之处 指的是：嵌入式系统具备引导加载程序、外部设备驱动程序、操作系统、文件系统、网络协议栈、图形用户界面、数据库、各种各样的应用程序等区别：嵌入式系统的软件配备没有通用计算机那样多；通用计算机的软件系统无疑以操作系统为核心，不可或缺；对于数据库、图形用户界面、因特网浏览器、媒体播放器等基于操作系统的外围工具软件，如果运行在通用计算机上则具有内部结构细致化、运行效率高效化、代码重量化的特点。嵌入式操作系统RTOS：实时操作系统 IEEE：美国电气电子工程师协会实时系统的属性时间约束性。分为硬实时系统、软实时系统。常见的系统大多是软实时系统。可预测性；可靠性按响应时间将实时系统分为三类：强实时系统：响应时间在毫秒级或微秒及。普通实时系统：响应时间一般在几秒；弱实时系统：响应时间一般在数十秒。精品资料-欢迎下载-欢迎下载 名师归纳-第 3 页，共 8 页 -文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 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就是典型的纯内核例子。主流嵌入式操作系统TinyOS：开源，深度轻量级，先进先出调度，用于无线传感器网络C/OS-II/III：小型嵌入式操作系统内核，不含设备驱动程序和文件系统。开源，用于工控领域。iOS：苹果公司，微内核，系统结构分为4 个层次：核心操作系统、核心服务层、媒体层、触摸框架层，系统运行占用约512MB。iOS 与苹果公司的MacOS X 操作系统一样，也是以 Darwin OS 为基础的，因此同样属于类Unix的商业操作系统。Windows Embedded Compact 8：即以前的WinCE操作系统。属于大型嵌入式操作系统。可用于手持设备。具有HAL和 OAL。Windows Phone 8：前驱产品是2003 年问世的Windows Mobile。用于手机操作系统。VxWorks：目前公认为实时性最强、可靠性最高的一种嵌入式实时操作系统。广泛应用于航空航天、通信和国防领域。属于大型商用操作系统，具有配套的Tornado 集成开发环境。嵌入式 Linux:普通 Linux 操作系统移植到嵌入式硬件平台上的版本。开源、不存在黑箱技术，安卓操作系统：以 Linux为 基础，半开放源代码操作系统，属于大型操作系统，通过Android SDK使用 Java作为编程语言来开发Android 应用程序。eCOS：免费和开源的实时操作系统，使用于嵌入式系统和那些只需要一个进程多个线程的应用项目。QNX：实时，可扩充，内核小巧，速度快，可应用于虚拟机。嵌入式操作系统分类（1）按源代码规模分类：分为小型和大型，区别是源代码行数数量大小，超过10000 行语句为大型，否则为小型。（2）按内核大小分类：小内核和大内核，前者最小内核8KB，后者最小320KB。（3）按照能否免费获得源代码分类：开放源代码和不开放源代码，开源系统：CLinux、RTLinux、Nucleus Plus、ECOS、C/OS-II（4）按照实时性能分类：分为强实时型和普通实时型。强实时：VxWorks、片 SOS、COS-II 等，普通实时：Windows Embedded、CLinux、Symbian 等。（5）按照内核结构分类：单内核和微内核。单内核又称宏内核，内部含有进程管理、调度器、时间管理、设备管理、文件管理等模块。耦合度高，通过函数调用实现模块之间通信。如 Unix、嵌入式 Linux、WinCE、Mac OS、Android OS 和 DOS。微内核：内核小巧，接口一致，松散耦合，人物间通信机制为消息机制，以消息传递方式相传。如：Symbian、VxWorks、QNX、C/OS-II、iOS 等，iOS 前身是在Darwin OS 基础上研发的iPhone OS，是一个类Unix 操作系统，属于微内核架构。嵌入式操作系统的仿真平台一般指嵌入式系统开发过程中使用的指令集模拟器、仿真软件或者虚拟机管理软件。如ARM公司的Armulator和清华大学研发的SkyEye 都是 ARM 指令集模拟器，更奇安达的为VMware虚拟机，可搭建嵌入式Linux 的仿真开发平台。硬件抽象层、板级支持包和引导加载程序底层软件主要就是指硬件抽象层、板级支持包和启动引导程序。硬件抽象层（HAL）WindowsNT。板级支持包（BSP）精品资料-欢迎下载-欢迎下载 名师归纳-第 4 页，共 8 页 -文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 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BSP，另一种是这块电路板的HAL。BSP含有电路板的全套初始化程序，包括操作系统初始化，它要为操作系统的正常运行做好准备，而HAL通常也包括硬件初始化程序，但是不完整，例如不包括操作系统的初始化处理。引导加载程序嵌入式系统加电后执行的第一批最初操作成为引导或者自举（Boot），对应的程序成为引导程序或者引导加载程序（Bootloader）。引导加载程序主要完成内存加电自检、外设存在自检、内存地址映射、初始化外围设备、内存寻址定位、加载和启动操作系统。典型嵌入式系统启动顺序：（1）上电后，Bootloader将执行基本的硬件自检、初始化硬件控制寄存器、初始化SDRAM 等工作（2）Bootloader将 OS内核映像文件从非挥发存储介质（如Flash）中复制到SDRAM 中，并将控制权转交给OS。（3）OS内核执行创建页表、驱动外设、初始化中断控制系统等OS的流程，最终创建应用程序执行环境甚至图形用户界面。Bootloader的两个执行阶段stage1 的基本步骤：基本硬件初始化，为加载stage2 准备 RAM 空间，拷贝stage2 的执行代码到RAM 空间中，设置栈区指针SP，跳转到stage2 的 C 程序入口点。硬件初始化一般包括：关闭WatchDog、关中断、设置CPU的速度和时钟频率、RAM 初始化等。stage2 的基本步骤：启动加载模式下Bootloader的 stage2 操作流程：初始化本阶段要使用到的硬件设备，检测系统内存映射，将内存映像和根文件系统映像从Flash 上读到 RAM 空间中，为内核设置启动参数，调用内核。下载模式下Bootloader的 stage2 操作流程：初始化本阶段要使用到的硬件设备，主要是串口、网口和Flash存储器等；等待用户输入行命令以进入下载模式，否则直接进入启动加载模式；通过串口终端与调试主机建立连接，提供人机交互接口；接收用户输入，通过串口或者网口进行文件下载，将文件写入Flash存储器保存；下载完毕，继续等待用户输入或者重启系统。嵌入式 Linux 的 Bootloader执行步骤初始化处理器及外设的硬件资源配置；建立内存空间的映射管理，使能 MMU，将系统的外存和内存地址变换激活，为最终调用操作系统内核做好准备；装载操作系统映像到内存；对Flash存储器编程；运行操作系统；传递系统启动参数；命令行解析和输入/输出控制。U-Boot 被认为是功能全面、具有灵活性以及应用广泛的开放源代码Bootloader，目前由DENX 公司维护。就目前来说，U-Boot 对 PowerPC系列处理器的支持最为丰富，对 Linux 的支持最为完善，国内 ARM9 实验箱通常使用U-boot 作为 Bootloader，引导多种嵌入式操作系统。嵌入式 Linux 操作系统Linux 是目前唯一可免费获得的、能为多用户提供多任务、多线程功能的大型操作系统。最初以Unix 为原型，以实现 POSIX标准为目标，是最好的类Unix 操作系统。嵌入式 Linux：MontanaVista Linux、Clinux、RTLinux（硬实时）、RTAI 从顶视图看，嵌入式Linux 操作系统主要由用户进程、OS服务组件和Linux 内核三大子系统组成。用户进程：在Linux 系统上运行的应用程序集合。OS服务组件：位于Linux 操作系统内核之上的一层服务模块或者实用程序集合，例如行命令解释程序（Shell）、窗口系统（例如X Windows、QT）、内核编程接口等。Linux内核：主要作用：进程管理与调度、内存管理、文件管理、网络接口和进程间通信。由5 个子系统组成：进程调度 SCHED、内存管理MM、虚拟文件系统VFS、网络接口NET、进程间通信IPC。嵌入式操作系统 C/OS-II 精品资料-欢迎下载-欢迎下载 名师归纳-第 5 页，共 8 页 -文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 ZH2L5N10W3N8文档编码:CL4Q9K9Y1P9 HW10Y8E5Y1D8 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