嵌入式系统设计师考试笔记之嵌入式系统基础知识

嵌入式系统设计师考试笔记之嵌入式系统基础知识嵌入式系统设计师考试笔记之嵌入式系统基础知识 5 嵌入式微处理器体系结构 嵌入式微处理器体系结构 1 冯诺依曼结构 程序和数据共用一个存储空间共用一个存储空间 程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存 储器的不同物理位置 采用单一的地址及数据总线 程序和数据的宽度相同 例如 8086 ARM7 MIPS 2 哈佛结构 程序和数据是两个相互独立的存储器两个相互独立的存储器 每个存储器独立编址 独立访问 是一种将程 序存储和数据存储分开的存储器结构 例如 AVR ARM9 ARM10 3 CISC 与 RISC 的特点比较 参照教程22页 计算机执行程序所需要的时间 P 可以用下面公式计算 P I CPI T I 高级语言程序编译后在机器上运行的指令数 CPI 为执行每条指令所需要的平均周期数 T 每个机器周期的时间 4 流水线的思想 在 CPU 中把一条指令的串行执行过程变为若干指令的子过程在 CPU 中重叠执 行 5 流水线的指标 吞吐率吞吐率 单位时间里流水线处理机流出的结果数 如果流水线的子过程所用时间不一样长 则吞 吐率应为最长子过程的倒数 建立时间建立时间 流水线开始工作到达最大吞吐率的时间 若 m 个子过程所用时间一样 均为 t 则建 立时间 T mt 6 信息存储的字节顺序 A 存储器单位 字节 8位 B 字长字长决定了微处理器的寻址能力 即虚拟地址空间的大小 C 32位微处理器的虚拟地址空间位232 即4GB D 小端字节顺序小端字节顺序 低字节在内存低地址处 高字节在内存高地址处 E 大端字节顺序大端字节顺序 高字节在内存低地址处 低字节在内存高地址处 F 网络设备的存储顺序问题取决于 OSI 模型底层中的数据链路层数据链路层 三 真题解析三 真题解析 1 2007年年4 5题题 若每一条指令都可以分解为取指 分析和执行三步 已知取指时间 t取指 4 t 分析时间 t分析 3 t 执行时间 t执行 5 t 如果按串行方式执行完100条指令需要 4 t 如果按照流水线方式执行 执行完 100条指令需要 5 t 4 A 1190B 1195C 1200D 1205 5 A 504B 507C 508D 510 C B 考查流水线技术知识点 按照串行的方式 执行完一条指令才能执行下一条指令 那么执行完100条指令的时间为 4 3 5 100 1200 按照流水线的方式 可以同时执行多条指令 在第一条指令进行分析的时候 第二条指令已经开始取 指 当第一条指令进行执行的时候 第二条指令进行分析 第三条指令取指 当第二条指令进行执行完的 时候 第三条指令已经分析完成 依此类推 当第一条指令完成之后 每一个执行的周期就可以完成一条 指令 需要注意的是 如果流水线的子过程所用时间不一样长 则吞吐率应以最长子过程来计算 因此 我们可以计算得100条指令的执行时间为 4 3 5 100 1 5 507 2 2007年年24题题 某总线有104根信号线 其中数据总线 DB 32根 若总线工作频率为33MHz 则其理论最大传输率为 24 注 本题答案中的 B 表示 Byte 24 A 33 MB sB 64MB sC 132 MB sD 164 MB s C 考查总线这个知识点 根据上面的笔记 总线带宽 总线位宽 总线频率 8 32 33 8 132MB s 3 2007年年26题题 某存储器数据总线宽度为32bit 存取周期为250ns 则该存储器带宽为 26 注 本题答案中的 B 表示 Byte 26 A 8 106B sB 16 106B sC 16 108B sD 32 106B s B 考查总线这个知识点 存储器带宽即总线带宽 总线频率为 1 250ns 4 106 存储器带宽为 32 4 106 8 16 106B s 4 2007年年27题题 处理机主要由处理器 存储器和总线组成 总线包括 27 27 A 数据总线 串行总线 逻辑总线 物理总线 B 并行总线 地址总线 逻辑总线 物理总线 C 并行总线 串行总线 全双工总线 D 数据总线 地址总线 控制总线 D 考查总线这个知识点 基本概念的考查 5 2007年年35题题 三极管是可控的开关器件 其饱和与截止状态分别对应开关的接通和断开状态 UBE为基极输入电压 VTH为基极域值电压 如果 UBETH 开关应处于 35 状态 35 A 接通B 三态C 断开D 高阻 C 考查电路中最基本的基础知识点 我觉得做不对的根本不能算嵌入式系统开发入门 6 2007年年36题题 如下图所示 若低位地址 A0 A11 接在内存芯片地址引脚上 高位地址 A12 A19 进行片选译码 其中 A14和 A16没有参加译码 且片选信号低电平有效 则对下图所示的译码器 不属于此译码空间 的地址为 36 36 A AB000H ABFFFHB BB000H BBFFFH C EF000H EFFFFHD FE000H FEFFFH D 考查数字电路中译码知识和存储系统中统一编址的问题 相对来说 这个题目有点难度 但是对于学 习过和亲身做过单片机的兄弟来说 最基本不过了 7 2007年年46题题 46 完全把系统软件和硬件部分隔离开来 从而大大提高了系统的可移植性 46 A 硬件抽象层B 驱动映射层C 硬件交互层D 中间层 A 考查嵌入式系统组成中的概念 8 2006年年3题题 设指令由取指 分析 执行3个子部件完成 每个子部件的工作周期为 t 采用常规标量单流水线处理 机 若连续执行10条指令 则共需要时间 3 t 3 A 8B 10C 12D 14 C 考查流水线技术知识点 3 10 1 1 12 9 2006年年4 5题题 某计算机的时钟频率为400MHz 测试计算机的程序使用4种类型的指令 每种指令的数量及所需要 的指令时钟数 CPI 如下表所示 则该计算机的指令平均时钟数为 4 该计算机的运算速度为 5 MIPS 指令类型指令数目 条 每条指令需要的时钟数 11600001 2300002 3240004 4160008 4 A 1 85B 1 93C 2 36D 3 75 5 A 106 7B 169 5C 207 3D 216 2 B C 考查指令运行方面的简单计算 平均时钟数 160000 2 30000 4 24000 8 16000 160000 30000 24000 16000 1 93 MIPS 是指每秒种执行多少百万条指令 即106 计算机的运行数度为 400 1 93 207 25 207 3MIPS 9 2006年年12题题 计算机要对声音信号进行处理时 必须将它转换为数字声音信号 最基本的声音信号数字化方法时取样 量化法 若量化后的每个声音样本用2个字节表示 则量化分辨率是 12 12 A 1 2B 1 1024C 1 65536D 1 131072 C 考查声音编码种量化计算的知识点 2个字节是16位 其量化分辨率位1 1016 1 65536 10 2006年年13题题 某幅图像具有640 480个象素点 若每个象素具有8位的颜色深度 则可表示 13 种不同的颜色 经 过5 1压缩后 其图像数据需要占用 14 Byte 的存储空间 13 A 8B 256C 512D 1024 14 A 61440B 307200C 384000D 3072000 B A 考查图像数据存储计算的知识点 8位颜色深度可以表示28 256种颜色深度 经过5 1压缩后的数据大小为 640 480 8 8 5 61440 11 2006年年23题题 若某逻辑门输入 A B 和输出 F 的波形如下图所示 则 F A B 的表达式为 23 23 A F A BB F A B C F A 异或 BD F A B 的非 A B F C 考查数字电路的最基本知识点 我觉得这个都搞不清楚很难通过这个考试 12 2006年年24题题 一个4位的二进制计数器 由0000状态开始 经过25个时钟脉冲后 该计数器的状态为24 24 A 1100B 1000C 1001D 1010 C 考查数字电路的最基本知识点 相对上面一题有点难 需要对计数器的工作原理有比较清楚的理解 这个也是搞嵌入式系统的基础中的基础 参考教程38页或相关的数电书籍 4位的计数器 其计数范围是24 16 0000开始经过16个时钟脉冲之后又回到了开始的状态0000 25 16 9 所以说经过25个时钟之后 其计数器的数值应该是9 1001 13 2006年年25题题 稳压二极管构成的稳压电路的接法是 25 25 A 稳压管与负载电阻串联 B 稳压管与限流电阻并联 C 限流电阻与稳压管串联后 在与负载电阻串联 D 限流电阻与稳压管串联后 在与负载电阻并联 D 考查模拟电路的最基本知识点 实在太简单 不知道从那里开始分析了 14 2006年年26题题 以下叙述中 不符合 RISC 指令系统特点的是 26 26 A 指令长度固定 指令种类少 B 寻址方式种类丰富 指令功能尽量增强 C 设置大量通用寄存器 访问存储器指令简单 D 选取使用频率较高的一些简单指令 B 考查 RISC 与 CICS 的区别 考生应该清楚他们的区别 参加教程22页 15 2006年年27题题 通常所说的32位微处理器是指 27 27 A 地址总线的宽度为32位B 处理器数据长度只能为32位 C CPU 字长为32位D 通用寄存器数目为32位 C 考查字长的概念和总线宽度的理解 参加教程25页 16 2006年年28题题 在32位总线系统中 若时钟频率为500MHz 传送一个32位字需要5个时钟周期 则该总线系统的数 据传送速率为 28 MB s 28 A 200B 400C 600D 800 B 考查总线和数据传输方面的知识点 5个时钟周期可以传送4个 Byte 每秒中可以传送 4 500 5 400MB s 17 2006年年30题题 评价一个计算机系统时 通常主要使用 30 来衡量系统的可靠性 30 A 评价响应时间 B 平均无故障时间 MTBF C 平均修复时间 D 数据处理速率 B 18 CAN 总线接口总线接口 1 CAN Control Area Network 控制器局域网 总线是一种多主方式的串行通信总线多主方式的串行通信总线 是国际上应 用最广泛的现场总线之一 最初被用于汽车环境中的电子控制网络 一个 CAN 总线构成的单一网络中 理 想情况下可以挂接任意多个节点 实际应用中节点数据受网络硬件的电气特性所限制 2 总线信号使用差分电压差分电压传送 两条信号线被称为 CAN H 和 CAN L 静态是均为2 5V 左右 此时 状态表示逻辑逻辑1 也可以叫做 隐性隐性 用 CAN H 比 CAN L 高表示逻辑逻辑0 称为 显性显性 此时 通常 电压值为 CAN H 3 5V 和 CAN L 1 5V 3 当 显性 和 隐性 位同时发送的时候 最后总线数值将为 显性 这种特性为 CAN 总线的仲 裁奠定了基础 4 CAN 总线的一个位时间可以分成4个部分 同步段 传播时间段 相位缓冲段1和相位缓冲段2 详 见 教程 205页 5 CAN 总线的数据帧有两种格式 标准格式标准格式和扩展格式扩展格式 包括 帧起始 仲裁场 控制场 数据场 CRC 场 ACK 场和帧结束 6 CAN 总线硬件接口包括 CAN 总线控制器总线控制器和 CAN 收发器收发器 CAN 控制器主要完成时序逻辑转换等 工作 例如菲利普的 SJA1000 CAN 收发器是 CAN 总线的物理层芯片 实现 TTL 电平到 CAN 总线电平 特性的转换 例如 TJA1050 19 xDSL 接口接口 1 xDSL 数字用户线路 技术是 在现有用户电话线两侧同时接入专用的 DSL 调制解调设备 在用 户线上利用数字数字信号高频带宽较宽的特性利用数字数字信号高频带宽较宽的特性直接采用数字信号传输 省去中间的 A D 转换 突破了模拟 信号传输极限速率为56KB s 的闲置 2 DSL 技术主要分为对称对称和非对称非对称两大类 3 对成 xDSL 更适合于企业点对点连接应用点对点连接应用 例如文件传输 视频会议等收发数据量大致相同的工作 4 ASDL 是近年发展的另一种宽带接入技术 是利用双绞铜线向用户提供两个方向上速率不对称速率不对称的宽 带信息业务 5 ADSL 在一对电话线上同时传送一路高速下行数据 一路较低速率上行数据 一路模拟电话 各信 号之间采用频分复用频分复用方式占用不同频带 低频段低频段传送话音 中间窄频带中间窄频带传送上行信道数据及控制信息 其 余高频段 其 余高频段传送下行信道数据 图像或高速数据 20 WLAN 接口接口 1 WLAN Wireless LocalArea Network 是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的 是计算机 网络与无线通信技术相结合的产物 它以无线多址通道作为传输媒介 提供有线局域网的功能 2 WLAN 的标准 主要是针对物理层物理层和媒质访问控制层 媒质访问控制层 MAC 层 层 涉及到所有使用的无线频率范围 控制接口通信协议等技术规范与技术标准 A IEEE 802 11 定义了物理层和 MAC 层规范 工作在2 4 2 4835GHz 频段 最高速率为2Mb s 是 IEEE 最初制定的一个无线局域网标准 B IEEE 802 11b 工作在2 4 2 4835GHz 频段 最高速率为11Mb s 传输距离50 150inch 采 用点对点模式和基本模式两种运行模式 在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mb s 5 5Mb s 2 Mb s 1 Mb s 的不同速率间自动切换 C IEEE 802 11a 工作在5 15 8 825GHz 频段 最高速率为54Mb s 72Mb s 传输距离10 100m D IEEE 802 11g 混合标准 拥有 EEE 802 11a 的传输速率 安全性较 EEE 802 11b 好 采用两 种调制方式 做到与 EEE 802 11a 和 EEE 802 11b 兼容 3 WLAN 有两种网络类型 对等网络对等网络和基础机构网络基础机构网络 21 蓝牙接口 蓝牙接口 1 蓝牙技术的目的 使特定的移动电话 便鞋式电脑以及各种便携通信设备的主机之间近距离内实现 无缝的资源共享 2 蓝牙技术的实质内容是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准 其工作频段为全球通 用的2 4GHz ISM 即工业 科学 医学 频段 其数据传输速率为1Mb s 采用时分双工时分双工方案来实现全双 工传输 其理想的连接范围为10cm 10m 3 蓝牙基带协议是电路交换和分组交换的结合电路交换和分组交换的结合 4 蓝牙技术特点 A 传输距离短 工作距离在10m 以内 B 采用跳频扩频技术 C 采用时分复用多路访问技术 有效地避免了 碰撞 和 隐藏终端 等问题 D 网络技术 E 语言支持 F 纠错技术 其采用的是 FEC 前向纠错 方案 5 蓝牙接口由3大单元组成大单元组成 无线单元 基带单元 链路管理与控制单元 22 1394接口接口 1 1394作为一种标准总线 可以在不同的工业设备之间架起一座沟通的桥梁 在一条总线上可以接入 63个设备 2 IEEE 1394的特点特点 A 支持多种总线速度 适应不同应用要求 B 即插即用 支持热插拔 C 支持同步和异步两种传输方式 D 支持点到点通信模式 IEEE 1394是多主总线 E 遵循 ANSI IEEE 1212控制及状态寄存器 CSR 标准 定义了64位的地址空间 可寻址1024条 总线的63个节点 每个节点可包含256TB 的内存空间 F 支持较远距离的传输 G 支持公平仲裁原则 为每一种传输方式保证足够的传输带宽 H 六线电缆具有电源线 可传输8 40V 的直流电压 3 IEEE 1394的协议栈由协议栈由3层组成层组成 物理层 链路层和事务层 例外还有一个管理层 物理层和链路层 由硬件构成 而事务层主要由软件实现 A 物理层物理层提供 IEEE 1394的电气和机械接口 功能是重组字节流并将它们发送到目的节点上去 B 链路层链路层提供了给事务层确认的数据服务 包括 寻址 数据组帧和数据校验 C 事务层事务层为应用提供服务 D 管理层管理层定义了一个管理节点所使用的所有协议 服务以及进程 三 真题解析三 真题解析 1 2007年年25题题 下图为01001110的各种编码方式 不归零电平 NRZ L 采用0表示高电平 1表示低电平 若按照从 上到下的顺序 所采用的编码方式分别为 25 25 A 不归零电平 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 不归零1制 B 不归零电平 不归零1制 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 C 曼彻斯特编码 不归零电平 不归零1制 差分曼彻斯特编码 D 不归零1制 不归零电平 差分曼彻斯特编码 曼彻斯特编码 B 考查计算机系统硬件编码方面的基础知识 不归零电平不归零电平 0 高电平 1 低电平 不归零不归零1制制 0 在间隔的其实位置没有跳变 1 在间隔的其实位置有跳变 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 0 在间隔的中间位置从高向低跳变 1 在间隔的中间位置从低向高跳变 差分曼彻斯特编码 在间隔的中间位置总有一个跳变 差分曼彻斯特编码 在间隔的中间位置总有一个跳变 0 在间隔的起始位置有跳变 1 在间隔的起始位置没有跳变 2 2007年年28题题 下面关于 DMA 方式的描述 不正确的是 28 28 A DMA 方式使外设接口可直接与内存进行高速的数据传输 B DMA 方式在外设与内存进行数据传输时不需要 CPU 干预 C 采用 DMA 方式进行数据传输时 首先需要进行现场保护 D DMA 方式执行 I O 交换要有专门的硬件电路 C 考查计算机系统硬件方面关于 DMA 方式的基础知识 尽管 教程 中没有详细的提及 但是作为嵌 入式最基本的知识点 是应该掌握的 DMA 是 直接存储器访问 以这种方式传送数据时 是通过专门的硬件电路 DMA 控制器直接访 问存储器来完成 不需要 CPU 的干预 省去了保护和恢复现场的问题 3 2007年年32题题 下列关于 D A 变换器接口的描述 不正确的是 32 32 A 它是嵌入式微机系统与外部模拟控制对象的重要控制接口 B 它通常由模拟开关 权电阻电路 缓冲电路组成 C 它也可以把外界的模拟量变换成数字量 D 它输出的模拟量可以是电流 也可以是电压 C 考查嵌入式系统中 D A 接口的基础知识 D A 转换器是将数据信号转化为模拟信号的接口 是嵌入式系统与外部模拟控制对象的重要控制接 口 其通常由模拟开关 权电阻电路和缓冲电路组成 根据不同的情况 输出的模拟量可以是电流 也可 以是电压 4 2007年年33题题 RS 232C 串行通信总线的电气特性要求总线信号采用 33 33 A 正逻辑B 负逻辑C 高电平D 低电平 B 考查嵌入式系统中串行接口的基本知识 我觉得这是常识性的问题 5 2006年年33 34题题 RS 232标准在初期可以满足人们的要求 但当人们要求以更高的速率传送到更远的距离时 需要有 新的标准 RS 449就是为此目的而设计的 它的标准规格中 RS 422标准是平衡式的 传输一个信号用 两根线 逻辑信号用 33 表示 双线传输的主要优点是 34 33 A 正负5V 以上电平B 正负3V 以上电平 C 两线的电平差D 两线的电平 34 A 冗余可靠B 抗干扰能力强 C 传输线少D 可并行传输信号 C B 考查 RS 422串行通信接口的基本知识 RS 422标准的数据信号采用差分传输方式 即逻辑信号用两条线的电平差表示 使用一对双绞线进 行信号传输 其主要优点是增强了信号的抗干扰能力 6 2006年年35题题 若曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形如图所示 则实际传送的比特串为 35 35 A 011010110B 100101100 C 100100100D 011010011 D 考查计算机系统硬件编码方面的基础知识 详解见 1 2007年25题 7 2006年年36题题 下面关于 PCI 总线的叙述 其中 36 是错误的 36 A PCI 总线支持64位总线 B PCI 总线的地址总线与数据总线是分时复用的 C PCI 总线是一种独立设计的总线 它的性能不受 CPU 类型的影响 D PC 机中不能同时使用 PCI 总线和 ISA 总线 D 考查嵌入式系统中 PCI 接口的基本知识 详见见复习笔记13 在普通 PC 中允许同时使用 PCI 总线和 ISA 总线 这也是常识 8 2006年年37题题 IEEE802 11b 标准定义了使用跳频 扩频技术的无线局域网标准 传输速率为1Mb s 2Mb s 5 5Mb s 和 37 37 A 10Mb sB 11Mb sC 20 Mb sD 54 Mb s B 考查 WLAN 中常用标准的基本知识 详解见复习笔记 硬件抗干扰测试 硬件抗干扰测试 1 形成干扰的3个基本要素 干扰源 传播路径和敏感器件 2 干扰的耦合方式 干扰源产生的干扰信号要通过一定的耦合通道才对系统产生作用 A 直接耦合 最有效的方式是加入去耦电容 B 公共阻抗耦合 C 电容耦合 D 电磁感应耦合 磁场耦合 E 漏电耦合 3 抑制干扰源的技术 尽可能减小干扰源的 du dt 和 di dt 这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则 A 主要通过在干扰源两端并联电容来实现减小干扰源的 du dt B 主要通过在干扰源回路串联电感或电阻及增加续流二极管来实现 di dt 4 切断干扰传播路径的技术 A 充分考虑电源对嵌入式系统的影响 例如给电源加滤波电路或稳压器 B 若微处理器的 I O 口接控制电机等噪声器件 应在 I O 和噪声源之间加隔离 C 晶振与微处理器的引脚尽量靠近 用地线把时钟区隔离起来 晶振外壳接地并固定 D 电路板合理分区 如强 弱信号 数字 模拟信号 E 尽可能将干扰源与敏感元件远离 F 用地线把数字区与模拟区隔离 G 数字地与模拟地要分离 最后再一点接于电源地 H 微处理器和大功率器件的地线要单独接地 以减小互相干扰 I 大功率器件尽可能放在电路板边缘 5 提高敏感元件的抗干扰性能 A 布线时尽量减少回路环的面积 以降低感应噪声 B 电源线和地线要尽量粗 除减小压降外 更重要的是降低耦合噪声 C 微处理器闲置的 I O 口不要悬空 要接地或接电源 D 其他 IC 的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或电源 E 使用电源监控及看门狗电路 可大幅度提高整个电路的抗干扰性能 F 在满足要求的前提下 尽量降低微处理器的晶振和选用低速数字电路 三 真题解析三 真题解析 1 2006年年38题题 电路板的设计主要分为三个步骤 不包括 38 这一个步骤 38 A 生成网络表B 设计印制电路版 C 设计电路原理图D 自动布线 D 见复习笔记1 这是嵌入式硬件设计的常识 2 2006年年39题题 现代电子设计方法包含了可测试设计 其中 39 接口是 IC 芯片测试的标准接口 39 A BISTB JATGC UARTD USB B 见复习笔记6 概念性问题 3 2006年年40题题 多层印制电路板 4层或者4层以上 比双面板更适合于高速 PCB 布线 最主要的原因是 40 40 A 通过电源平面供电 电压更稳定 B 可以大大减小电路中信号回路的面积 C 多层印制电路板工艺简单 D 自动布线更容易 B 可以用排除法 根据常识首先可以排除 C 和 D 见复习笔记7 布线时尽量减少回路环的面积 以降低感应噪声 因此 相比之下 B 选型是最主要原 因 4 2006年年41题题 下面不符合数字电路 或者集成电路 的电磁兼容性设计方法的是 41 41 A IC 的电源及地的引脚较近 有多个电源和地 B 使用贴片元件 不是用插座 C IC 的输出级驱动能力应超过实际应用的要求 D 对输入和按键采用电平检测 而非边沿检测 C 参考郭春柱著的 嵌入式系统设计师案例导学 参考郭春柱著的 嵌入式系统设计师案例导学 数字电路 或集成电路 的电磁兼容性 EMI 设计在进行器件选型时 通常遵循一下原则 1 在满足技术指标前提下 尽量选用低速时钟的 IC 2 所选 IC 的电源及地引脚较近 3 所选 IC 有多个电源及地线引脚 4 所选 IC 的输出电压波动性小 输出级能力不超过实际应用要求 5 所选 IC 的电源瞬态电流 穿透电流 低 6 所选 IC 的输入电容尽量小 7 所选 IC 具有可控开关速率 8 所选 IC 地线反射较低 9 建议在 PCB 上焊接表贴芯片 在 EMC 电路技术方面 通常遵循以下原则 1 对输入和按键采用电平检测 而非边沿检测 2 降低负载电容 以使靠近输出端的集电极开路驱动器便于上拉 电阻值尽量大 3 使用前沿速率尽可能慢而且平滑的数字信号 不超过失真极限 4 在 PCB 样板上 允许对信号边沿速度或带宽进行控制 5 微处理器散热片与芯片之间通过导热材料隔离 并在周围多点射频接地 6 不能在看门狗或电源监视电路上使用可编程器件 7 电路中尽量配置一只高质量的看门狗 8 电源的监视电路要对电源中断 跌落 浪涌和瞬态干扰有抵抗能力 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统概述 1 内核 内核 内核是指操作系统中的一个组件 它包含了 OS 的主要功能 即 OS 的各种特性及其相互之间的依赖 关系 这些功能主要包括 A 任务管理任务管理 对系统中运行的软件进行描述和管理 并完成处理器资源分配和调度 B 存储管理存储管理 提高内存的利用率 方便用户使用 提供足够的存储空间 C 设备管理设备管理 方便设备的使用 提高 CPU 和 I O 设备的利用率 D 文件管理文件管理 解决文件资源存储 共享 保密和保护等问题 注 不同嵌入式操作系统的内核设计各不相同 取决于系统设计和实际需求 2 嵌入式操作系统分类 嵌入式操作系统分类 A 按系统类型 商业系统 专用系统 开源系统 B 按响应时间 硬实时系统 软实时系统 C 按软件结构 单体结构 uCOS 分层结构 MS DOS 微内核结构 Vxworks 3 任务管理 任务管理 1 嵌入式操作系统的任务管理可以分为 嵌入式操作系统的任务管理可以分为 A 单道程序技术 操作系统中 任何时候只能有一个程序在运行 B 多道程序技术 操作系统中 允许多个程序同时存在并运行 2 进程 进程 进程 简单的说 是一个正在运行的程序 进程与程序既有联系又有区别 主要表现为下面结构方面 A 程序由数据数据和代码代码两部分内容组成 它是一个静态静态的概念 而进程是正在执行的程序 它也由两 部分组成 程序程序和该程序的运行上下文运行上下文 它是一个动态动态的概念 B 程序和进程之间并不是一一对应的 一个进程在运行的时候可以启动一个或多个程序 反之 同 一个程序也可能由多进程同时执行 C 程序可以作为一种软件资源长期保存 以文件的形式存放在光盘或硬盘上 而进程则是一次执行 的过程 它是暂时的 是动态的产生和终止 一个进程至少应包括三个方面 相应的程序 相应的程序 CPU 上下文 一组系统资源上下文 一组系统资源 进程有三个特性 A 动态性动态性 进程是正在运行的程序 而程序的运行状态是不断变化的 B 独立性独立性 进程是系统资源的使用单位 每个进行有自己的运行上下文和内部状态 C 并发性并发性 宏观来看 系统中同时有多个进程存在 它们相互独立地运行 注 对于并发的理解 注 对于并发的理解 在单 CPU 的情况下 所谓的并发性指的是宏观上的并发运行 而微观上还是顺序进行 各个进程轮 流去使用 CPU 资源 在单核 CPU 中 真正的 物理上的 PC 寄存器只有一个 进程在轮流执行的时候 物 理 PC 的取值也在不断变化 而逻辑 PC 其实就是一个内存变量 每个进程都有一个逻辑 PC 当一个进程 要运行的时候 就把它的逻辑 PC 装载到物理 PC 中去 反之 当一个进程暂不运行的时候 就把物理 PC 中的值保存在它的逻辑 PC 当中 3 线程 线程 线程就是进程当中的一条执行流程 进程其实包含两个部分 资源平台和执行流程 线程 在一个进程当中 或者说在一个资源平台上 可以同时存在多个线程 可以用线程作为 CPU 的基本 调度单位 使得各个线程之间可以并发执行 对于同一个进程当中的各个线程来说 他们可以共享该进程 的大部分资源 每个线程都有自己独立的每个线程都有自己独立的 CPU 运行上下文和栈 这是不能共享的 运行上下文和栈 这是不能共享的 4 任务 任务 在嵌入式系统中 任务其实就是线程 它是能够独立运行的一个实体 原因有二 A 任务具有独立的优先级和栈空间 CPU 上下文一般存放在栈空间中 B 任务之间可以很方便地 直接地使用共享的内存单元 而不需要经过系统内核 在多道程序的嵌入式系统中 同时存在着多个任务 这些任务之间的结构一般为层状结构层状结构 存在着父 子关系 父 子关系 当嵌入式内核刚刚启动的时候 只有一个任务存在 然后由该任务派生出所有其他任务 5 任务的创建与中止 教程 任务的创建与中止 教程 P270 任务的创建主要发生在以下三种情形 A 系统初始化 B 任务运行的过程中 C 用户提出请求 从技术的角度来说 实际上新任务只有一种创建的方法 也就是在一个已经存在的任务中 通过调用 相应的系统函数来创建一个新的任务 任务的创建只要有两种可能的实现模型 fork exec 和 spawn 两种模型的差别主要在于内存的分配方 式 内存的分配方 式 A fork exec 模型下 首先调用 fork 函数为新任务创建一份与父任务完全相同的内存空间 然后再调 用 exec 函数装入新任务的代码 并用它来覆盖原有的属于父任务的内容 嵌入式嵌入式 Linux 操作系统操作系统是基于 fork exec 模型的 B spawn 模式下 在创建新任务的时候 直接为它分配一个全新的地址空间 然后将新任务的代码装 入并运行 uCOS 操作系统操作系统是基于 spawn 模型的 任务的中止可能有多种原因 主要有下面三种情况 A 正常退出 B 错误推出 C 被其他任务踢出 在有些嵌入式系统中 尤其是一些控制系统中 它的某些任务被设计为 死循环 的模式 一直循环 下去 不会中止 6 任务的状态 任务的状态 任务有三中基本状态 A 运行状态运行状态 任务占有 CPU 并在 CPU 上运行 B 就绪状态就绪状态 任务已经具备运行的条件 在等待 CPU 空闲 C 阻塞状态阻塞状态 任务因为正在等待某种事件的发生而暂时不能运行 对于就绪状态和阻塞状态 它们的相同之处在于 任务都是处于暂停状态 没有运行 不同之处在于 暂停的原因是不一样的 导致就绪状态的原因是外因 是操作系统的 CPU 正忙 而导致阻塞状态的原因是 内因 是任务自身的问题 任务状态的四种转换关系 A 运行 阻塞运行 阻塞 任务由于等待某个时间被阻塞起来 B 运行 就绪运行 就绪 调度器由于某种原因 例如优先级 选择了另一个任务去运行 C 就绪 运行就绪 运行 CPU 空闲了 处于就绪状态的任务被调度器选中去运行 D 阻塞 就绪阻塞 就绪 任务的等待事件完成 具备了继续运行的条件 7 任务控制块 任务控制块 TCB 任务控制块 TCB 就是在操作系统中 用来描述和管理一个任务的数据结构 系统为每一个任务都维 护了一个相应的 TCB 用来保存该任务的各种相关信息 它的主要内容包括下面几项 A 任务的管理信息任务的管理信息 任务的标识 ID 状态 优先级 调度信息 各种队列指针等 B CPU 上下文信息上下文信息 CPU 各种寄存器当前的值以及逻辑寄存器 C 资源管理的信息资源管理的信息 段表地址 页表地址 根目录 文件描述字等 当需要创建一个任务的时候 就为它生成一个 TCB 并初始化这个 TCB 的内容 当需要中止一个任 务的时候 只要回收它的 TCB 就可以了 7 任务的切换 任务的切换 基本思想基本思想 把当前任务的运行上下文保存起来 并恢复新任务的上下文 任务切换通常有下面的基本步骤基本步骤 A 将处理器的运行上下文保存在当前任务的 TCB 中 B 更新当前任务的状态 从运行状态变为就绪状态或阻塞状态 C 按照一定的策略 从所有处于就绪状态的任务中选择一个去运行 D 修改新任务的状态 从就绪状态变成运行状态 E 根据新任务的 TCB 的内容 恢复它的运行上下文环境 在一个多任务的操作系统中 采用任务队列的方式任务队列的方式来组织它的所有任务 由操作系统来维护一组队列 用来表示系统当中所有任务的当前状态 不同的状态用不同的队列来标志 8 任务的调度 任务的调度 调度器可以看作 CPU 的资源管理者 任务调度的首要问题是 何时进行调度 即调度发生的时机 任务调度的首要问题是 何时进行调度 即调度发生的时机 一般有下面几种情形 A 一个新任务被创建时 需要决定运行新任务还是继续执行父任务 B 一个任务运行结束时 需要从就绪队列中选择某个任务去运行 C 一个任务运行阻塞时 需要选择另一个任务去运行 D 一个 I O 操作完成 任务阻塞结束 立即执行新就绪任务还是继续执行被中断任务 E 一个时钟节拍结束时 需要对就绪任务重新调度 任务调度的第二个问题是 如何调度 即调度方式任务调度的第二个问题是 如何调度 即调度方式 主要有两种方式 A 不可抢占调度方式 例如时间片轮转 B 可抢占调度方式 例如优先级调度 实时操作系统大都采用可抢占调度方式 任务调度的第三个问题是 调度算法 实时操作系统大都采用可抢占调度方式 任务调度的第三个问题是 调度算法 A 先来先服务算法先来先服务算法 按照任务到达的先后次序进行调度 是不可抢占的调度方式 B 短作业优先算法短作业优先算法 各个任务开始执行之前 事先预计好它的执行时间 从中选择用时较短的任务 优先执行 C 时间片轮转算法时间片轮转算法 所有的就绪任务按照先来先服务的原则排成一个队列 在每次调度的时候 把 处理器分派给队列当中的第一个任务 让它去执行一小段时间 在这个时间段里任务被阻塞或由 于其他原因暂停 或者任务的时间片用完了 它会被送到就绪队列的末尾 然后调度器再执行当 前队列的第一个任务 这种算法的优点是各个就绪任务都平均地分配使用 CPU 的时间 每个就 绪任务都能一直保持着活动性 时间片轮转法有一个默认前提 即位于就绪队列中的各个任务是 同等重要的 D 优先级算法优先级算法 给每个任务都设置一个优先级 然后在任务调度的时候 在所有处于就绪状态的任 务中选择优先级最高的那个任务去运行 采用优先级调度算法的一个问题是可能会发生优先级反 转 优先级反 转 教程 P285 出现任务 饥饿饥饿 现象 9 实时系统调度 实时系统调度 对于 RTOS 调度器来说 任务之间的公平性并不是最重要的 它追求的是实时性实时性 A 单调速率调度算法 单调速率调度算法 RMS 任务的优先级与它的周期表现为单调函数的关系 任务的周期越短 优先级越高 任务的周期越长 优先级越低 RMS 假定任务是相同独立的 周期性的 任务在能够在任何 位置被抢占 而实际中的系统 任务之间需要进行通信和同步 这是一种理想的调度方法 实际中并不一 定存在 B 最早期限优先法 最早期限优先法 EDF 根据任务的截止时间来确定其优先级 对于时间限期最近的任务 分配 最高的优先级 当有一个新的任务处于就绪状态时 各个任务的优先级就有可能要进行调整 选择截止时 间最近的任务去运行 10 任务互斥 任务互斥 A 任务之间的关系 相互独立 任务互斥 任务同步 任务通信 B 任务间的互斥 当前已经有一个任务正在访问临界区共享数据 那么其他任务暂时不能访问 C 提出互斥访问的四个条件 a 在任何时候最多只能有一个任务位于它的临界区中 b 不能事先假定 CPU 的个数和系统的运行速度 c 没有任务位于它的临界区中 它不妨碍其他任务去访问临界区资源 d 任何一个任务进入临界区的请求必须在有限的时间内得到满足 不能无限期 D 任务互斥的解决方案 a 关闭中断法 b 繁忙等待法 c 信号量处理 4 存储管理 存储管理 见 嵌入式系统设计师考试复习笔记之存储管理篇 5 设备管理 设备管理 1 设备管理基础 设备管理基础 一个 I O 单元通常由两个部分组成 A 机械部分 I O 设备本身 B 电子部分 设备控制器或设备适配器 硬件寄存器的编址方式有三种 A I O 独立编址独立编址 对于各种设备控制器中的每一个寄存器 分配一个唯一的 I O 端口编号 也叫 I O 端口地址 然后用专门的 I O 指令对这些端口进行操作 这些端口地址构成的地址空间是完全独立的 与 内存地址空间没有任何关系 B 内存映象编址内存映象编址 把各种设备控制器当中的每一个寄存器都映射为一个内存单元 这内存单元专门 用于 I O 操作 端口地址空间与内存地址空间是统一编址的 端口地址空间是内存地址空间的一部分 C 混合编址混合编址 对于设备控制器当中的寄存器采用独立编址的方法 每个寄存器有一个独立的 I O 端 口地址 而对于设备的数据缓冲区 则采用内存映象编址的方法 把他们统一到内存地址空间当中 2 I O 控制方式 控制方式 A 程序循环检测程序循环检测 要一直占用 CPU 浪费 CPU 的时间 B 中断驱动方式中断驱动方式 前后台系统 C 直接内存访问直接内存访问 DMA 控制 减少了中断的次数 3 I O 软件软件 A 中断处理程序中断处理程序 当一个用户程序需要某种 I O 服务时 它会去调用相应的系统函数 而这个函数 又会去调用相应的设备驱动程序 在驱动程序中会启动相应的 I O 操作 并且被阻塞起来 直到这个 I O 操作完成后 产生一个中断程序 并跳到相应的中断处理程序 在这里将会唤醒被阻塞的驱动程序 B 设备驱动程序设备驱动程序 直接同 I O 设备打交道 直接对它们进行控制的软件模块 上层的 I O 软件通过抽 象的函数接口与设备驱动程序打交道 这些接口是标准的 稳定不变的 而硬件设备的具体细节被封装在 设备驱动程序里面 设备驱动程序的管理通过驱动程序地址表来实现 驱动程序表中存放了各个设备驱动 程序的入口地址 可以通过此表来实现设备驱动的动态安装与卸载 C 设备独立设备独立 I O 软件软件 这部分软件在设备驱动程序的上面 是独立的 I O 软件 也是系统内核的一部 分 主要任务是实现所有设备都需要的一些通用 I O 功能 并向用户级的软件提供一个统一的访问接口 D 用户空间的用户空间的 I O 软件软件 大部分的 I O 软件都是包含在操作系统当中的 也有一小部分运行在系统 内核之外 主要可以分为下面两种 a 与用户程序进行链接的库函数 例如 C 语言中与 I O 相关的库函数 b 完全运行在用户空间当中的程序 例如 Spooling 技术 注 注 Spooling 技术技术 Spooling 是 外围设备联机操作 的所写 spooling 技术也叫假脱机技术或虚拟设备技术 它可以把 一个独占的设备转变为具有共享特征的虚拟设备 在多道系统中 对于一个独占设备 专门利用一道程序 来增强该设备的 I O 功能 优点有二 能提供高速的虚拟 I O 服务 能实现对独占设备的共享 6 文件系统 文件系统 1 嵌入式文件系统概述 文件系统 嵌入式文件系统概述 文件系统就是操作系统中用以组织 存储 命名 使用组织 存储 命名 使用和保护保护文件的一套管理机制 常见的嵌入式文件系统有 A FAT VxWorks QNX WindowsCE 等 B NFS 网络文件系统 基于远程调用和扩展数据表示 C FFS 用于 Flash 存储器的文件系统 2 文件和目录 文件和目录 A 当一个文件被创建时 必须给它指定一个名字 用户就是通过文件名文件名来访问这个文件的 B 文件命是一个有限长度的字符串 由两部分组成 文件名文件名和扩展名扩展名 C 文件的逻辑结构主要有三种 无结构 简单的记录结构和复杂结构 现代文件系统通常采用的是 无结构的形式 D 除了文件名之外 操作系统会给每个文件附加一些其他信息 称为文件的属性文件的属性 E 文件的存取方法有两种 顺序存取顺序存取和随机存取随机存取 F 目录也称为文件夹 它是一张表格表格 记录了在该目录下每个文件名和其他的一些管理信息 G 在多级目录结构中 访问文件或目录主要有两种方法 绝对路径名绝对路径名和相对路径名相对路径名 3 文件系统的实现 文件系统的实现 A 数据块 在磁盘中以扇区为单元进行读写操作 对文件系统而言 把磁盘空间划分为一个个大小 相同的块 称为物理块 每个物理块包含若干个连续的扇区 同时把文件的字节流也分成大小相同的逻辑 块 在文件系统内部 以块为单位来进行操作 把每一个逻辑块保存在一个物理块中 B 文件的实现需要解决两个方面的问题 a 如何描述一个文件 b 如何存储一个文件 C 文件控制块 FCB 它是文件的描述方法文件的描述方法 是操作系统为了管理文件而设置的一种数据结构数据结构 里 面存放了与文件有关的所有管理信息 FCB 是文件存在的标志是文件存在的标志 D 文件的物理结构 连续结构 链表结构和索引结构 连续结构连续结构 把文件的各个逻辑块按照顺序存放在若干个连续的物理块当中 主要用于 CD ROM 等一 次性写入的光学存储介质当中 链表结构链表结构 把文件的各个逻辑块依次存放在若干个物理块当中 这些物理块既可以是连续的 也可以 是不连续的 然后在各个块之间通过指针连接起来 前一个物理块指向下一个物理块 从而形成一条链表 带有文件分配表的链表结构带有文件分配表的链表结构 在链表结构的基础上 把每一个物理块当中的链表指针抽取出来 单独 组成一个表格 就是文件分配表 FAT 如果要随机访问文件的地 n 个逻辑块 可以先从 FAT 表中查到相 应的物理块地址 然后根据这个地址直接去访问磁盘 索引结构索引结构 把文件当中每一个逻辑块所对应的物理块编号直接记录在这个文件的文件控制块当中 这 样的文件控制块称为是 I 节点 或索引节点 这样 对于系统中的每一个文件 都有一个自己的索引节点 通过这个索引节点就能够直接实现逻辑块与物理块之间的映射关系 4 目录的实现 目录的实现 A 直接法直接法 把文件控制块的内容直接保存在目录项当中 因此每个目录项就等于某个文件名加上它 的 FCB B 间接法间接法 目录项里面只有文件名和该文件的 FCB 所在地址 不管是那一种类型的实现方法 目录的基本功能都一样 即用户给出一个文件名 就返回相应文件的 FCB 5 空闲空间管理方法 A 位图法 B 链表法 C 索引法 三 真题解析三 真题解析 1 2007年年21 22题题 某系统中有四种互斥资源 R1 R2 R3和 R4 可用资源数分别为3 5 6和8 假设在 T0时 刻有 P1 P2 P3和 P4四个进程 并且这些进程对资源的最大需求量和已分配资源数如下表 所示 那么在 T0时刻系统中 R1 R2 R3和 R4的剩余资源数分别为 21 如果 从 T0时刻开始进程按 22 顺序逐个调度执行 那么系统状态是安全的 21 A 3 5 6和8B 3 4 2和2 C 0 1 2和1D 0 1 0和