计算机三级嵌入式知识点讲解.docx
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计算机三级嵌入式知识点讲解
一、嵌入式系统开发的基础知识
1.嵌入式系统的特点、分类、发展与应用,熟悉嵌入式系统的逻辑组成。
(1)特点:
专用性
隐蔽性(嵌入式系统是被包装在内部)
资源受限(要求小型化、轻型化、低功耗及低成本,因此软硬件资源受到限制)
高可靠性(任何误动作都可能会产生致命的后果)
软件固化(软件都固化在只读存储器ROM中,用户不能随意更改其程序功能)
实时性
(2)逻辑组成
硬件:
1)处理器(运算器、控制器、存储器)
目前所有的处理器都是微处理器中央处理器(CPU)和协助处理器(数字信号处理器DSP、图像处理器、通信处理器)
2)存储器(随机存储器RAM和只读存储器ROM)
RAM分为动态DRAM和静态SRAM两种。
DRAM电路简单、集成度高、功耗小、成本低,但速度稍慢慢;SRAM电路较复杂、集成度低、功耗较大、成本高,但工作速度很快,适合用作指令和数据的高速缓冲存储器
RAM当关机或断电时,其中的信息都会消失,属于易失性存储器
ROM属于不易失性存储器。
分为电可擦可编程只读存储器(存放
固件)和闪速存储器(FlashROM简称内存)。
内存的工作原理:
在低
压下,存储的信息可读但不可写,这类似于ROM;在较高的电压下,
所存储的信息可以更改和删除,这有类似于RAM。
3)I/O设备与I/O接口
4)数据总线
软件
(3)分类
按嵌入式系统的软硬件技术复杂程度进行分类:
1)低端系统采用4位或8位单片机,在工控领域和白色家电领域占主导地位,如计算器、遥控器、充电器、空调、传真机、BP机等。
2)中端系统采用8位/16位/32位单片机,主要用于普通手机、摄像机、录像机、电子游戏机等。
3)高端系统采用32位/64位单片机,主要用于智能手机、调制解调器、掌上计算机、路由器、数码相机等。
(4)发展
20世纪60年代初,第一个工人的现代嵌入式系统(阿波罗导航计算机)
20世纪60年代中期,嵌入式计算机批量生产
20世纪70年代,微处理器出现
20世纪80年代中期,外围电路的元器件被集成到处理器芯片中,昂贵的模拟电路元件能被数字电路替代
20世纪90年代中期SOC出现,集成电路进入超深亚微米乃至纳米加工时代
2.嵌入式系统的组成与微电子技术(集成电路、EDA、SoC、IP核等技术的作用和发展)
(1)集成电路IC
集成电路的制造大约需要几百道工序,工艺复杂。
集成电路是在硅衬底上制作而成的。
硅衬底是将单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片,它的厚度不足1mm,其直径可以是6、8、12英寸甚至更大这种硅片称为硅抛光片,用于集成电路的制造。
制造集成电路的工艺技术称为硅平面工艺,包括氧化、光刻、掺杂等多项工序。
把这些工序反复交叉使用,最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。
集成电路的特点:
体积小、重量轻、可靠性高。
其工作速度主要取决于逻辑门电路的晶体管的尺寸。
尺寸越小,工作频率就越高,门电路的开关速度就越快。
(2)EDA(电子信号自动化)
(3)SoC芯片(片上系统)
既包含数字电路,也可以包含模拟电路,还可以包含数模混合电路和射频电路。
SoC芯片可以是一个CPU,单核SoC,也可以由多个CPU和/或DSP,即多核SoC。
开发流程:
(1)总体设计可以采用系统设计语言SystemC(或称IEEE1666,它是C++的扩充)或SystemVetilog语言对SoC芯片的软硬件作统一的描述,按照系统需求说明书确定SoC的性能能参数,并据此进行系统全局的设计。
(2)逻辑设计将总体设计的结果用RTL(寄存器传输级描述语言)语言进行描述(源文件)后,在使用逻辑综合将源文件进行综合生成,生成最简的布尔表达式核心好的连接关系(以类型为EDF的EDA工业标准文件表示)
(3)综合和仿真
(4)芯片制造借助EDA中的布局布线工具
(4)IP核
IC设计文件:
逻辑门级,包括各种基本的门电路;寄存器传输级,如寄存器、译码器、数据转换器;行为级,如CPU、DSP、存储器、总线与接口电路等。
核库中的设计文件均属于知识产权IP保护的范畴,所以称为“知识产权核”或“IP核”。
IP核是开发SoC的重要保证。
按IC设计文件的类型,IP通常分为:
软核、固核、硬核。
IP核的复用可以减少研发成本,缩短研发时间,是实现SoC的快速设计,尽早投放市场的有效途径。
目前主要的CPU内核有ARM、MIPS、PowerPC、Coldfile、x86、8051等。
ARM内核占所有32位嵌入式RISC处理器的90%以上。
3.嵌入式系统与数字媒体(文本、图像和音频/视频等数字媒体的表示与处理)
(1)文本
含义:
在计算机中的文字信息,最常用的一种数字媒体。
字符集及其编码
1)西方字符的编码
ASCII字符集和ASCII编码,基本的ASCII字符集共128个字符,每个字符使用7个二进位制进行编码。
2)汉字的编码
汉子国家编码标准有GB2312和GB18030。
每个汉字用2个字节表示。
GB2312只有6763个汉字,经常不够用。
GB18030字符集与UCS/Unicode字符集基本兼容,采用不等长的编码方法,单字节编码表示ASCII字符,与ASCII码兼容;双字节表示汉字,与GB2312保持向下兼容(即GB2312中有的GB18030字符集都有)
3)UCS/Unicode编码
文本类型
1)简单文本
只能顺序阅读。
2)丰富格式文本
有插图、对文字颜色等定义,调整页面,文本布局,插入声音视频等。
3)超文本
通过超链接实现跳转、导航、回溯等操作
(2)图像
图像获取过程的核心是模拟信号的数字化,处理步骤为:
1)扫描将画面网格化,每个网格为一个取样点
2)分色将每个取样点的颜色分解成三原色
3)取样测量每个取样点的每个分量(基色)亮度值
4)量化把模拟量使用数字量来表示,A/D转换
数字图像的主要参数:
图像大小(水平分辨率*竖直分辨率)、位平面数目、像素深
度、颜色模型
一幅图像的数据量计算公式:
图像数据量=图像大小*像素深度/8
(3)音频/视频
音频/视频信息的数字化,处理步骤为:
1)取样
2)量化
3)编码
数字音频的主要参数:
取样频率、量化位数、声道数目、使用的压缩编码方法、比特率(每秒钟的数据量)
压缩前波形声音的码率(比特率)=取样频率*量化为数*声道数(单位b/s)
压缩后码率=压缩前码率/压缩倍数(压缩比)
4.嵌入式系统与网络通信技术(数字通信与计算机网络,TCP/IP协议,互联网接入技术等)
(1)数字通信
(2)计算机网络
(3)音频/TCP/IP协议
(4)互联网接入技术
二、嵌入式处理器
1.嵌入式处理器的结构、特点与分类(不同类型的典型嵌入式处理器及其特点,嵌入式处理器分类等)
(1)不同内核嵌入式微控制器性能比较
性能内核
51内核
其他8位内核
16位内核
其他32位内核
ARM
Cortex-M内核
处理速度
差
差
一般
好
好
低能耗
好
好
好
差
好
代码密度
差
差
一般
差
好
内存>64KB
差
差
差
好
好
向量中断
好
好
好
一般
好
低中段延时
好
好
好
差
好
低成本
好
好
好
差
好
多供资源
好
差
差
差
好
编译器选择
好
一般
一般
一般
好
软件可移植性
好
一般
一般
一般
好
(2)冯–诺依曼结构和哈佛结构的区别
两者连接CPU程序存储器和数据存储器的方式不同
冯–诺依曼结构CPU程序/数据存储器
哈佛结构程序存储器CPU数据存储器
程序总线数据总线
(3)分类
按指令集分为:
复杂指令集结构CISC和精简指令集结构RISC
按存储机制分为:
冯–诺依曼结构和哈佛结构
按字长分为:
8位、16位、32位、64位结构
按不同内核系列可以分为:
51、AVR、PIC、MSP430、PowerPC、Coldfile、ARM
(4)不同典型内核简介
内核系列
推出公司
内核结构
简单描述
51
Intel
CISC
哈佛结构
8位字长,常用于简单的检测与控制应用领域,最早被称为单片机。
其价格低,应用资料齐全,开发工具便宜,开发周期短,成本低,因此被广泛应用到各个行业。
随着1T改进型51内核的推出,加上许多器件厂家增加了自己的特色组件,51系列还在使用。
AVR
Atmel
RISC
哈佛结构
8位、16位和32位三类字长的微控制器内核,以适应不同应用层次的要求。
主要特点是高性能、高速度、低功耗。
PIC
Microchip
RISC
哈佛结构
8位、16位和32位三类字长的微控制器内核,以适应不同应用层次的要求。
主要用于工业控制,主要优势是针对性强,特别是抗干扰能力强。
MSP430
TI
RISC
冯-结构
16位字长的微控制器区内核,广泛应用于手持设备嵌入式应用系统中,突出特点就是以超低功耗著称全球。
MIPS
MIPS
RISC
哈佛结构
高性能高档次32位和64位处理器内核。
主要特点是适应于高速、大数据吞吐量应用场合
PowerPC
Apple,IBM,Motorola
RISC
哈佛结构
高性能高档次含有32位子集的64位处理器内核。
具有优异的性能、较低的能耗以及较低的散热量。
MC68K
Motorola
RISC
哈佛结构
32位字长的处理器内核,具有超标量的超级指令流水线,性能优异明显,主要用于与高端嵌入式应用领域。
Coldfile
Frescale
RISC
哈佛结构
32位字长的高性能处理器内核,性能优越,集成度高,可用于工业应用领域、消费电子领域、医疗电子领域、测试与测量领域等。
ARM
ARM
RISC
多数为哈佛结构
32位字长的高性能处理器内核,目前嵌入式处理器的领跑者
2.ARM处理器内核的体系结构(工作状态,工作模式,寄存器组织,异常,数据类型与存储格式等)
(1)工作状态
一是ARM状态,二是Thumb指令状态及Thumb-2状态,三是调试状态。
ARM处理器复位后开始执行代码时总是只处于ARM状态,如果需要,可通过下面的方法切换到Thumb状态或Thumb-2状态
ARM状态切换到Thumb指令状态:
通过BX指令,将操作数寄存器的最低位设置为1即可。
如果R0[0]=1,则执行BXR0指令将进入Thumb状态
状Thumb态切换到ARM状态:
通过BX指令,将操作数寄存器的最低位设置为0即可。
如果R0[0]=0,则执行BXR0指令将进入ARM状态。
(2)工作模式(7种)
工作模式
功能说明
可访问的寄存器
CPSR[M4:
M0]
用户模User
程序正常执行工作模式
PC,R14-R0,CPSR
10000
快速中断模式FIQ
处理高速中断,用于高速数据传输或通道处理
PC,R14_fiq-R8_fiq,
R7-R0,CPSR,SPSR_fiq
10001
外部中断模式IRQ
用于普通中断处理
PC,R14_irq-R13_irq,
R12-R0,CPSR,SPSR_irq
10010
管理模式
SVC
操作系统的保护模式,处理软中断SWI
PC,
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