电器智能化的关键技术
智能电器中的嵌入式
硬件和软件结构
组员：刘建峰3111160048
由凯3111160004
郎学斌311160028
日期：2012年3月8日
随着嵌入式技术的发展，以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统，成为继互联网技术之后影响人们生活的新技术之一。由于嵌入式系统专用性强、可靠性高、体积小、工艺先进、性能价格比高等突出特点，嵌入式计算机目前被广泛应用于工业控制、医疗、航天、军事、服务领域、智能家电等各类与人们生活息息相关的设备和产品中。
本文针对嵌入式系统在智能电器领域的应用而展开，讨论了智能电器中的嵌入式系统的硬件和软件结构。文章首先简单介绍了嵌入式系统以及其硬件和软件结构的基本知识，在此基础上分别以智能脱扣器中的嵌入式系统IR-OS的应用，嵌入式系统在电能质量在线监测器中的应用以及嵌入式Linux系统在导航仪中的应用为例，分别阐述了智能电器中嵌入式系统的硬件和软件结构。随着技术的发展，传统的只有按钮、开关的电器已不能满足人们的需求，具有用户界面、远程管理、状态监测等功能的基于嵌入式计算机的智能电器必将是未来的发展趋势。
嵌入式系统在智能电器中的应用是其各类应用中十分重要的一个分支，并且有着十分丰富的应用成果。嵌入式系统的软硬件结构是嵌入式计算机的最基本组成，对嵌入式系统的硬件和软件结构有一个基本的了解是十分必要的。
关键词：智能电器；嵌入式系统；IR-OS；嵌入式Linux
摘要............................................................................................................................................. I 目录............................................................................................................................................ I I 第1章绪论. (1)
1.1 嵌入式系统概述 (1)
1.2 嵌入式系统的发展与现状 (2)
1.3 嵌入式系统的应用 (3)
第2章嵌入式系统硬件和软件结构 (4)
2.1 最小系统 (4)
2.2 嵌入式处理器 (5)
2.3 外围电路及外部设备 (7)
2.4嵌入式系统软件结构 (8)
2.5 实时操作系统 (8)
2.6 驱动程序、应用程序及其接口 (10)
2.7 嵌入式系统的设计 (11)
第3章嵌入式系统在智能电器中的应用 (13)
3.1 IR-OS在智能脱扣器中的应用 (13)
3.1.1 实时多任务操作系统IR-OS (13)
3.1.2实时多任务操作系统IR-OS在智能脱扣器中的应用 (15)
3.1.3小结 (17)
3.2 基于DSP的电能质量在线监测器 (18)
3.2.1电能质量在线监测器的硬件结构 (18)
3.2.2电能质量在线监测器的软件结构 (19)
3.2.3小结 (21)
第4章嵌入式导航仪的硬件与软件结构 (22)
4.1 嵌入式导航仪软硬件结构概述 (22)
4.2 嵌入式系统和嵌入式Linux系统 (23)
4.3 嵌入式导航仪的硬件组成 (24)
4.3.1 ARM体系结构与Samsung S3C2410 (25)
4.3.2 内存和FLASH (26)
4.3.3 开发板 (27)
4.4 嵌入式导航仪的Linux系统移植 (28)
4.4.1 交叉编译环境 (28)
4.4.2 Bootloader的移植 (29)
4.4.3 Linux内核的移植 (30)
4.4.4 根文件系统的建立 (32)
4.5 本章小结 (33)
总结 (35)
参考文献 (36)
第1章绪论
1.1 嵌入式系统概述
根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统[1]。
这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。
从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征：
(1)专用性强
嵌入式系统面向特定应用，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统的小型化。
(2)技术融合
嵌入式系统将先进的计算机技术、通信技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
(3)软硬一体，软件为主
软件是嵌入式系统的主体，有IP核。嵌入式系统的硬件和软件都可以高效率地设计，量体裁衣，去除冗余，可以在同样的硅片面积上实现更高的性能。
(4)比通用计算机资源少
由于嵌入式系统通常设计成只完成少数几个任务。设计时考虑到经济性，不能使用通用CPU，这就意味着管理的资源少，其成本低，结构更简单。
(5)具有固化在非易失性存储器中的代码
为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘中。
(6)需专门开发工具和环境
嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
(7)体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强。
1.2 嵌入式系统的发展与现状
随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。综观嵌入式技术的发展，大致经历了4个阶段。
第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。其主要特点是系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，当时在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。
第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点是CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。
第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。
第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。
目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。
1.3 嵌入式系统的应用
嵌入式系统应用领域在非常广泛，涉及电力、网络、信息家电、医疗工业控制、航天、军事等。
智能电器是指能自动适应电网、环境及控制要求的变化,始终处于最佳运行工况的电器[2]。嵌入式系统主要应用于智能电器的监视、控制模块。在智能电网中，利用嵌入式作为通信控制器；在智能断路器、接触器及智能家电中，用作监控器。
第2章嵌入式系统硬件和软件结构
嵌入式系统由硬件和软件组成。嵌入式系统硬件结构的特点是以嵌入式处理器为核心，集成度高。
嵌入式系统的硬件结构为：
(1)嵌入式处理器：嵌入式微处理器、微控制器、数字信号处理器。
(2)外围电路：各式存储器，时钟电路，通信接口电路，调试接口，电源。
(3)外部设备：存储卡、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。
图2.1 典型的嵌入式硬件结构
2.1 最小系统
嵌入式系统的最小系统指基于某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设计（即处理器能够运行的最基本系统）。
最小系统是处理器能够运行的基本系统，是构建嵌入式系统的第一步，然后才可以逐步增加系统的功能，如：外围硬件扩展、软件及程序设计、操作系统移植、增加各种接口等，最终形成符合需求的完整系统。
一个最小系统一般包括以下几个部分：
(1)处理器：对于任何一个计算机系统，处理器都是整个系统的核心，整个系统式靠处理器的指令工作起来的。
(2)内存：一个嵌入式处理器的运行，其指令必须放入一定的存储空间内，运行的时候也需要空间来存储临时的数据，因此内存也是必不可少的。
(3)时钟：处理器的运行时需要时钟周期的，一般来说处理器在一个或者几个周期内执行一条指令。时钟单元的核心是晶振，它可以提供一定频率，处理器使用该频率的时候可能还需要进行倍频处理。
(4)电源和复位：电源是为处理器提供能源的部件，在嵌入式系统中一般使用直流电源；复位电路连接处理器的引脚，实现通过外部电平让处理器复位的目的。
(5)JTAG调试接口：完成软件的下载与烧写。
图2.2 最小系统的组成
2.2 嵌入式处理器
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已超过1000多种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。其特点为：
(1)支持实时多任务
(2)较短的中断响应时间
(3)存储区保护功能
(4)可扩展的处理器结构
(5)较低的功耗
嵌入式处理器主要分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统等4类。
(1)嵌入式微处理器
嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，并在母板上设计了和嵌入式系统相关的功能模块即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路(如存储器的扩展电路，I/O的扩展电路和一些专用的接口电路等)，保证了以低功耗和丰富的资源满足嵌入式应用的特殊要求。
嵌入式微处理器制造商：摩托罗拉、英特尔、IBM、日立、NEC、东芝、AMD、国家半导体、Zilog、IDT、富士通、Atmel、SUN、微系统、夏普、Oki、飞利浦等。主要的嵌入式微处理器包括：IBM PowerPC、Intel Pentium、Motorola 68000、strong ARM、MIPS、AMD X86系列等等。
(2)嵌入式微控制器
嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O 接口、串行口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，约占嵌入式系统70%的份额。
嵌入式微控制器制造商：摩托罗拉、英特尔、英飞凌科技、Atmel、日立、NEC、三菱、东芝、松下、Microchip、富士、飞利浦、德州仪器、三星、三洋、索尼、Oki、凌阳科技等。目前主要的嵌入式微控制器有Inter公司的8051/96系列，Atmel公司的A VR系列，TI公司的MSP430系列等。
(3)嵌入式DSP处理器
DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。
目前最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。
(4)嵌入式片上系统（SOC）
SOC即在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。SOC结合了许多功能模块，将整个系统做在一个芯片上。而以往，这些接口单元都是被独立做成处理芯片的。这样，应用系统电路将变得很简洁，利于减小体积和功耗，提高可靠性。
2.3 外围电路及外部设备
根据外围设备的功能可分为以下5类：存储器、时钟电路、通信接口电路、调试电路、电源。
(1)存储器
存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的功能部件，目前常见的存储设备按使用的存储器类型分为：静态易失型存储器（RAM，SRAM）、动态存储器（DRAM）、非易失性存储器ROM（ROMEPROM，EEPROM，FLASH）及硬盘、软盘、CD－ROM等。
(2)时钟电路
目前所有的处理器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。
(3)通信接口电路
目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，应用最为广泛的接口设备包括：RS-232接口（串口UART）、USB接口（通用串行总线接口）、IrDA（Infra Red Data Association－红外线接口）、SPI（串行外围设备接口）、I2C、CAN总线接口、蓝牙接口（Bluetooth）、Ethernet（以太网接口）、IEEE1394接口和通用可编程接口GPIO。
(4)调试电路
调试与测试接口不是系统运行必须的，但现代系统越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也要重视了。有的处理器内置JTAG调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内部信息。
(5)电源
电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位。设计电源时要考虑电压、电流、功率、安全因素、输出纹波、电磁兼容和电磁干扰、体积限制、功耗限制、成本限制等因素。
外部设备包括存储卡、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。
(6)嵌入式系统软件结构
2.4嵌入式系统软件结构
嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统的出现，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。嵌入式操作系统具有的特点：系统可裁减,可配置；系统具备网络支持功能；系统具有一定的实时性。
按照对实时系统的定义，嵌入式操作系统可分为实时嵌入式操作系统与非实时嵌入式操作系统。
如当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统，但是当设计较复杂的程序时，可能就需要一个操作系统（OS）来管理、控制内存、多任务、周边资源等等。依据系统所提供的程序界面来编写应用程序，可以大大的减少应用程序员的负担。
对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包含四个层面：
(1)驱动程序
(2)实时操作系统（RTOS）
(3)应用程序接口（API）
(4)应用程序
由于硬件电路的可裁减性和嵌入式系统本身的特点，其软件部分也是可裁减的。
2.5 实时操作系统
在实时操作系统中，一个优先级高的任务能够获得立即的、没有延迟的服务，它不需要等候任何其他服务，而且在获得CPU使用权后，可以不间断地执行到任务完毕除非有更高级地任务出现。
系统的正确性不仅取决与执行结果的正确性，更取决于产生结果的时间。实时系统是指一个能够在指定的或者确定的时间内，实现系统功能和对外部或内部、同步或异步事件作出响应的系统。
(1)微内核结构
嵌入式操作系统采用微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件，比如网络功能、文件系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。
一般来说，操作系统内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、管理设备等。但是，一些桌面操作系统，如Windows等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。
(2)任务调度
任务的调度有三种方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。
(a)不可抢占式调度：一个任务一旦获得CPU就独占CPU运行，除非由于某种原因，它决定放弃CPU的使用权；
(b)可抢占式调度：基于任务优先级，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；
(c)时间片轮转调度：当两个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用CPU，直到系统分配的CPU时间片用完。
目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。
(3)硬实时和软实时
多数嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。实时系统可分为硬实时系统和软实时系统。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。
(4)内存管理
一些桌面操作系统使用了虚拟存储器的概念。采用段式管理、页式管理、或
段页式管理。这种存储管理方式占用了较多的系统资源。但是，大多数嵌入式系统不使用虚存技术，对内存的访问是直接的，使用物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对内存空间没有保护，各个进程共享同一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器。
由此可见，嵌入式系统的开发人员必须参与系统的内存管理，对软件中的一些内存操作必须格外小心。
(5)内核加载方式
嵌入式操作系统内核可以在Flash上直接运行，也可以加载到内存中运行。Flash的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到Flash上，系统启动时从Flash 的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。
内核加载方式是把内核的压缩文件存放在Flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快，因为RAM的存取速率要比Flash高。
2.6 驱动程序、应用程序及其接口
除实时操作系统外，嵌入式软件结构还包括：驱动程序、应用程序及其接口（API）。
驱动程序是连接底层的硬件和上层的API函数的纽带，有了驱动程序模块，就可以把操作系统的API函数和底层的硬件分离。硬件的改变、删除或者添加，只需要随之改变、删除或者添加提供给操作系统的相应的驱动程序就可以了。而不会影响到API函数的功能，更不会影响到用户的应用程序。
用户的应用程序建立在系统的主任务基础之上。用户应用程序主要通过调用系统的API函数对系统进行操作，完成用户的要求。
API是一些预先定义的函数，目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件的以访问一组例程的能力，而又无需访问源码，或理解内部工作机制的细节。
在操作系统中提供标准的应用程序接口（API）函数，可以加速用户应用程序的开发，统一应用程序的标准，同时也给操作系统版本的升级带来了方便。在API函数中，提供了大量的常用模块，可以大大简化用户应用程序的编写。
2.7 嵌入式系统的设计
嵌入式系统的设计流程主要包括：系统需求分析、体系结构设计、硬件/软件设计、系统集成、系统测试等五部分。
图2.3嵌入式系统设计流程
(1)系统需求分析
确定设计任务和设计目标，提练设计规格说明书，作为设计指导和验收的标准。系统需求一般包括功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能性需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。
(2)体系结构设计
描述系统如何实现所述的功能性和非功能性需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。
图2.4嵌入式系统结构设计
(3)硬件/软件设计
基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。嵌入式系统设计的大部分工作集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。
硬件构件设计流程：包括硬件构建功能设计；硬件构建详细设计；硬件构建制作；硬件构建单元测试；硬件构建联合测试。
软件构件设计流程：包括软件构件概要设计；软件构件详细设计；软件构件编码实现；软件构件单元测试；多软件构件组合测试。
(4)系统集成
把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。
(5)系统测试
对设计好的系统进行测试，检查是否满足规格说明书中给定的功能要求。针对系统的不同复杂程度，有不同的系统设计方法，比如瀑布设计方法、自顶向下的设计方法、自下向上的设计方法、螺旋设计方法、逐步细化设计方法、并行设计方法等。可根据实际情况和熟悉程度灵活选用。
第3章嵌入式系统在智能电器中的应用
3.1 IR-OS在智能脱扣器中的应用
智能脱扣器是一个典型的实时工业控制系统，它在运行中要保证采样、计算、保护、控制、通信、键盘、显示等诸多任务按时、有序、高效地完成。采用传统的主循环加中断的顺序软件结构设计智能脱扣器软件系统，不但难以保证各个任务对实时性的要求，而且会导致代码复杂度上升，维护工作量增大，因此采用实时多任务操作系统作为平台进行智能脱扣器软件系统的开发[3]。
3.1.1 实时多任务操作系统IR-OS
(1)IR-OS概述
IR-OS是一套采用抢占式优先级调度、功能可裁剪的实时多任务操作系统，它是在uCOS基础上针对工业控制系统进行相应的改进而得到的，能很好地协调系统中所有任务的运行和资源分配，保证了系统的实时性，增强了系统运行的稳定性和可靠性，而且可以方便的进行代码维护和功能扩充。
(2)IR-OS主函数
主函数是系统启动时首先执行的一个函数，图3.1是IR-OS主函数的流程图。在启动RTOS之前，要屏蔽所有中断，并且对全局变量初始化，防止运行中出错；硬件初始化主要包括中断初始化，串口、键盘、显示等设备初始化。RTOS的初始化通过OSInit（）函数调用，为OS分配任务队列、优先级状态表和准备状态表，OS全局变量初始化，并且创建一个空循环任务。接下来，在启动RTOS前创建所有用户任务并置准备态，创建任务时要指定每个任务的优先级、堆栈大小及位置和任务函数入口。调用OSStart（）启动RTOS，从就绪队列中找到优先级最高的任务，作为当前任务执行[4]。
图3.1 IR-OS的主函数流程图
(3)IR-OS任务及任务管理
IR-OS的任务在运行中有5种基本状态：空闲、就绪、运行、阻塞和挂起状态。其状态转换关系图如图3.2。空闲态是没有满足运行条件的状态；就绪态是指任务满足了运行要求，处于等待调度时的状态；挂起态则是指正在运行的任务因为外部中断发生而暂停运行，等待调度状态；阻塞态是运行所需资源被占用或延时等待状态。
图3.2 IR-OS任务状态转换关系
从图中可看出，运行态的任务可以转变为其它各种状态，被阻塞的任务是有限时间等待，如果时间到，运行条件还没有达到，则自动变为空闲态，以防止一个任务无限制的挂起而得不到执行。中断发生时中断任务将打断其它任务的执行而直接运行。系统中所有任务在IR-OS调度下在5种状态间切换，保证优先级高的任务先执行。
(4)IR-OS的任务调度
IR-OS采用抢占式优先权任务调度方式。任务调度在一个任务的完成中断处理结束以及任务被阻塞时执行。任务调度的流程图如图3.3。
图3.3 IR-OS任务调度流程图
只有当中断没有嵌套和调度未被锁定的时候才可以进行正常的调度，调度时首先要得到最高优先级的就绪任务，然后再进行现场的保存和恢复。在IR-OS 中，有些关键操作是不能被打断的，在这些操作代码的前后分别加上关中断和开中断语句，形成临界区。当中断事件发生时，如果当前任务处于临界区，那么系统将不能进行优先级调度，直到运行退出临界区。IR-OS采用抢占式优先级调度方式，很好地满足了智能脱扣器系统对实时性的要求。
3.1.2实时多任务操作系统IR-OS在智能脱扣器中的应用
要基于IR-OS设计智能脱扣器系统软件，首先要对系统所有的功能进行系统分析，根据各个功能的运行特点将所有功能合理分类。
(1)智能脱扣器任务划分
智能脱扣器所有实现的功能可分为保护、计算、显示、键盘、采样、控制和通讯这七类。功能分类如图3.4所示。
图3.4 智能脱扣器的功能划分
可靠的采样是计算、保护等功能的实现基础，因此它的实时性要求最高。保护是断路器基本功能，而如果通讯的实时性得不到保证，会丢失传输数据，所以。保护和通讯功能的实现也应该给予很高的实时性。键盘、显示等模块的实时性要求并不严格。为了提高系统的实时响应性能，采样、保护和通信任务用中断实现，显示和键盘任务的优先级较低。
(2)基于IR-OS的智能脱扣器系统结构
基于IR-OS的智能脱扣器的系统结构图如图3.5所示。
图3.5 基于IR-OS的智能脱扣器系统结构图
其中，硬件系统包括MCU.AD、串口、键盘、数码管、驱动输出等，处于整个系统的底层，是软件系统的运行基础。
一、嵌入式计算机系统体系结构 体系主要组成包括： 1. 硬件层 硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM 、ROM 、Flash 等）、通用设备接口和I/O 接口（A/D 、D/A 、I/O 等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM 中。 软件层功能层
2. 中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。 3. 系统软件层 系统软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 4. 功能层 功能层主要由实现某种或某几项任务而被开发运行于操作系统上的程序组成。 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，而嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。 硬件的设计 本网关硬件环境以单片机S3C2440芯片和DM9000以太网控制芯片为主，
三级嵌入式系统学习总结 一第一章 1.嵌入式系统概论 嵌入式系统中的软件一般都固化在只读存储器中，用户不能随意更改其中的程序功能。 嵌入式系统的逻辑组成：1）处理器2）存储器3）I/O设备与I/O接口4）数据总线5）软件 嵌入式处理芯片有四种类型：1）微处理器2）数字信号处理器3）微控制器（单片机）4）片上系统 微控制器MCU的低端产品并不会因为高端产品的出现而衰落 在32位MCU中，绝大多数使用RAM内核 EDA：电子设计自动化 IP核可以分为三种：软核、硬核、固核 2.嵌入式系统与数字媒体 计算机中常用的最广泛的西文字符及其编码是ASCII字符集和ASCII码，即美国标准信息交换码，共有128个字符，一个字符占一个字节。 我国目前广泛使用的汉字编码国家标准有GB2312和GB18030 GB2312只有6763个汉字，不够用 GB18030字符集与国际标准UCS/Unicode字符集基本兼容。GB18030采用不等长的编码方法，单字节编码表示ASCII码，双字节编码表示汉字，与GB2312保持向下兼容，四字节编码表示其他字符 Unicode最新版本是6.3。UCS/Unicode在计算机中具体实现时采用不同的编码方案，最常用的是UTF-8和UTF-16，UTF-8采用的是单字节可变长编码；UTF-16采用的是双字节可变长编码 文本的类型可以分为简单文本、丰富格式文本、超文本 图像的数据量=图像水平分辨率*图像垂直分辨率*像素深度/8（像素深度指的是每个像素用多少个二进制数来表示） 数字视频的数据量非常大，在进行传输时必须进行压缩，压缩编码标准是国际标准化组织（ISO）制定的，其名称为MPEG。 无线局域网采用的协议主要是IEEE 802.11（俗称WIFI） 3.数字通信与计算机网络 微波是一种300MHz-300GHz的电磁波 计算机网络的组成：1）计算机等智能电子设备2）数据通信链路3）通信协议4）网络软件 以太局域网： 1）发送数据设备必须把要传输的数据分成小块（帧）进行传输，一次只能传输1帧； 2）局域网中的每一个终端都有自己唯一的标识，称为物理地址或MAC地址，在发送的每一帧数据中，必须包含自己的MAC地址和接收终端的MAC地址 3）IP协议定义了主机的概念，所有主机及使用一种统一格式的地址标识，称为IP地址。4）以太局域网大多是由集线器或者交换机组网 计算机网络的类型：1）局域网2）城域网2）广域网 IP地址分为A、B、C三类。 IP是由四段数字组成，共32位，8位一段。 A类IP段0.0.0.0 到127.255.255.255 (0段和127段不使用)
引言 嵌入式系统是以应用为中心，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。本文主要研究了基于SEP3202（内嵌ARM7TDMI 处理器内核）的嵌入式最小系统，围绕其设计出相应的存储器、总线扩展槽、电源电路、复位电路、JTAG、UART等一系列电路模块。 嵌入式最小系统 根据IEEE的定义，嵌入式系统是：控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式最小系统即是在尽可能减少上层应用的情况下，能够使系统运行的最小化模块配置。以ARM内核嵌入式微处理器为中心，具有完全相配接的Flash电路、SDRAM电路、JTAG电路、电源电路、晶振电路、复位信号电路和系统总线扩展等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，可称为嵌入式最小系统。对于一个典型的嵌入式最小系统，以ARM处理器为例，其构成模块及其各部分功能如图1所示，其中ARM微处理器、FLASH和SDRAM模块是嵌入式最小系统的核心部分。 ?微处理器——采用了SEP3203； ?电源模块——为SEP3203内核电路提供2.5V的工作电压，为部分外围芯片提供3.3V的工作电压； ?时钟模块（晶振）——通常经ARM内部锁相环进行相应的倍频，以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入。32.768kHz给RTC和Reset模块，产生计数时钟，10MHz作为主时钟源； ?Flash存储模块——存放嵌入式操作系统、用户应用程序或者其他在系统掉电后需要保存的用户数据等； ?SDRAM模块——为系统运行提供动态存储空间，是系统代码运行的主要区域； ?JTAG模块——对芯片内部所有部件进行访问，通过该接口对系统进行调试、编程等，实现对程序代码的下载和调试； ?UART模块——用于系统与其他应用系统的短距离双向串行通信； ?复位模块——实现对系统的复位；
必读：嵌入式系统基础知识总结 2016-07-22电子发烧友网 本文主要介绍嵌入式系统的一些基础知识，希望对各位有帮助。 嵌入式系统基础 1、嵌入式系统的定义 （1）定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 （2）嵌入式系统发展的4个阶段：无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统阶段、面向Internet阶段。 （3）知识产权核（IP核）：具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（SOC）的基本构件。（4）IP核模块有行为、结构和物理3级不同程度的设计，对应描述功能行为的不同可以分为三类：软核、固核、硬核。 2、嵌入式系统的组成 包含:硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层 （1）硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。 嵌入式核心模块＝微处理器＋电源电路＋时钟电路＋存储器
Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。 （2）中间层（也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP）. 它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。 BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。 设计一个完整的BSP需要完成两部分工作： A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。 片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。 板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。 系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。 B、设计硬件相关的设备驱动。 （3）系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 （4）应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。
《嵌入式系统》试题库 《嵌入式系统》试题库 一、填空题 嵌入式系统的基本定义为：以应用中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适、 1应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从模块结构来看，嵌入式系统由三大部分组成，分别是：硬件、软件和开发平台。、 2从层次角度来看，嵌入式
系统由四大部分组成，分别是：应用软件层、操作系统层、、 3板级支持包（或硬件抽象层） 和硬件层。嵌入式产品的主要度量指标包括：上市时间、设计成本和产品质量。、 4嵌入式系统的设计过程包括：需求分析、规格说明、体系结构设计、构件设计、系统、 5集成和系统测试。需求分析包括：功能性需求分析和非功能性需求分析。 6、确定输入信号是数字信号还 是模拟信号属于功能性需求。 7、确定系统的物理尺寸和重量属于非功能性需求。 8、在嵌 入式系统的设计过程中，其中规格说明解决“做什么”。 9、在嵌入式系统的设计过程中，其 中体系结构设计解决“如何做”。 10、在嵌入式系统的设计过程中，软硬件划分应该在体系结构设计阶段完成。 11、在嵌入式系统的设计过程中，处理器的选择应该在体系结构设计阶段 完成。、 12在嵌入式系统的设计过程中，嵌入式操作系统的选择应该在体系结构设计阶段完成。、13在嵌入式系统的设计过程中，完成原理图设计应在构件设计阶段完成。、 14在嵌入式系统 的设计过程中，完成版图设计应在构件设计阶段完成。、15在嵌入式系统的设计过程中，完 成软件设计应在构件设计阶段完成。 16、反映嵌入式系统设计人员的水平能力主要在于总体 设计（需求分析、规格说明和体系 17、结构设计）和系统调试。设计流程指的是设计过程中所经历的过程步骤。、 18核的模块级重用和基于平台的系统级重用。 IP 设计重用技术主要分为基于19、 软硬件协同设计由系统描述、软硬件划分、软硬件协同综合以及软硬件协同模拟与验 20、证几个阶段组成。嵌入式处理器的分类包括三种，分别是：嵌入式微处理器、微控制器（或单片机）和、21页共页第 1 44 《嵌入式系统》试题库
第一章 1．嵌入式系统的基本含义是什么？为什么说单片机是典型的嵌入式系统？ 答：即MCU的含义是：在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。大部分嵌入式系统以MCU为核心进行设计。MCU从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能很好地满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等方面的要求。因此以MCU为核心的系统是应用最广的嵌入式系统。 2．简述嵌入式系统的特点以及应用领域（举例）。 答：嵌入式系统属于计算机系统，但不单独以通用计算机的面目出现;嵌入式系统开发需要专用工具和特殊方法;使用MCU设计嵌入式系统，数据与程序空间采用不同存储介质;开发嵌入式系统涉及软件、硬件及应用领域的知识;嵌入式系统的其他特点,比如紧张的资源，较高稳定性要求，低功耗，低成本等。 一般用于工业控制，智能家电，日常电子等领域。 日常数码产品：手机，MP3，U盘，相机等。 日常工业类：冰箱，空调，微波炉，汽车等。
3．比较MCU与CPU的区别与联系。 答：CPU是一个单独的PC处理器。而MCU，则有微处理器，存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。所以可以这么说，MCU是一个包含微处理器的嵌入式系统，而CPU紧紧是一个处理器而已。 4. 总结嵌入式系统常用术语。 硬件：封装，印刷电路板，动态可读写随机存储器与静态可读写随机存储器，只读存储器，闪速存储器，模拟量与开关量。 通信：并行通信，串行通信，串行外设接口，集成电路互连总线，通用串行总线，控制器局域网，背景调试模式，边界扫描测试协议，串行线调试技术。 功能模块及软件：通用输入/输出，A/D与D/A，脉冲宽度调制器，看门狗，液晶显示，发光二级管，键盘，实时操作系统。 5．C语言的那些特性使得它成为嵌入式系统中使用频率最高的高级语言。 答：相比底端汇编，更简单易学；与高级语言如（C++，C#，java等）相比，执行效率高，编译后的编码体积小，而且支持好的编译器还支持嵌入汇编代码；对位的操纵能力很强。 6. 举例说明结构体变量类型的定义、结构体变量的声明与使用方法。
《嵌入式系统硬件设计》教程 第十一讲嵌入式硬件体系的调试 编著与讲演:怯肇乾 一.知识准备与上述相关讲义的回顾 知识准备:电路测试、系统的模拟与仿真等; 相关讲义的回顾:CPU器件的模拟与仿真、测量控制电路、系统基础电路。 二.常用电路测试工具及其使用 直流电源 示波器:模拟示波器、数字示波器 多功能数字万用表 逻辑分析仪 三.常用调试手段与技巧介绍 1.用双路直流电源得到正负电源供给 -+-+ 负源 地 正源 2.PCB 板的板级测试 板上各种电源的短路测试;
首次加电测试,各种主要电源测试、主要IC 的运行发热状况观察等; CPU 之时钟电路测试、复位电路测试; 3.模拟信号源的实验板制作 主要是对信号发生器所产生信号的调理,包括缩放、零点调整等; ADJST 321 4 11 DB4A LM 324RB528k RB512k RB541k RB535k CB2104 CB1104 -12V +12V +12V CB31047 CB5104CB6104 4.逐一电路模块的测试:飞线、割线等手段的使用 CPU 之各种外扩存储器测试; CPU之主要外设测试; 系统接口电路、通讯电路测试; 5.模拟干扰、振动实验等可靠性测试
使用可调的模拟干扰仪器、振动器,或自制的相应工具,得到相应的恶劣环境,置所设计系统于其中,进行测试、调整、完善。 四.PC机测试程序及其书写 DOS Debug测试,VB、VC或C++Builder可视化应用测试程序书写等。例: 1.DOS Debug的并口测试: 在DOS或Windows DOS窗口下,可通过Debug软件的I(读或O(写命令对三个寄存器的状态进行观察改写,如: C:\>Debug -O 378 5A -I 378 5A -I 379 78 -O 37a 55 -I 37a 55 2.使用嵌入式汇编语言书写可视化测试程序 下面是用C++Builder书写的ISA收发卡的初始化和收发函数char TForm1::initial(void //ISA卡的初始化函数
（习题解答）第2章嵌入式系统硬件体系结构 1、什么是“握手协议”？试叙述“握手协议”的工作过程。 总线异步时序协议的基本构件是握手协议，所谓“握手”，即当两个设备要通信时，一个设备准备好接收，另一个设备准备好发送。 实现握手功能需要两根信号线，一根表示查询（enq），另一根表示应答（ack）。在握手过程中，有专用的通信线用来传输数据。 握手协议有4个周期，其工作过程的各个阶段说明如下： 周期1：设备1升高输出电平发出查询信号，它告诉设备2应准备监听数据。 周期2：当设备2准备好接收数据时，它升高它的输出电平发出应答信号。这时，设备1和设备2均已准备就绪，并开始发送或接收。 周期3：一旦数据传送完毕，设备2降低它的输出电平，表示它已经接收完数据。 周期4：设备1检测到设备2的应答信号变低，设备1也降低它的输出电平。 在握手结束时，双方握手信号均为低电平，就像开始握手前一样。因此，系统回到其初始状态，为下一次以握手方式传输数据作准备。 2、中断处理经过了哪几个阶段？ 中断处理经过了6个阶段。 （1）禁止其他中断：当发生中断时，嵌入式微处理器将禁止其他中断的产生，以便进行中断处理。 （2）保存上下文：进入处理程序，首先要保存当前模式下没有被自动分组保护的部分寄存器。 （3）中断处理程序：处理程序确定外部中断源，并执行相应的中断服务程序。 （4）中断服务程序：针对中断源的具体要求进行处理，并复位该中断。 （5）恢复上下文：从中断服务返回到中断处理程序后，处理程序负责恢复上下文。 （6）允许新的中断：最后，从中断处理返回，回到被中断的程序继续执行。 3、在嵌入式系统中，JTAG接口有什么作用？ JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。 JTAG除用于电路边界扫描测试之外，还常用于可编程芯片的在线编程。 在嵌入式系统中，通过JTAG接口既可以对目标板系统进行测试，也可以对目标板系统的存储单元（Flash）编程。 4、ARM的设计思想是什么？ 因为对嵌入式系统的应用项目来说，系统的关键并不单纯在于微处理器的速度，而在于系统性能、功耗和成本。因此，ARM微处理器被设计成较小的核，从而延长电源的使用时间。使用高密度代码。一般选用速度不高，成本较低的存储器，以降低系统成本。 5、试叙述嵌入式最小系统的组成，并说明各部件的作用。 嵌入式微处理器芯片自己是不能独立工作的，需要一些必要的外围元器件给它提供基本的工作条件。因此，一个ARM 最小系统一般包括： （1）ARM 微处理器芯片，这是嵌入式最小系统的心脏。 （2）电源电路、复位电路，晶振电路，为嵌入式最小系统提供电源、提供时钟信号及复位。（3）存储器（FLASH 和SDRAM ），微处理器芯片内部没有存储器，需要外扩存储器。
获取更多权威电子书请登录https://www.doczj.com/doc/2116664065.html, ARM嵌入式系统开发综述ARM开发工程师入门宝典
获取更多权威电子书请登录https://www.doczj.com/doc/2116664065.html, 前言 嵌入式系统通常是以具体应用为中心，以处理器为核心且面向实际应用的软硬件系统，其硬件是整个嵌入式系统运行的基础和平台，提供了软件运行所需的物理平台和通信接口；而嵌入式系统的软件一般包括操作系统和应用软件，它们是整个系统的控制核心，提供人机交互的信息等。所以，嵌入式系统的开发通常包括硬件和软件两部分的开发，硬件部分主要包括选择合适的MCU或者SOC 器件、存储器类型、通讯接口及I/O、电源及其他的辅助设备等；软件部分主要涉及OS porting和应用程序的开发等，与此同时，软件中断调试和实时调试、代码的优化、可移植性/可重用以及软件固化等也是嵌入式软件开发的关键。 嵌入式系统开发的每一个环节都可以独立地展开进行详细的阐述，而本文的出发点主要是为嵌入式开发的初学者者提供一个流程参考。因为对于初学者在面对一个嵌入式开发项目的时候，往往面临着诸多困难，如选择什么样的开发平台？什么样的器件类型？在进行编译时怎样实现代码优化？开发工具该如何选择和使用？在进行程序调试时应该注意那些问题以及选择什么样的嵌入式OS 等等。希望通过本文，能帮助初学者了解有关ARM嵌入式系统开发流程。
获取更多权威电子书请登录https://www.doczj.com/doc/2116664065.html, 目录 前言 (2) 1 嵌入式开发平台 (4) 1.1 ARM的开发平台： (4) 1.2 器件选型 (7) 2 工具选择 (11) 3 编译和连接 (13) 3.1 RVCT的优化级别与优化方向 (16) 3.2 Multifile compilation (21) 3.3调试 (22) 4 操作系统 (23) 4.1 哪里可以得到os 软件包 (Open Source and Linux Kernel) (25) 4.2 安装镜像 (26) 4.3 交叉编译 (26) 总结 (27)
本文转自4412开发板实战书籍：硬件介绍 嵌入式系统的硬件除了核心部件——嵌入式处理器外，还包括存储器系统、外围接口部件以及连接各种设备的总线系统。其中，存储器是嵌入式系统存放数据和程序的功能部件，而外围设备决定了应用于不同领域的嵌入式系统的独特功能。 嵌入式处理器是嵌入式系统中硬件的核心组成部分，但是若没有存储器和I/O设备，它就无法具有各种实用的功能。嵌入式处理器通常集成了大量的I/O模块单元(如中断控制器和通信控制器等)和存储器(Flash和RAM等)。当嵌入式处理器上集成的存储器单元和I/O 单元不够时，可以通过扩充组成强大的嵌入式硬件系统。 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为中心，由存储器、I/O单元电路、通信模块、外部设备等必要的辅助接口组成的，如下图所示。在实际应用中，嵌入式系统硬件配置可能非常精简，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路可以根据需要和成本进行裁剪、定制。 在嵌入式系统中使用的存储器可以是内部存储器，也可以是外部存储器。通常处理器的内部存储器是非常有限的。对于小型应用，如果这些存储器够用，就不必使用外部存储器；否则，就必须进行扩展，使用外部存储设备。与通用计算机把应用软件和操作系统放在外存的工作方式不同，嵌入式系统的软件通常直接存放在内存(如Flash)中，上电之后可以立刻运行；当然，也有的嵌入式系统的软件从外存启动、装载并运行。无论如何，需要考虑嵌入式系统的软件的固化问题，而这一问题在通用计算机(如PC机)上开发软件是不需要考虑的。此外，考虑存储器系统时，还需要考虑嵌入式系统软件的引导问题。 嵌入式处理器工作时必须有附属电路支持，如时钟电路、复位电路、调试电路、监视定
一单项选择题 1、单片机是将（ D ）做到一块集成电路芯片中，称为单片机。A．CPU、RAM、ROM B．CPU、I/O设备 C．CPU、RAM D．CPU、RAM、ROM、I/O设备 2、单片机8051的XTAL1和XTAL2引脚是（ D ）引脚。 A．外接定时器 B．外接串行口 C．外接中断 D．外接晶振 3、堆栈数据的进出原则是（ A ） A、先进先出 B、先进后出 C、后进后出 D、进入不出 4、用AT89S51的串行口扩展并行I/O口时，串行接口工作方式选择（ A ）。 A. 方式0 B.方式1 C. 方式2 D.方式3 5、执行子程序返回或中断子程序返回指令时，返回的断点是( C ) A．调用指令的首地址 B．调用指令的末地址 C．调用指令下一条指令的首地址 D．返回指令的末地址 6、AT89S51单片机的( D )口的引脚，还具有外中断、串行通信等第二功能。 A.P0 B.P1 C. P2 D.P3 7、单片机应用程序一般存放在（ B ） A. RAM B.ROM C. 寄存器 D.CPU 8、定时器1工作在计数方式时，其外加的计数脉冲信号应连接到( D )引脚。 A.P 3.2 B.P 3.3 C.P 3.4 D.P 3.5 9、当外部中断请求的信号方式为脉冲方式时，要求中断请求信号的高电平状态和低电平状态都应至少维持( A )。 A.1个机器周期 B.2个机器周期 C.4个机器周期 D.10个晶振周期 10、AT89S51单片机在同一优先级的中断源同时申请中断时，CPU首先响应( A )。 A.外部中断0 B.外部中断1
C.定时器0中断 D.定时器1中断 11、定时器若工作在循环定时或循环计数场合，应选用( C )。 A.工作方式0 B.工作方式1 C.工作方式2 D.工作方式3 12、MCS-51单片机的外部中断1的中断请求标志是( D )。 A.ET1 B.TF1 C.IT1 D.IE1 13、执行中断返回指令，从堆栈弹出地址送给（ C ）。 A. A B. CY C. PC D. DPTR 14、在串行通信中， AT89S51中发送和接收的寄存器是（ B ）。 A.TMOD B. SBUF C. SCON D. DPTR 15、不属于单片机与输入输出设备进行信息交换的方式是（ D ）。 A. 无条件传送方式 B. 查询方式 C.中断方式 D.存储器直接存取方式 16、AT89S51单片机内有(B )个16位的定时/计数器，每个定时/计数器都有( )种工作方式。 A. 4, 5 B. 2, 4 C.5, 2 D.2, 3 17、要使AT89S51能响应定时器T1中断，串行接口中断，它的中断允许寄存器IE的内容应是（A ） A.98H B.84H C.42H D.22H 18、控制串行口工作方式的寄存器是( C ) A.TCON B.PCON C.SCON D.TMOD 19、P1口的每一位能驱动( B ) A.2个TTL低电平负载 B. 4个TTL低电平负载 C.8个TTL低电平负载 D.10个TTL低电平负载 20、下面说法对的是：（ A ） A．74LS373可用于数据锁存器，或地址锁存器 B．74LS373只能用于地址锁存器 C．74LS373只能用于数据锁存器 D．ALE是低电平有效 二填空题 1、嵌入式系统主要由两大部分组成，它们分别是硬件系统和软件系统。
嵌入式系统的定义及特点 定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。 特点：（1）嵌入式系统是面向特定应用的。嵌入式系统中的CPU是专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。 （2）嵌入式系统涉及先进的计算机技术、半导体技术、电子技术、通信和软件等各个行业。是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 （3）嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。 （4）嵌入式系统的生命周期相当长。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。 （5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，必须借助于一套专门的开发工具和环境。 （6）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。 3．与通用计算机相比，嵌入式系统有哪些特点？答：与通用计算机相比，嵌入式系统有以下特点：（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的；（2）嵌入式系统的硬件和软件必须高效率地设计，做到量体裁衣、去除冗余；（3）有实时操作系统的支持；（4）嵌入式系统具有较长的生命周期；（5）嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储在磁盘等载体中；（6）具有专门的开发工具支持。 操作系统在嵌入式系统中所起的作用 EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式系统是以应用为中心，整合了计算机软件、硬件技术，通信技术和微电子技术， 嵌入式操作系统（嵌入式linux学习）的功能 嵌入式操作系统除具备了一般操作系统（嵌入式linux系统）最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下两个方面的功能： 1.构成一个易于编程的虚拟机平台 嵌入式操作系统构成一个虚拟机平台，EOS把底层的硬件细节封装起来，为运行在它上面的软件(如中间件软件和各种应用软件)提供了一个抽象的编程接口。软件开发在这个编程接口的上进行，而不直接与机器硬件层打交道。EOS所提供的编程接口实际上就是操作系统对外提供的系统调用函数。
嵌入式系统硬件设计课程设计报告书 指导老师 学号 院系机械设计制造及其自动化 班级机械电子 完成时间
嵌入式硬件系统设计课程设计报告 摘要 嵌入式系统已经广泛应用于生产生活的方方面面，从电磁炉到机器人控制，从电子玩具到智能手机，都离不开嵌入式系统的应用。本报告主要记录了在《嵌入式硬件系统》课程中的所学所感。 关键词：嵌入式系统，PCB焊接，Altium Designer，51单片机
目录 1概述 (3) 1.1本课程主要教学内容 (3) 1.2 嵌入式硬件系统简介 (3) 1.3 本报告结构安排 (3) 2PCB焊接练习 (3) 2.1元器件符号的认识 (3) 2.1.1了解元器件的尺寸 (3) 2.1.2 常见电路图元件符号 (3) 2.1.3 常见元器件实物 (3) 2.1.4 认识元器件参数 (3) 2.2元器件封装的认识 (3) 2.2.1 实物封装 (3) 2.2.2 封装尺寸介绍 (3) 2.3焊接方法 (3) 2.3.1 焊接工具介绍 (3) 2.3.2 焊接要求 (3) 2.3.3 焊接过程中遇到的问题及解决方法 (3) 3电路原理图设计 (3) 3.1电路功能分析 (3) 3.1.1 51单片机 (3) 3.1.2 LED (3) 3.1.3 外部晶振 (3) 3.1.4 复位电路 (3) 3.1.5 报警器 (3) 3.1.6 CH340G (3) 3.1.7 USB (3) 3.1.8 24C02CT-E (3) 3.1.9 数码管 (3) 3.2原理图设计 (3) 3.2.1 原理图设计软件 (3) 3.2.2 原理图设计要求 (3) 3.3 PCB设计 (3) 3.3.1 原理图导入 (3) 3.3.2 设置PCB尺寸大小 (3) 3.3.3 布局 (3) 3.3.4 布线 (3) 3.3.5 覆铜 (3) 3.3.6 检查 (3) 3.4 设计过程中遇到的问题及解决方法 (3) 4PCB焊接及调试 (3) 4.1 焊接过程中遇到的问题 (3) 4.2调试过程 (3) 4.2.2 调试过程遇到的问题 (3) 5项目任务书 (3) 5.1 任务书 (3) 5.2项目可行性分析 (3)
关键字：嵌入式系统设计 ARM FPGA多功能车辆总线Multifunction Vehicle Bus 在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时，嵌入式系统开发技术也取得迅速发展，嵌入式技术应用范围的急剧扩大。本文介绍了一种基于ARM和FPGA，从软件到硬件完全自主开发多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus)MVB??B嵌入式系统的设计和实现。 系统设计和实现 通常来说，一个嵌入式系统的开发过程如下： 1.确定嵌入式系统的需求； 2.设计系统的体系结构：选择处理器和相关外部设备，操作系统，开发平 台以及软硬件的分割和总体系统集成； 3.详细的软硬件设计和RTL代码、软件代码开发； 4.软硬件的联调和集成； 5.系统的测试。 一、步骤1：确定系统的需求： 嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的，市场应用是嵌入 式系统开发的导向和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需求。 1、MVB总线简介 列车通信网（Train Communication Network,简称TCN）是一个集整列列车内 部测控任务和信息处理任务于一体的列车数据通讯的IEC国际标准 （IEC－61375-1）, 它包括两种总线类型绞线式列车总线(WTB)和多功能车厢总线(MVB)。 TCN在列车控制系统中的地位相当与CAN总线在汽车电子中的地位。多功能车辆总线MVB是用于在列车上设备之间传送和交换数据的标准通信介质。附加在总线上的设备可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它们都和 MVB总线相连，通过MVB总线来交换信息，形成一个完整的通信网络。在MVB系统中，根据IEC－61375－1列车通信网标准， MVB总线有如下的一些特点： 拓扑结构：MVB总线的结构遵循OSI模式，吸取了ISO的标准。支持最多4095个设备，由一个中心总线管理器控制。简单的传感器和智能站共存于同一总线上。 数据类型：MVB总线支持三种数据类型：
1、开发一个嵌入式系统需要软件、硬件及应用领域方面的知识。 2、嵌入式系统一般应用于工业控制、智能充电，日常电子等领域。 3、什么叫上拉电阻与下拉电阻？它们的作用是什么？如何选择上拉电阻与下拉电阻的阻值？哪些情况下使用上拉电阻？哪些情况下使用下拉电阻？答：通俗地说，若MCU的某个引脚通过一个电阻接到电源(Vcc)上，这个电阻被称为“上拉电阻”。与之相对应，若MCU的某个引脚通过一个电阻接到地 (GND)上，则相应的电阻被称为“下拉电阻”；他们使得悬空的芯片引脚被上拉电阻或下拉电阻初始化为高电平或低电平；根据实际情况，上拉电阻与下拉 电阻可以取值在1K Q?10K Q之间，其阻值大小与静态电流及系统功耗相关；当某个引脚需要初始化成高电平时可以通过上拉电阻接电源，当某个引脚要初始 化低电平时可以通过下拉电阻接地。 4、在无操作系统的嵌入式系统软件主程序中使用无限循环的作用是不停地监听任务。 5、在SCI串行通信中，初始化、接收数据和发送数据是三种最基本的操作。 6 S08系列MCU共有多少个中断向量？ 18个 7、PWM产生一个在高电平和低电平之间重复交替的输出信号，这个信号被称为PWM信号，也叫脉宽调制波，通过指定所需的时钟周期和占宽比来控制高电平和低电平的持续时间。 8、通信双方确定是SPI通信时选择时序时，一共有4种时序可以选择，使得双方的时钟相位和时钟极性保持一致。 9、SPI通信时钟传输1位数将至少需要一个时钟周期。 10、根据所拥有接口类型的不同，硬件构件分为：核心构件、中间构件和终端构件这三种类型，其中核心构件只有提供接口，没有需求接口；中间构件既有提供接口，又有需求接口；终端构件只有需求接口，没有提供接口。 11、大部分嵌入式系统以什么为核心进行设计？嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的理器或者单片机组成。 微处12、使用MCU设计嵌入式系统时，数据与程序放在不同的存储介质上，它们分 别存储在什么存储介质上？ ________________ 数据存放在RAM，程序存放在Flash。 13、表征串行通信速度的物理量是什么？ 答：位长(Bit Length)，也称为位的持续时间(Bit Duration )。其倒数就是单位时间内传送的位数。人们把每秒内传送的位数叫做波特率( Baud Rate)。波特率的单位是：位/秒，记为bpS。 14、S CI模块是底层的构件，它主要向上提供三种服务，这三种服务是什么服务？ SCI模块是最底层的构件，它主要向上提供三种服务，分别是SCI模块的初 始化、接收单个字节和发送单个字节，向下则直接访问模块寄存器，实现对硬件的直接操作。另外，从现实使用角度出发，它还需要封装接收N个字节和发送N 个字节的子功能函数。 18、SPI主设备用上升沿发送数据，用下降沿接收数据。 21、在MCU上，集成了那些部件？ Mcu将CPU、存储器、I/O接口等各种功能部件集成在一块晶体芯片上，体积
描述嵌入式系统的几个组成部分的层次结构，并总结他们与开发过程的关系。_百度知道 底层（硬件层）：需要你自己对于硬件相当的了解，能够独立绘制PCB并进行焊接，之后调试板子，做好电路板。比如sc2410,你需要绘制至少四层PCB电路板，其中ARM核心板是最难掌握的部分，外围电路要注意各种走线技巧等等。绘制完PCB之后就需要你的焊接功夫。将元器件焊接在PCB上。最后调试电路板，这是这一层设计中的收尾工作，也是最具有挑战性的工作。调试电路需要大量的经验，对于初学者来说，需要很强的电路知识，对于硬件的性能以及应用要非常了解才行。 中间层（驱动层）：电路板已经有现成的。你需要编程使一个死的板子，活起来，就是把程序下载进去，能叫板子跑起来。这里需要你对于ARM芯片的结构有很好的掌握，要会读芯片资料（datasheet）通常都是英文的。了解其内部资源我们就可以进行驱动编程了。我们平时所使用单片机，一般都是写好的程序，各个管脚在什么时序下输出什么信号（1或0），来操作实现相应借口的外围设备，比如液晶屏、LED灯等。单片机也可以叫做简单的嵌入式。原理相同。ARM也可以向单片机一样使用，但我们更多的是要对ARM加入操作系统的，这才是我们最常说的嵌入式。加入操作系统了以后，芯片对于个个资源的调度有了更系统的统筹规划，可以更充分的利用ARM芯片的系统资源，提高性能，使资源合理分配。而通常的驱动是在操作系统下工作的。比如基于LINUX或WINCE等等下的驱动程序。驱动程序是链接硬件平台和操作系统的纽带，当然编写驱动要同时兼顾操作系统特点和硬件接口的特点。做驱动的开发，需要对于软硬件都要有所了解，其中更偏重操作系统的理解。这部分工作也是最难做的。 上层（应用层）：应用层，即我们所说的软件编程了。就相我们手机里QQ和飞信一样，我们需要根据我们手机的操作系统来编写应用程序。对于各个开发板，我们同样需要根据它里边的系统进行应用开发。这部分，应该是几乎脱离硬件了，我们只需简单的了解硬件即可。我们只需深刻理解操作系统的中各个系统函数和接口函数，即可进行开发。需要很强的C++水平。 以上是我总结出的一些东西，希望对于楼主能有所帮助。
嵌入式硬件电路设计基础知识梳理 嵌入式设计是个庞大的工程，今天就说说硬件电路设计方面的几个注意事项，首先，咱们了解下嵌入式的硬件构架。 我们知道，CPU是这个系统的灵魂，所有的外围配置都与其相关联，这也突出了嵌入式设计的一个特点硬件可剪裁。在做嵌入式硬件设计中，以下几点需要关注。 第一、电源确定 电源对于嵌入式系统中的作用可以看做是空气对人体的作用，甚至更重要：人呼吸的空气中有氧气、二氧化碳和氮气等但是含量稳定，这就相当于电源系统中各种杂波，我们希望得到纯净和稳定符合要求的电源，但由于各种因素制约，只是我们的梦想。这个要关注两个方面： a、电压 嵌入式系统需要各种量级的电源比如常见的5v、3.3v、1.8v等，为尽量减小电源的纹波，在嵌入式系统中使用LDO器件。如果采用DCDC不仅个头大，其纹波也是一个很头疼的问题。 b、电流 嵌入式系统的正常运行不但需要稳定足够的电源，还要有足够的电流，因此在选择电源器件的时候需要考虑其负载，我设计时一般留有30%的余量。 如果是多层板，电源部分在layout的时候需电源分割，这时需要注意分割路径，尽量将一定量的电源放置在一起。如果是双面板，则走线宽度需要注意，在板子允许的情况下尽量加宽。合适的退耦电容尽量靠近电源管脚。第二、晶振确定 晶振相当于嵌入式系统的心脏，其稳定与否直接关系其运行状态和通讯性能。常见的振有无源晶振，有源晶振，首先要确定其振荡频率，其次要确定晶振类型。 a、无源晶振 其匹配电容和匹配电阻的选择，这部分一般依据参考手册。在单片机设计中，经常使用插件晶振配合瓷片电容。在ARM中，为了减少空间和便于布线，经常使用四角无源晶振配
嵌入式系统习题库及答案 二．简答 1．简述Linux在嵌入式系统市场上取得辉煌的成果的原因。 答：广泛的硬件支持内核高效稳定开放源码，软件丰富优秀的开发工具完善的网络通信和文件管理机制 2．简述嵌入式系统平台移植所需要的步骤。 答：硬件平台的移植引导/装载程序的移植（bootloader移植）内核的修改配置编译与移植相关驱动程序的移植文件系统的移植开发环境的移植（GUI库移植）应用程序的移植 3．嵌入式根文件系统的设计目标应该包括哪些方面？ 答：使用简单方便实时响应可伸缩性和可配置性资源有效性安全可靠热插拔、在线更新4．简述Linux支持的硬件设备种类和Linux操作系统下的主要的设备文件种类。 答：主要硬件设备种类：字符设备、块设备和网络设备。主要设备文件种类：字符设备、块设备。5．arm系列处理器arm7tdmi中的tdmi四个字母的含义。 答： T功能模块表示16位Thumb，可以在兼顾性能的同时减少代码尺寸。M功能模块表示8位乘法器。D 功能模块表示Debug，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描链JTAG，可使CPU进入调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试。 I功能模块表示EmbeddedICE Logic，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中的TAP控制器可接入到边界扫描链。 6.嵌入式系统发展经历了那些阶段，有什么特点？ 答：(1)萌芽阶段编程语言：汇编语言 操作系统：无 硬件处理器：单芯片可编程控制器件8位MCU，DSP（单片机） （2）简单系统阶段编程语言：汇编语言 操作系统：无 （3）RTOS阶段：编程语言：汇编语言，c，c＋＋ 操作系统：VxWorks，QNX,pSOS 硬件处理器：32位嵌入式处理器（ARM) （4）网络化阶段编程语言：汇编语言，c，c＋＋，Java 操作系统：VxWorks，QNX,pSOS，Linux 硬件处理器：高性能嵌入式处理器，SOC 7.嵌入式系统的设计方法和过程与传统的单片机开发有什么不同？ 答：学习方法不同 单片机学习一般从硬件入手，从硬件体系结构、汇编语言到硬件设计、软件设计；嵌入式系统学习可以从软件入手，从应用层编程到操作系统移植、硬件平台设计较好，按单片机设计的学习流程较难掌握硬件处理能力 有无操作系统 系统开发方法：嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用软硬件流水设计 嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同8.简述哈佛体系结构和冯诺依曼体系结构的不同点。 答：哈佛体系结构的要点是： （1）使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理； （2）具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；（3）两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。
第一章嵌入式处理器 1嵌入式系统的概念组成： 定义：以应用为主，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，满足系统对功能、性能、可靠性、体积和功耗有严格要求的计算机系统。 组成：硬件：处理器、存储器、I / O设备、传感器 软件：①系统软件， ②应用软件。 2.嵌入式处理器分类特点： 分类：①MPU（Micro Processor Unit）微处理器。一块芯片，没有集成外设接口。内部主要由运算器，控制器，寄存器组成。 ②MCU（Micro Controller Unit）微控制器（单片机）。一块芯片集成整个计算机系统。 ③EDSP（Embled Digital Signal Processor）数字信号处理器。运算速度快，擅长于大量重复数据处理 ④SOC（System On Chip）偏上系统。一块芯片，内部集成了MPU和某一应用常用的功能模块 3.嵌入式处理器与通用计算机处理器的区别： ①嵌入式处理器种类繁多，功能多样 ②嵌入式处理器能力相对较弱，功耗低 ③嵌入式系统提供灵活的地址空间寻址能力 ④嵌入式系统集成了外设接口 4.①哈佛体系结构：指令和数据分开存储————————（嵌入式存储结构） 特征：在同一机器周期内指令和数据同时传输 ②冯·诺依曼体系结构：指令和数据共用一个存储器——（通用式存数结构） 数据存储结构（多字节）： 大端方式：低地址存高位；小端方式：高地址存高位 6.ARM指令集命名：V1~V8 （ARMV表示的是指令集）
7.ARM内核命名：. 命名规则：ARM｛x｝｛y｝｛z｝｛T｝｛D｝｛M｝｛I｝｛E｝｛J｝｛F｝｛S｝｛x｝——系列（版本） ｛y｝——当数值为“2”时，表示MMU（内存管理单元） ｛z｝——当数值为“0”时，表示缓存Cache ｛T｝——支持16位Thumb指令集 ｛D｝——支持片上Debug（调试） ｛M｝——内嵌硬件乘法器 ｛I｝——内嵌ICE（在线仿真器）——支持片上断点及调试点 ｛E｝——支持DSP指令 ｛J｝——支持Jazzle技术 ｛F｝——支持硬件浮点 ｛S｝——可综合版本 8. JTAG调试接口的概念及作用： ①概念：（Joint Test Action Group）联合测试行动小组→检测PCB和IC芯片标准。（PCB→印刷电路板IC→集成芯片） ②作用（1）硬件基本功能测试读写 （2）软件下载：将运行代码下载到目标机RAM中 （3）软件调试：设置断点和调试点 （4）FLASH烧写：将运行最终代码烧写到FLASH存储器中。 9.GPIO概念：（General Purpose I/O Ports）通用输入/输出接口，即处理器引脚。 10.S3C2410/S3C2440 GPIO引脚 S3C2410共有117个引脚，可分成A——H共8个组，（GPA，GPB，…GPH组） S3C2440共有130个引脚，可分成A——J共9个组，（GPA，GPB，…，GPH，GPJ 组） 11.GPxCON寄存器,GPxDAT寄存器,GpxUP寄存器的功能，各位含义和用法 ①GPxCON寄存器（控制寄存器）——设置引脚功能 →GPACON（A组有23根引脚，一位对应一个引脚，共32位，拿出0~22位，其余没用） （若某一位是）0：（代表该位的引脚是一个）输出引脚 1：地址引脚 →GPBCON——GPH/JCON（用法一致，两位设置一个引脚） 00：输入引脚 01：输出引脚 10：特殊引脚 11：保留不用 GPBCON ②GPxDAT寄存器（数据寄存器）——设置引脚状态及读取引脚状态 若某一位对应的是输出引脚，写此寄存器相应位可令引脚输出高/低电平。 若某一位对应的是输入引脚，读取此寄存器可知相应引脚电平状态。GPBDAT