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嵌入式系统原理及应用复习大纲第一章 绪 论 （重点）1嵌入式系统的概念与分类1）从应用角度分类：通用型嵌入式操作系统和专业型操作系统。2）按实时性分类：实时嵌入式操作系统和非实时嵌入式操作系统。实时嵌入式操作系统又分为可抢占型实时嵌入式操作系统和不可抢占型实时嵌入式操作系统。3）按复杂程度分类：单个微处理器，嵌入式处理器可扩展的系统，复杂的嵌入式系统，在制造或过程控制中使用的计算机系统2. 嵌入式系统的分析方法3. 嵌入式系统的应用举例思考与练习1什么是嵌入式系统？嵌入式系统的特点是什么？答：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。它可以实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统的特点：可定制性、可移植性、实时性、低资源占有性2请说出嵌入式系统与其它商用计算机系统的区别。答：随机应变可裁剪性从硬件环境来看，桌面操作系统具有标准化的CPU、存储和I/O架构，而嵌入式环境中的RTOS的硬件环境只有标准化的CPU，没有标准化的存储、I/O和显示器架构。从应用环境来看，桌面操作系统面向复杂多变的应用，而RTOS面向单一设备的单一应用。从开发界面来看，桌面操作系统试图给开发人员提供一个“黑箱”，让开发人员通过一系列标准的系统调用来使用操作系统中的功能，而嵌入式试图为开发人员提供一个“白箱”，让开发人员可以自主控制系统的所有资源。用于嵌入式环境的操作系统RTOS与桌面操作系统有很多本质的不同。这些不同的特性导致产品开发的不同结果。嵌入式环境给人的第一印象就是占用空间小。所以，普通的Linux或者Windows操作系统要变成嵌入式操作系统，首先就是要进行裁剪。然而，与桌面环境相比，嵌入式环境对于操作系统系统要求不仅仅是“小”，二者在设计要求上有着本质的不同。这些不同主要体现在可裁剪性、实时性和可靠性等三个方面.精确到位实时性例如用于控制火箭发动机的嵌入式系统，它所发出的指令不仅要速度快，而且多个发动机之间的时序要求非常严格，否则就会差之毫厘、谬之千里。在这样的应用环境中，非实时的普通操作系统无论如何是无法适应的。坚如磐石可靠性桌面操作环境与嵌入式环境在设计思路上有一个重大的不同桌面环境假定应用软件与操作系统相比而言可以是不可靠的，而嵌入式环境假定应用软件与操作系统一样可靠。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统是嵌入式产品的核心。如果说PC机的发展带动了整个桌面软件的发展，那么嵌入式产品的广泛普及必将为嵌入式软件产业的蓬勃发展提供无穷的推动力。从八十年代起，国际上就有一些IT组织、公司开始进行商用嵌入式系统和嵌入式操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式操作系统：如Windows CE，VxWorks，pSOS，Palm OS等。3请说明嵌入式系统技术的发展及开发应用的趋势。开发应用的趋势向经济性、小型化、可靠性、高速、智能性方向发展。嵌入式系统硬件集成化，嵌入式操作系统向高可靠性、强实时性、采用组件化技术增加操作系统的可配置性、可裁剪性和可移植性。软件开发环境集成化、智能化和图形化。与网络及通信的结合是嵌入式技术的未来。Linux和JAVA技术对嵌入式软件的发展产生深远的影响。嵌入式系统的发展历史悠久，早在电子数字计算机出现之前就有了把计算装置嵌入在系统和设备之中的嵌入式系统。随着电子技术的发展，嵌入式计算机在20世纪60年代，集成电路化的第三代计算机时期逐步兴起。嵌入式的真正发展是在微处理器问世之后，微处理器基于超大规模集成电路技术的发展而发展。20世纪80年代，随着微电子工业水平的提高，制造除了嵌入式处理器。20实际90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统应用得到进一步的加速发展，面向实时信号处理算法的DSP产品向高速、高精度、低功耗发展。日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理，嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持联网成为必然趋势支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本提供精巧的多媒体人机界面。精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本 IT业最新的最尖端的是HDTV,辨析移动的，PDA,PMP等， 处理器的发展：70年代出现第一代嵌入式微处理器，以Intel的8048为代表。80年代出现第二代入式微处理器，以Intel的8051为代表。90年代出现第三代，可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。微处理器的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线，SOC的出现。Flash的使用使微处理器技术进入到第四代，低功耗，可靠性加强。 接口（吴志做） 存储（吴志做）显示（吴志做）4你知道嵌入式系统在我们日常生活中哪些设备中应用?说明其采用的处理器是什么？采用的哪一个嵌入式操作系统？答：PDA：PXA25X;Palm OS/WINCE 路由器：ARM9;uclinux 数码相机：ARM9+DSP5000; uclinux 波导手机：ARM9；DOEASY OS数码相机：TI的数码相机解决方案 佳能的DIGIC芯片，索尼真实影像处理器（Real Imaging Processor），奥林巴斯TruePic TURBO影像处理器。数码相机的操作系统：Digita，DigitaX，MP3播放机：Telchips生产的TCC730微处理器，摩托罗拉的i. MX处理器，操作系统：For m3po OS，手机：英特尔 PXA800F手机处理器，NEC的MP211处理器，操作系统：Symbian、Palm、Linux和WindowsMobile5嵌入式系统和专用集成电路的关系是什么？答：嵌入式控制器可以设计成用户专用集成电路。把微处理器看成电路库元件中的一个标准单元，微控制器就成了专用集成电路。嵌入式系统可以编程，专用集成电路也可以编程。专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit）指为某种用途专门设计制造的集成电路。其中所谓半定制ASIC设计指用户根据半导体集成电路制造商提供的单元电路库来设计自己的asic。把微处理器看成电路库元件中的一个标准单元，微处理器就成了ASIC。6开发嵌入式系统的计算机语言主要有哪几种？分别用在什么场合？答：C语言(开发操作系统,和硬件相关的一些应用程序)，C语言(开发一些大型的应用程序)，汇编语言(开发低层的硬件接口以及一些算法的基本模块)，宏语言，JAVA语言(JSP开发网页,J2EE开发B/S,J2ME开发移动设备的服务程序)，C语言(开发大型的应用程序)， VHDL语言(开发CPLD/FPGA芯片逻辑语言,其RTL模型对于ASIC也有很有用)，Fortran语言(用于科学计算)嵌入式开发用的最多的语言是C语言。C语言和C语言具有可移植性，可以在主机上调试算法程序。对于汇编语言，可以在桌面系统上使用指令集模拟器运行它们，这一过程可以抑制持续到需要测试代码与目标系统特殊硬件之间的实时交互操作时为止。第二章 嵌入式系统设计方法 （了解）1. 系统分析法2嵌入式硬件开发方法3嵌入式软件开发4面向对象开发方法5构件式开发方法思考与练习1请说出嵌入式系统设计的主要方法及设计流程。答：P11嵌入式系统开发的最大特点就是需要软硬件综合开发。主要有以下步骤：系统定义、可行性研究、需求分析、系统概要设计、系统总体设计（包括系统总体框架、软硬件划分、处理器选择、操作系统选定和开发环境选定）、硬件设计制作（包括硬件概要设计、硬件详细设计、硬件制作和硬件测试）、软件设计实现（包括软件概要设计、软件详细设计、软件实现和软件测试）、软硬件集成、性能测试。2嵌入式硬件调试的主要方法及技术手段有哪些？答：P13与传统的电子产品设计比较，在现代电子产品设计中，一方面大量使用大规模可编程逻辑器件（PLD）来提高产品性能、减低消耗；另一方面不断提高自动化设计水平，缩短开发周期，从而导致电子设计自动化（EDA）技术的不断发展。电子设计自动化：以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言（HDL）为主要表达方式，以相应的开发软件为工具，用软件方式自动地完成逻辑编译、化简、分割、结合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作，最终形成专用的集成芯片。硬件描述语言HDL：使用于设计硬件电子系统的计算机语言。它能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。知识产权核：是一种预先设计好的甚至已经过验证的具有某种确切功能的集成电路、器件或部件。1. 主要的调试方法monitor方式（指的是在目标操作系统与调试器内分别添加一些功能模块，两者相互通信来实现调试功能）和片上方式（在处理器内部嵌入额外的硬件控制模块，当满足了特定的触发条件时进入某种特殊状态）。 2. 技术手段：基于主机的调试 ，远程调试， ROM仿真器，在线仿真器，BDM(background debug mode , 背景调试方式)，JTAG（Joint Test Action Group联合测试行动组）。3什么是面向对象开发方法和构件式开发方法 ？指出两种方法对嵌入式系统开发具有什么作用及意义，并举例说明。答： 面向对象方法则从所处理的数据入手，以数据为中心来描述系统，数据相对于功能而言，具有更强的稳定性，这样设计出的系统模型往往能较好地映射问题域模型。对象、类，、继承性、多态性、动态定连概念和设施的引入使用，显然令面向对象的设计方法具有一定的优势，能为生产可重用的软件构件和解决软件的复杂性问题提供一条有效的途径。面向对象的设计过程就是指通过建立一些类以及它们之间的关系来解决实际问题，这就需要对问题域中的对象作整体分析，类和类间关系的设计要求较高，否则设计出的并不是真正意义上的面向对象的软件系统，而只是一些类的堆砌而已，不能体现出面向对象设计方法的优势之处。我们生活在对象的世界，这些对象存在于各类实体中，如自然、社会、商业和产品等。它们可以被分类、描述、组织、操作、创建以及销毁。因此，在软件开发中提出面向对象的思想极其自然。OO软件开发涉及软件生命期的各个阶段，包括面向对象分析、包括面向对象设计、包括面向对象编程和包括面向对象测试等多个方面。软件开发初期为程序设计时代，其特点是软件开发开发处于小作坊个体生产方式水平。后来出现了一些大型复杂的软件系统，人们认识到以个人的能力难以完成一个大系统的任务，因此引入了软件复用的思维方法。构件（Component）是由可复用的软件组成，可用来构造其它软件。它可以是被封装的对象类、类树、一些功能模块等。为嵌入式软件开发，特别是构建大型嵌入式系统，提供了新的解决方法。4需求分析阶段分为哪几个步骤？每个步骤完成什么工作？答：1. 分析用户的需求 （1）分析用户对产品的需求（分功能和非功能的需求-性能，价格，系统地尺寸和质量，功耗）（2）确认用户的需求（3）罗列用户的需求（4）简单的需求表格（5）需求的内部一致性。2. 确定硬件和软件。包括：处理器，总线吞吐量，操作系统，编程语言，第三方软件或库函数，第三方硬件。3. 检查需求分析的结果。包括：错误的原因，目的，方法和内容4. 确定项目的约束条件。包括：工期限制，预算限制，人员限制，技术及经验限制等。5.概要设计，包括：系统结构模型建立方式，系统结构模型建立流程，在解决必须做什么时，除确定功能需求外，还需要确定性能需求、环境需求等。需求分析的结果是提交需求分析报告（系统规格说明），包括系统功能模块图。5在进行系统设计时，概要设计和详细设计的工作内容有什么不同？系统概要设计是整个嵌入式系统的总体设计。它需要解决嵌入式系统的总体构架，从功能实现上对软硬件进行划分；在此基础上，选定嵌入式系统硬件实现的核心处理器；同时根据系统的复杂程度确定是否使用嵌入式操作系统，以及选用哪种操作系统；此外，还需要选择系统的开发平台。硬件详细设计：选定实现硬件功能框图内的各个具体的器件（包括型号、规格、封装等），设计相应的周边电路，得到符合系统需求和硬件概要设计的电路原理图，进一步生成实际的PCB图。软件设计实现：这部分的开发过程与硬件设计制作并行、交互进行及所完成的任务与概要设计到测试一致。概要设计是在需求分析的基础上通过抽象和分解将系统分解成模块，确定系统功能的实现。基本任务是：建立系统结构（划分模块、定义模块功能、模块间的调用关系、定义模块的接口、评价模块的质量）、数据结构和数据库的设计（数据结构设计、概念设计、逻辑设计、物理设计）、编写概要设计文档（概要设计说明书、用户手册、数据库设计说明书、修订测试计划）。、详细设计的基本任务是设计模块的数据结构、设计数据库的物理结构、设计模块的详细算法、其它（代码设计、输入/输出格式设计、人机对话设计）、编写详细设计说明书、评申。6在嵌入式系统实现阶段，需要选择开发平台，通常开发平台的选择包括哪些内容？答：任务的多少.实时性的要求. 平台所用编译器编译效率的要求.通常硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等。在上述选择中，通常，处理器是最重要的，同时操作系统和编程语言也是非常关键的。处理器的选择往往同时会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限制开发工具的选择。硬件平台的选择 -处理器的选择软件平台的选择-主要涉及到操作系统的选择,同时要考虑代码编程、交叉编译、交叉连接、下载到目标板和调试等几个步骤，因此软件平台的选择也涉及到以下几个方面。7在当今IT时代，为了使产品尽快进入市场，就产品开发阶段，你认为有哪些方法可以加快产品的开发速度?产品开发是产品形成中的创造性阶段。一般认为产品开发包括产品规划、产品设计、生产 准备和样品试验4个阶段。随着信息技术的发展，产品开发的概念和内涵在不断改变和拓宽，主要表现如下：(1)由单目标规划向多目标规划的转变传统产品开发仅考虑产品性 能要求 ，而在信息时代，则要考虑产品生命周期内所有阶段的要求，尤其是对材料、能源、环境的 要求已变得日益重要，产品规划已变成多目标的全局规划。(2)串行设计向并行设计的转变传统产品开发是个顺序过程，如概 念设计 完成之后，才能进行详细设计、工艺设计。信息时代的产品开发除信息的交换和共享之外， 并行是最显著的特性。(3)工艺设计向过程设计的转变传统产品开发中的生产准备主要是 指工艺 规划和刀具、夹具、量具的准备，这是一种局限于面向制造的观点。信息时代的生产准备应 理解为过程设计，它不仅包括工艺过程设计，还包括装配过程设计、使用过程设计、维修过 程设计等。(4)实物样品向虚拟样品的转变传统产品开发是采用“试凑法”， 因此有 些情况下，为保证产品质量，实物样品的测试不可缺少。信息时代的产品开发，基于数字化 模型和虚拟现实技术，可以部分取代实物测试。(5)严格分工向自主管理的项目小组的转变设计方法的改变，必然 引起组织管理模式的改变，如采用多学科工作小组的方式，以及网上的合作等。由此可见，信息时代的产品开发在产品生命周期中的地位越来越重要。 因此，（1）面向产品全生命周期的虚拟产品开发技术，（2）有效利用产品信息资源的方式就可以加快产品的开发速度。（1）虚拟产品开发是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、网 络技术、数据库技术、并行工程、多媒体技术和虚拟现实技术为一体的综合系统技术。它利 用虚拟现实技术的交互性(interaction)、沉浸性(immersion)和想像性(imagination)达到 虚拟产品开发环境的高度逼真化，并使人可以对虚拟原型直接进行交互操作，产生身临其境 的感觉。虚拟产品开发技术不仅可实现并行的、闭环的工作模式，还可以促进远程协同产品 开发的实现。（2） 企业实现快速产品开发的关键，是有效利用各种信息资源。其主要的实现方式有：按关系型产品模型进行信息重组和变型设计，以产品数据管理系统作为进行快速变型设计的数据平台，以基于实例推理技术为快速变型设计的智能推理工具。7在当今IT时代，为了使产品尽快进入市场，就产品开发阶段，你认为有哪些方法可以加快产品的开发速度?答：用以有的软件和硬件组件来构造自己的系统.分小组设计,在复杂系统设计时用多任务操作系统.等等.8什么是“黑盒”测试？什么是“白盒”测试？什么是“灰盒”测试？答：黑盒测试指功能测试,白盒测试指完全(全部代码)测试,灰盒测试指不完全测试(部分主要代码测试)。（1） 什么是白盒法？有那些覆盖标准？比较他们的检错能力。答：将程序看成是白盒子，认真的分析程序的结构和功能制定测试用例来测试。有逻辑覆盖（语句覆盖、判断覆盖、条件覆盖、判断/条件覆盖、条件组合覆盖、路径覆盖）（2） 什么是黑盒法？有那些测试方法？特点？答：将程序当成是黑盒子以设计中的功能为标准在程序的接口出进行测试看它能否达到功能要求。等价类划分、边界值分析、因果图、错误推测。（3）什么是灰盒测试？我归纳了一下，大致上灰盒测试干的工作是在把软件单元装成软件系统的过程中所使用的一类测试。这类测试一般地把某个模块或某个分系统作测试对象，然后进行类似于黑盒的模块功能、性能等方面测试。灰盒测试就是测试员，要阅读大体的代码结构，测试的时候出了问题能大略的知道代码那里出问题。不像黑盒测试对代码一无所知,也要关心软件内部结构的。9嵌入式操作系统开发中，使用软件组件技术有什么好处？答：减少程序员的工作量,加快产品的开发进度.程序设计清楚.基于组件的软件工程 (Component Based Software Engineering,以下简称CBSE)（1）定义组件：组件是可用来构成软件系统的即插即用(plug and play)的软件成分，是可以独立地制造、分发、销售、装配的二进制软件单元。（2）定义CBSE：CBSE是指用装配可重用软件组件的方法来构造应用程序。它包含了系统分析，构造，维护和扩展的各个方面，在这些方面中都是以组件方法为核心的。（3）CBSE的特点：1. 即插即用 2. 以接口为核心 3. 标准化 组件的接口必须严格地标准化，这是组件技术成熟的标志之一。目前主要的组件标准有：Microsoft的COM/DCOM，Java的JavaBeans和EJB，OMG组织的CORBA。4. 组件通过市场销售和分发（4）CBSE的好处：1. CBSE从根本上改变了软件生产方式。2. CBSE提高了软件重用率，保护了已有的投资。3. CBSE使开发者将更多的注意力放到业务流程和业务规则上去。4. 用CBSE开发的系统灵活，便于维护和升级。由于CBSE是模块化开发，如果某个模块需要修改，只需用修改好的模块替换掉以前的模块，不用重新编译整个系统。若想扩展系统的功能，也只需将符合框架约束条件和接口要求的扩展模块直接加入到该系统即可。由此可见，CBSE开发的系统的维护和升级都十分方便。5. CBSE降低了对系统开发者的要求。尽管CBSE没有消除系统开发者和使用者之间的分界线，但却移动了这条分界线。这是因为CBSE的开发者主要任务是装配已有的模块，不需要有很高的编程技巧。从而使更多的人可以构造适用于自已的系统。在开发环境中，仅仅在构造组件时才需要对编程语言的熟悉和高超的技巧。（5）在嵌入式系统开发中应用组件技术具有能够减少应用开发代码量、利于软件升级与维护、提高软件生产效率、便于移植和剪裁以及便于共享第三方建立的组件库等优点, 因此得到越来越多的重视。10综合思考题：选择一个嵌入式系统产品（如手机、PDA、工业控制产品、智能家用电器等），利用本章学过的知识，假设你是系统的总设计师，那么你认为应该如何运作这个产品的开发，直到把产品从实验室推向市场。提示：题目较大，嵌入式系统开发包括需求分析、设计、实现、测试等方面。在实现方面，不必把产品开发出来（即不必设计电路图，不必编写程序代码，只需要概括地写出软件硬件需要完成的工作即可）。第三章 嵌入式系统的硬件基础 （重点）1. 常用嵌入式系统及嵌入处理器分类2. 单片机构成最常用和最基本的嵌入式系统3. PLD、CPLD、FPGA是柔性化的硬件模块电路4. DSP是嵌入式高速信号算法处理与控制的芯片5. PC104、eBox及工业控制计算机是生产现场控制的典型嵌入式系统6. 各种嵌入式外部接口及终端设备7国产嵌入式处理器芯片龙芯系列与方舟系列处理器。思考与练习1按照原理和功能不同，嵌入式处理器分为哪几种类型？简要说明它们各自不同的主要性能特点。答：嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 在数字滤波、FFT、谱分析等方面。推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， ADSL 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP 处理器的长处所在。 嵌入式片上系统(System On Chip) 随着EDA的推广和VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利SOPC （system-on-a-programmable-chip）：sopc不只有cpu内核可以配置，其他memory，逻辑器件也可以配置。sopc也是一种加快time-to-market的方法，可以根据具体的应用灵活选择soc的配置。 可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。 ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系2举出在嵌入式系统开发应用最主流的5种以上的单片机系列及型号，简要说明它们各自不同的主要性能特点。介绍这些单片机的主要特点、开发工具及最佳的应用场合。答：Intel体系的MCS51 工业标准/可工作在空闲、掉电模式 keil C 各种工业控制Atmel AVR 单片机 AT90Sx系列 增强RISC结构/片上集成Flash ICCAVR 宇航设备/仪器仪表/通讯设备Motorola 68HCXX单片机 含内监控ROM/片上集成Flash CodeWarrior 汽车电子Microchip PIC 单片机 PIC16C5X（速度最快） 提供OPT（一次编程）、低电压、低功耗的选择 MPLAB C18 C编译器、MPLAB ICD 2在线调试器及MPLAB PM3通用器件编程器 最佳性价比TI MSP430低功耗单片机 超低功耗和功能集成 IAR ICE集成开发环境 手持设备和安全领域的Philips LPC系列 P87LPC76X IO端口功能多/ 提供OPT（一次编程）/EMC很好 ADS 高集成/低成本工控领域Sunplus 单片机SPCE061A 数字信号处理、语音处理方面 unSP IDE 智能玩具3讨论CPLD与FPGA的主要区别，指出两者在用户PCB板上是如何进行编程、下载及初始化工作。答：1:逻辑块的粒度不同. CPLD的粗粒度特性, FPGA是细粒结构2:逻辑之间的互连结构不同3:CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA更适合于完成时序逻辑。4: CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 5:在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程；FPGA可在逻辑门下编程，而CPLD是在逻辑块下编程。 6:的集成度比CPLD高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 7:比使用起来更方便。的编程采用2或技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂。 8:的速度比快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于是门级编程，并且之间采用分布式互联，而是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的, CPLD是粗粒结构，这意味著进出器件的路径经过较少的开关，相应地延迟也小。因此，与等效的FPGA相比，CPLD可工作在更高的频率，具有更好的性能。 9:在编程方式上，主要是基于2或存储器编程，编程次数可达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。大部分是基于编程，编程信息在系统断电时丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入中。其优点是可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置。 10:保密性好，保密性差。 11:一般情况下，的功耗要比大，且集成度越高越明显。使用14pin的JTAG引脚编程、下载FPGA的配置方案：配置方式可分为PS（被动串行）、PPS（被动并行同步）、PPA（被动并行异步）、PSA（被动串行异步）和JTAG（Joint Test Action Group）等五种方式。初始化工作：FPGA考外部配置芯片初始化、CPLD固定内连电路的逻辑功能来编程初始化通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，主要通过改变内部连线的 布线来编程； 可在逻辑门下编程，而是在逻辑块下编程。 4什么是ISP技术与JTAG技术？简述两者的主要技术特点及区别，指出它们在嵌入式系统调试中的应用。答：ISP在系统可编程ISP（In Ststem Programmability）技术是指能对器件、电路甚至整个系统进行现场升级和功能重构的技术在系统编程技术,JTAG边界扫描技术.ISP技术主要是针对整个系统的编程下载要更新的程序代码而不用取拔器件,全部器件减为串联连接;JTAG主要用于芯片内部测试.现在的JTAG有其他很多的功能.但主要要来下载与调试.Jtag技术：有三种方法控制JTAG器和PSD间的数据传输，其中option3型ISP选择。一个文件是边界扫描定义语言（BSDL它用来定义被编程器件的引脚和内部寄存器（JTAG）；另一个文件是串行矢量格式（SVF）它用来定义所产生的动作5解释嵌入式处理器的名词MCU、EMPU、SOC、DSP、SOPC、ARM的基本概念，指出其在嵌入式系统中的应用特色。答：MCU 微控制器; EMCU嵌入式微控制器; SOC 片上系统,DSP 数字信号处理器. SOPC可编程片上系统,ARM:32位微控制与处理内核均可以用作控制系统;但是MCU ARM DSP 可能有你需要的控制器.SOC SOPC 只能用以有的IP核来生成,相比前者,控制器的功能几乎一样,但是使用的方法不同.也均可以作处理系统.其中DSP是最适合的,是TI公司转为数字信号处理用的.其他的如MCU,ARM在处理能力不及专用DSP.SOC与SOPC在实现数字处理上全部由硬件完成,速度快.但是发热是上述中最大的. 6介绍ARM处理器的主要特点和ARM处理器家族的体系结构、N级流水线结构、RISC结构等。答:ARM处理器的主要特点:（1）小体积、低功耗、成本低、高性能（2）16位/32位双指令集（3）全球众多的合作伙伴ARM处理器家族的体系结构：ARM具有多种版本，各种版本之间的体系结构略有不同，常用的ARM的体系结构为：ARM体系结构由32位通用寄存器及6个状态寄存器、32X8位乘法器、32X32位桶型移位寄存器、指令译码及控制逻辑、指令流水线和数据/地址寄存器组成，采用RISC 架构。N级流水线结构：流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术。程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤。这样显然可加速一段程序的运行过程。市场上推出的各种不同的1 6位/ 3 2位微处理器基本上都采用了流水线技术。ARM7具有三级流水线：取指、译码、执行。ARM9及StrongARM具有五级流水线：取指、译码、执行、缓冲/数据、回写。RISC架构具有以下特点：使用相当少的指令型别及寻址模式；微程序控制尽量采用软件架构实现；在单一执行的周期内完成指令；微处理器中拥有更多的寄存器；使用最佳化的程序代码编译；微处理器的内存存取主要是用在指令的载入及存储；简易的解码指令格式；高度平行化处理。RISC架构主要用于有规律并且常用的指令解码及数据处理，因此不需要使用到复杂的硬件控制线路的设计及指令集解码，所以RISC架构的微处理器中线路可以做到很精简，并且一个指令所需要的执行时间也会变得比较少。RISC架构具有以下特点（第二种答案）：1） 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有23种；2） 使用单周期指令，便于流水线操作执行；3） 大量使用寄存器，数据处理只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。除此之外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片面积，并降低功耗；4） 所有指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高数据的传输效率；5） 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理 和移位处理；6） 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率；7讨论TI公司的TMS320C2X、TMS320C5X、TMS320C6X系列DSP的主要特点和最适合的应用范围。答：TMS320C2000 DSP是基于320C2xLP核。C2xLP核具有4级流水，工作在40MHz。具有JTAG仿真模块。它是16位定点DSP。它的哈佛结构支持两个分开的总线结构，TMS320C2000系列是控制用DSP，具有完美的性能并综合最佳的外设接口，在这个系列的器件中，它集成了闪存、高速A/D转换器、高性能的CAN模块,PWM,CAP等。TMS320C2000系列DSP器件具有较高的性价比，设计工程师通过 利用它可以降低开发难度，缩短面市时间，有效地降低了开发成本。应用领域: 工业拖动 ，家用电器 ，电源管理 ，HVAC 系统 ，光传输网络 ，手持式工具 ，制冷器具 ，灯光控制 ，日用消费品，流体泵控制 ，UPS ，智能传感器等。TMS320C5000TM DSP 综合了多样的外设、更小的封装和低功耗等各项优势性能，是16位定点DSP。它 的这些特征使得它在INTERNET 和无线通讯市场得到了广泛的应用。它的处理速度可以高达600MIPS ,但功耗低到0.05 mW/MIPS。C5000 DSP 核是针对个人便携设备而设计的。应用领域：有线无线通信，IP，便携式信息系统，寻呼机，助听器，音乐播放器、数码相机、高速音频设备、高精度的信号和多通道应用。 TMS320C6000TM 系列 DSP 是适合于特定应用的高性能处理器, ，采用最新VLIW处理器架构，其定点 DSP和浮点 DSP 具有软件兼容性。这一系列的DSP 器件综合了世界上各种DSP 器件的优势，并在处理能力和电源管理方面作了很大的改进。具有最佳的性价比。应用领域：无线基站、远程数据服务、xDSL（digital subscriber loop）系统 、家庭安全系统、高级图像处理、工业扫描、精密仪器和多通道电话系统，专业音响设备、工业自动化、语音识别和高级图像处理等方面。8简要介绍PC104、eBox开发应用的主要特点，说明它们的最佳用途。答：PC104 的应用开发特点表现为: (1) 模块多种多样。PC104 模块实际的配置和应用多种多样,品种齐全,用户可以选择各种不同的功能模块,如同搭积木一样设计出满足各种要求的专用系统。其显示接口支持从单色到SVGA 的各种型号的显示器,包括液晶和平板显示器;其磁盘接口支持软盘、硬盘、SCSI、固态电子盘(SSD) 、PCMCIA等存储介质;通讯可提供调制解调器、FAX 等型号模块;网络可提供Ethernet 、Arcnet 等型号产品; 数据采集和控制模块可提供12 位、14位、16 位分辨率的A/ D、D/ A 以及多种计数器。(2) 系统开发灵活方便。PC104 模块最通用的开发方法是通过外接显示器、键盘、软盘、硬盘等构成一最基本的计算机系统,在此系统上自行开发、调试直至完成系统功能。由于PC104 在硬件和软件上与普通PC 完全兼容,可利用PC 机丰富的软件和熟悉的硬件缩短开发周期降低成本。PC104模块的另一种开发方法是利用现有的台式PC 机通过远程调试的方法来实现。类似于单片机的开发方法,将PC 机和PC104 的CPU 模块用串口相连,通过支持远程调试的软件实现远程调试开发。其特点是成本低、完全软件调试。最佳用途：特别适用于与PC/AT 兼容的嵌入式系统中,广泛应用于通讯、导航、医疗设备、智能仪器等领域。9根据模块化和复用的原则，设计嵌入式微控制器系统时，需要设计哪些电路？答：设计复用的关键是模块化，普遍需要设计人机交互的接口，如键盘输入电路，显示输出电路如数码显示和LCD电路；联机所用的总线接口电路，如USB总线接口，RS232接口和以太网网络接口；用于系统扩展的通用I/O配置电路，方便二次开发。10通常嵌入式微控制器和微处理器之间的不同点和相同点分别是什么？一般地，它们适用于哪些方面的应用？答：嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）的基础是通用计算机中的的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。微处理器以其处理速度上的优势，主要应用于数据处理速度要求较高的场合。嵌入式控制器（Microcontroller Unit，MCU ）一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。11选择嵌入式处理器需要考虑哪些因素？答：（1）够用原则通常嵌入式处理器很少升级，因此设计嵌入式系统时，为嵌入式处理器的处理能力留出很大的余量是很不经济的。通常给出小量的余量即可。（2）成本原则选择嵌入式处理器所考虑的成本不仅仅包括处理器本省，还包括主持电路的成本。印刷电路板的成本，特别是设计成本敏感型的产品更是如此。（3）参数选择1）处理器的类型，如RISC、CISC、DSP等；2）处理速度，以MIPS表示；3）寻址能力；4）总线宽度；5）片上集成的存储器情况；6）片上集成的I/O接口的种类和数量；7）工作温度；8）封装；9）操作系统的支持、开发工具的支持等；10）调试接口；11）行业用途；12）功耗特性；13）电源管理功能；14）价格；15）行业的使用情况；12指出嵌入式系统常用的数据接口有哪些？分别采用的是什么协议？答：UART：RS232协议 IIC、SPI、 USB：USB1.0/1.1/2.0 ETHERNET：TCP/IP，UDP IDE接口:SATA/PATA接口协议JTAG：IEEE-1149.1并口、红外、蓝牙、无线、IEEE1394、CAN 13指出NAND Flash和NOR Flash存储器的主要特点、两者的区别及适用场合。答：NOR结构能使芯片体积更小、性能更佳。NAND结构的拥护者称在高密度闪速存储器中速度最快，制造更容易。NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。 NOR的传输效率很高,在14MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。1.NOR型Flash主要特点如下：*体积小、容量大，目前可以达到十几MB。*掉电数据不丢失，数据可以保存10100年。*有独立的地址和数据总线，可以快速地通过总线读取数据。因此它具有和静态RAM相同的读取速度，既可以作为数据存储器也可以作为程序存储器使用。*写入操作必须通过指令序列来完成，以字节（Byte）或字（Word）为单位，每写入一个Byte或Word需十几s。*擦除也通过指令序列完成，以块（Block）为单位，通常块的大小为64K。每擦除一个块需要十几ms。*由于Flash有一定的使用寿命，一般为10100万次。所以随着使用次数的增加，会有一些单元逐渐变得不稳定或失效，因此必须能够对其状态加以识别。2.区别：性能比较： flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。 由于擦除NOR器件时是以64128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以832KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。 执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。 NOR的读速度比NAND稍快一些。 NAND的写入速度比NOR快很多。 NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。 大多数写入操作需要先进行擦除操作。 NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。 接口差别 NOR flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。 NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。 NAND读和写操作采用512字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。 容量和成本：NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。 NOR flash占据了容量为116MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8128MB的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。 可靠性和耐用性： 采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。 寿命(耐用性)：在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。 位交换：所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见,NAND发生的次数要比NOR多),一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的