嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試筆記之基礎(chǔ)知識篇

一、引言

自《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試復(fù)習(xí)筆記之存儲管理篇》在嵌入式在線的博客出現(xiàn)后，意外的得到很多朋友的關(guān)注和評論，收到不少朋友的郵件，問一些有關(guān)考試的問題，希望得到我的復(fù)習(xí)筆記的其他部分。我非常感謝他們，他們的熱切關(guān)注，使我有了繼續(xù)往下寫的無限動力，使我萌生了將我以前的復(fù)習(xí)筆記、考試經(jīng)驗(yàn)結(jié)合大綱教程并重新按《教程》的章節(jié)順序整理一份適合考生復(fù)習(xí)的筆記手冊，筆記后面再分析歷年的真題，按章節(jié)考點(diǎn)找出相關(guān)的考題進(jìn)行分析，希望能和有興趣的人們一起討論討論。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的一天考試分為上午和下午部分，兩部分的考試方式、試題難度、考點(diǎn)分布和復(fù)習(xí)方法都是不同的。這次我們討論的是嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，我本人覺得，這部分出下午大題的可能性不大，主要是分布在上午的75道選擇題之中。

從歷年的真題和考試大綱來看，上午的選擇題主要考查一些基本概念，重要原理的理解，一些關(guān)鍵技術(shù)和一些重要的原理引申出來的簡單計(jì)算。根據(jù)這些考試特點(diǎn)，復(fù)習(xí)的時(shí)候可以采用適當(dāng)?shù)牟呗裕?dāng)然每個(gè)人的方法都是不一樣的，適合自己的辦法才是最好的辦法。方法大家可以自己慢慢去體會，我的也不多說了，通過筆記和真題分析就可以體現(xiàn)處理。對于很多關(guān)鍵的知識點(diǎn)和基本概念，除了記住之外還要徹底理解，否則出題的時(shí)候會進(jìn)行一些變換，或者引申一些計(jì)算，那么就算你知道考那個(gè)考點(diǎn)，可能你也做不好。

在復(fù)習(xí)的過程中，你要記住：你不是要考一個(gè)很高的分?jǐn)?shù)，而是要考一個(gè)通過的分?jǐn)?shù)，在復(fù)習(xí)過程中可以放棄一些內(nèi)容，只要保證在大部分基本概念，關(guān)鍵技術(shù)，重要原理和歷年考點(diǎn)上都把握住，能夠拿到需要的分?jǐn)?shù)就可以了。

二、復(fù)習(xí)筆記

1、嵌入式系統(tǒng)的定義

(1)定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

(2)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的4個(gè)階段：無操作系統(tǒng)階段、簡單操作系統(tǒng)階段、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段、面向Internet階段。

(3)知識產(chǎn)權(quán)核(IP核)：具有知識產(chǎn)權(quán)的、功能具體、接口規(guī)范、可在多個(gè)集成電路設(shè)計(jì)中重復(fù)使用的功能模塊，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)芯片(SOC)的基本構(gòu)件。

(4)IP核模塊有行為、結(jié)構(gòu)和物理3級不同程度的設(shè)計(jì)，對應(yīng)描述功能行為的不同可以分為三類：軟核、固核、硬核。

2、嵌入式系統(tǒng)的組成：硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層

(1)硬件層：嵌入式微處理器、存儲器、通用設(shè)備接口和I/O接口。

嵌入式核心模塊=微處理器+電源電路+時(shí)鐘電路+存儲器

Cache：位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是最近一段時(shí)間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。它的主要目標(biāo)是減小存儲器給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快。

(2)中間層(也稱為硬件抽象層HAL或者板級支持包BSP)：它將系統(tǒng)上層軟件和底層硬件分離開來，使系統(tǒng)上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口開發(fā)即可。

BSP有兩個(gè)特點(diǎn)：硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性。

設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：

A、 嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化和BSP功能。

片級初始化：純硬件的初始化過程，把嵌入式微處理器從上電的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。

板級初始化：包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程，為隨后的系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序建立硬件和軟件的運(yùn)行環(huán)境。

系統(tǒng)級初始化：以軟件為主的初始化過程，進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。

B、 設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。

(3)系統(tǒng)軟件層：由RTOS、文件系統(tǒng)、GUI、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。

RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。

(4)應(yīng)用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成。

3、實(shí)時(shí)系統(tǒng)

(1)定義：能在指定或確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步時(shí)間做出響應(yīng)的系統(tǒng)。

(2)區(qū)別：通用系統(tǒng)一般追求的是系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間和用戶的使用方便;而實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要考慮的是在最壞情況下的系統(tǒng)行為。

(3)特點(diǎn)：時(shí)間約束性、可預(yù)測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。

(4)硬實(shí)時(shí)(強(qiáng)實(shí)時(shí))：指應(yīng)用的時(shí)間需求應(yīng)能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如：航天、軍事。

(5)軟實(shí)時(shí)(弱實(shí)時(shí))：指某些應(yīng)用雖然提出了時(shí)間的要求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境不會造成嚴(yán)重影響，如：監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)。

(6)任務(wù)的約束包括：時(shí)間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。

4、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度

(1)調(diào)度：給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過程。

(2)搶占式調(diào)度：通常是優(yōu)先級驅(qū)動的調(diào)度，如uCOS。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對簡單，可以保證高優(yōu)先級任務(wù)的時(shí)間約束;缺點(diǎn)是上下文切換多。

(3)非搶占式調(diào)度：通常是按時(shí)間片分配的調(diào)度，不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執(zhí)行完畢或自愿放棄，如WinCE。優(yōu)點(diǎn)是上下文切換少;缺點(diǎn)是處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。

(4)靜態(tài)表驅(qū)動策略：系統(tǒng)在運(yùn)行前根據(jù)各任務(wù)的時(shí)間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運(yùn)行時(shí)刻表，指明各任務(wù)的起始運(yùn)行時(shí)刻及運(yùn)行時(shí)間。

(5)優(yōu)先級驅(qū)動策略：按照任務(wù)優(yōu)先級的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。

(6)實(shí)時(shí)任務(wù)分類：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。

(7)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)采集任務(wù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理任務(wù)處理采集的數(shù)據(jù)、并將加工后的數(shù)據(jù)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)管理任務(wù)控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

5、嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)

(1)馮諾依曼結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲空間，程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置，采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序和數(shù)據(jù)的寬度相同。例如：8086、ARM7、MIPS…

(2)哈佛結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲器，每個(gè)存儲器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問，是一種將程序存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、ARM9、ARM10…