嵌入式硬件组成
嵌入式系统设计师(基础知识、应用技术)合卷软件资格考试(中级)试卷与参考答案(2025年)
2025年软件资格考试嵌入式系统设计师(基础知识、应用技术)合卷(中级)模拟试卷(答案在后面)一、基础知识（客观选择题，75题，每题1分，共75分）1、嵌入式系统通常由哪些部分组成？（）A. 中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出设备B. 中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出设备、电源C. 中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出设备、电源、操作系统D. 中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出设备、电源、网络接口2、嵌入式系统设计时，以下哪种设计方法是最常用的？（）A. 传统的模块化设计B. 面向对象的编程设计C. 面向服务的架构（SOA）设计D. 软件即服务（SaaS）设计3、在嵌入式系统设计中，下列哪个处理器架构最常用于需要高性能与低功耗特性的设备？A. X86B. MIPSC. ARMD. PowerPC4、RTOS（实时操作系统）的主要特征是什么？A. 支持多任务处理B. 提供图形界面支持C. 确保关键任务在规定时间内完成D. 具备网络通讯功能5、以下哪种编程语言通常被用于嵌入式系统开发？（）A. JavaB. CC. PythonD. JavaScript6、嵌入式系统通常由以下几个部分组成，以下哪个不是嵌入式系统的组成部分？（）A. 中央处理单元（CPU）B. 存储器C. 输入/输出接口D. 主板7、在下列存储器中，存取速度最快的是：A. 硬盘存储器B. 内存储器C. 光盘存储器D. 软盘存储器8、下面关于微处理器的叙述中，错误的是：A. 微处理器通常使用单片机集成技术制造B. 它至少具有运算和控制功能，但不具备存储功能C. Pentium处理器是当前PC机中使用的微处理器之一D. 它用作嵌入式系统的中央处理器9、嵌入式系统中的中断服务程序（ISR）通常具有哪些特点？10、以下哪个不是嵌入式系统中的实时操作系统（RTOS）的特点？11、下列哪项不属于嵌入式系统的硬件组成部分？A、微处理器B、存储器C、操作系统D、输入/输出接口12、嵌入式系统的设计过程中，功耗是一个重要的考虑因素。
1.嵌入式系统组成简介
串口4
串口1
串口2
设备
1）嵌入式系统硬件系统
嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器 为核心，配臵必要的外围接口部件。在嵌 入式系统设计中，应尽可能选择适用于系 统功能接口的SoC/SOPC芯片，以最少的外 围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系 统的特殊要求。 一般包括有 ：嵌入式处理器; 存储器; I/O系统和外设。
硬件抽象层
是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一
层抽象，实现基本的IO操作。 所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不 是设备的管理逻辑。 每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件 抽象层是对这些端口（设备）操作的基本抽象， 为驱动程序管理这些设备提供接口。上层驱动程 序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就 可以操作这些设备。
2）板级支持包BSP
BSP主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器 的函数包，从而实现对操作系统的支持。不同操作 系统有不同的板级支持包。具体完成如下二方面的 功能： ①在系统启动时，完成对硬件的初始化。如对设备 的中断、CPU的寄存器和内存区域的分配等进行操作。 ②为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一 编址的，则可以直接在驱动程序中用C语言的函数进 行访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函 数进行访问。BSP就是为上层的驱动程序提供访问硬 件设备寄存器的函数包。
（3）中间层（驱动层软件）
使用任何外设都需要有驱动程序的支持， 驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数， 如初始化、中断响应、发送、接收等，而且 还要提供完备的错误处理函数。中间层为上 层软件提供了设备的操作接口。上层程序只 需调用驱动程序提供的接口，而不用理会设 备具体的内部操作。 驱动层软件（中间层）将系统软件与底 层硬件部分进行了隔离，使得系统的底层设 备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象 层HAL和板级支持包BSP。
《嵌入式硬件基础》PPT课件
把一些原来由软件实现的、常用的功能改用 硬件的〔微程序〕指令系统来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格 式不固定，指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自存放器， 也可来自存储器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一 个微指令序列 CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
指令使用频度不C均IS衡C。的主要缺点
高频度使用的指令占据了绝大局部的执行时间，扩 大的复杂指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺
VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联 逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用 反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢 5-10倍)。
取指
时间
译码 取指
执行add
译码 执行sub
取指
译码 执行cmp
指令流水线—以ARM为例
为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线. 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。
ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC2
PC - 8 PC - 4
Decode Execute
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系构造
地址
指令存放器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
地址
CPU
数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
嵌入式硬件平台
第3章 嵌入式硬件平台 嵌入式处理器上旳定时器/计数器一般具有下列功能：
(1) 嵌入式操作系统旳任务调度，尤其是具有时间片轮转 调度功能旳嵌入式操作系统旳任务调度，必须使用定时器产生 时间片。
(2) 嵌入式操作系统旳软件时钟需要基于硬件定时器产生 定时信号。
(3) 通信电路旳波特率发生器。
(4) 实时时钟电路。
使用这么旳总线配置主要考虑到下列几种原因：
(1) 高速总线一般提供较宽旳数据连接。
(2) 高速总线一般要更昂贵旳电路和连接器，能够经过使 用较慢旳、比较便宜旳总线来降低低速设备成本。
(3) 桥允许总线独立操作，所以能够在I/O操作中提供并 行性。
在高速总线和低速总线之间旳总线桥是高速总线旳受控器， 是低速总线旳主控器。桥从高速总线上获取指令并将其传到低 速总线，将成果从低速总线传到高速总线上。
第3章 嵌入式硬件平台 图3-10 分级存储器系统
第3章 嵌入式硬件平台
1、寄存器组是最高一级旳存储器，一般是微处理器内含旳。 2、高速缓冲存储器(Cache)。其存取速度足以与微处理器相匹 配。一般透明使用。可降低内存平均访问时间。 3、内存。运营旳程序和数据都放在内存中。分RAM和ROM。 4、大容量旳外存。目前嵌入式系统中常用闪存作为大容量硬 盘存储多种程序和数据。
第3章 嵌入式硬件平台 图3-14 定时器/计数器旳内部构造
第3章 嵌入式硬件平台
3.5.2 模/数转换器和数/模转换器 模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器是非数字设备(即
模拟信号源)和嵌入式系统之间联络旳接口。 D/A转换相对简朴，转换器接口仅涉及数据值，输入值被
连续转换成模拟信号。
第3章 嵌入式硬件平台 图3-9 ARM AMBA总线系统
第2章 嵌入式系统硬件开发平台(新)1
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嵌入式系统及其应用
在32位RISC芯片中占据了领导地位。
合作伙伴包括了许多世界顶级的半导体公 司
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i.MXL/MX21
LPC2000/300 0
PXA255/270
S3C2410/2440
AT91RM9200
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嵌入式系统及其应用
而且ARM体系还采用了一些特别的技术，在保证高 性能的同时尽量减小芯片的体积，降低芯片的功 耗。这些技术包括： 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元 处理和移位处理。 MOV R0，R1，LSL #3 //R0=R1<<3 使用地址自动增加（减少）来优化程序中循环处 理。 LDR R0，[R1，R2，LSL #2] //将内存单元（R1+（R2<<2)）中的数据读取到 R0中，同时R1=R1+（R2<<2)
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嵌入式系统及其应用
3、JTAG接口
• 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。
嵌入式系统及其应用
• 我们经常用简易 JTAG接口直接烧写 嵌入式系统Flash存 储器。这种烧写方式 是通过一根并口电缆 和一块信号转换集成 电路板以建立PC机与 开发板之间的通信。
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嵌入式系统及其应用
2、嵌入式系统中的存储设备
（1）RAM、SRAM、DRAM • RAM即是我们通常所说的内存。RAM又可 分为SRAM（静态存储器）和DRAM（动 态存储器）。 （2）Flash • Flash是一种非易失闪存，它具有和ROM 一样掉电后数据不会丢失的特性。Flash是 目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器， 它的主要特点是按整体/扇区擦除和按字节 编程，具有低功耗、高密度、小体积等优 点。
嵌入式系统的分类
嵌入式系统的分类1、以硬件划分1.1嵌入式微控制器(Microcontrol lerUnit，也称MCU)单片机就属于嵌入式微控制器，单片机机心由ROM(或EPROM)、总线、总线逻辑、定时器(或计数器)、Watch Dog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等组成，它属于单片式设计，体积小、功耗低、成本小、可靠性高的特点，该类型的品种、数量都是最多的，目前嵌入式系统中，MCU在70年代就已经研制出来，但由于以上的特点，直到现在，它依然占有70%的市场份额。
1.2嵌入式微处理器(MicroProcessor Unit，又称MPU)嵌入式微处理器是根据计算机的CPU演变来的，然而与计算机处理器不同的是，它要求性能高、功耗低、体积小、成本小、重量轻、可靠性高的特点，以满足嵌入式环境下的特殊需求，如ARM系列广泛应用于手机终端，PowerPC系列广泛应用于航空系统。
1.3嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor，又称EDSP)DSP的算法理论在70年代就已经出现，那时还没有专门的DSP 处理器，只能用MPU的分立元件实现，然而处理的速度无法满足DSP算法要求，1982年，首枚DSP处理器诞生，它是专门用于处理信号的处理器，以信号处理的特殊要求在系统结构处理、算法上进行专门设计的处理器，它具有很高的编译效果与执行速度的功能。
80年代中期，诞生出基于CMOS工艺的DSP处理器，它的储容量和运算速度与前代相比都有飞跃性的提高、现在随着DSP处理器的不断发展，它的集成度更高、应用范围更广。
1.4嵌入片上系统(SystemOnChip，又称SOC)嵌入片上系统追求包容性最强的集成器件，它使现了软硬件无缝结合，在处理器片上直接嵌入操作系统的代码模块，因此具有很高的综合性。
使用SOC，SOC一般是专用的芯片，它具有系统简洁、体积小、功耗小、可靠性高、生产效率高的特点。
嵌入式系统软硬件架构和开发流程
嵌入式系统软硬件架构和开发流程软硬件架构是嵌入式系统的核心组成部分，它由软件和硬件两部分构成。
软件部分包括操作系统、应用程序和驱动程序等，而硬件部分包括中央处理器、存储器、输入输出接口和外围设备等。
在嵌入式系统中，软硬件之间需要进行紧密的协作，以实现系统的功能需求。
软件通过驱动程序和操作系统的支持，使用硬件提供的接口与外围设备进行通信。
而硬件则通过中央处理器执行软件指令，将结果存储在内存中，或通过输入输出接口与外部设备进行交互。
首先，在需求分析阶段，开发团队需要与用户进行沟通，了解系统的功能需求和性能指标。
然后，根据需求分析结果，确定系统的整体架构和组成部分。
接下来，在系统设计阶段，开发团队将根据需求分析的结果，设计系统的软硬件架构。
在软件设计方面，需要确定操作系统、应用程序和驱动程序的功能和接口，并确定软件和硬件之间的通信方式。
在硬件设计方面，则需要确定中央处理器的型号和频率、存储器的类型和容量、输入输出接口的数量和类型等。
然后，在软硬件开发阶段，开发团队将分别进行软件和硬件的开发工作。
在软件开发方面，需要编写操作系统、应用程序和驱动程序，并进行调试和测试。
在硬件开发方面，则需要进行电路设计、原型制作和测试等工作。
在验证测试阶段，开发团队将对系统进行全面的测试和验证，以确保系统的功能和性能满足需求。
测试的内容包括功能测试、性能测试和稳定性测试等。
最后，在部署维护阶段，开发团队将系统部署到实际的硬件设备中，并进行维护和更新。
维护包括修复系统中的bug、优化系统的性能和功能等。
总之，嵌入式系统的软硬件架构和开发流程是一个高度协同的过程。
软硬件之间需要紧密配合，以实现系统功能和性能的要求。
通过明确的开发流程和合理的架构设计，可以确保嵌入式系统的质量和可靠性。
嵌入式系统原理及应用复习知识点总结
第一章1、嵌入式系统的应用范围：军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制。
2、嵌入式系统定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件与硬件可裁剪，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。
（嵌入式的三要素：嵌入型、专用性与计算机系统）。
3、嵌入式系统的特点：1)专用性强；2）实时约束；3）RTOS；4）高可靠性；5）低功耗；6）专用的开发工具和开发环境；7）系统精简；4、嵌入式系统的组成：（1）处理器：MCU、MPU、DSP、SOC；（2）外围接口及设备：存储器、通信接口、I/O接口、输入输出设备、电源等；（3）嵌入式操作系统：windows CE、UCLinux、Vxworks、UC/OS;（4）应用软件：Bootloader5、嵌入式系统的硬件：嵌入式微处理器（MCU、MPU、DSP、SOC），外围电路，外部设备；嵌入式系统的软件：无操作系统（NOSES），小型操作系统软件（SOSES），大型操作系统软件（LOSES）注：ARM处理器三大部件：ALU、控制器、寄存器。
6、嵌入式处理器特点：（1）实时多任务；（2）结构可扩展；（3）很强的存储区保护功能；（4）低功耗；7、DSP处理器两种工作方式：（1）经过单片机的DSP可单独构成处理器；（2）作为协处理器，具有单片机功能和数字处理功能；第二章1、IP核分类：软核、固核、硬核；2、ARM处理器系列：（1）ARM7系列（三级流水，thumb指令集，ARM7TDMI）;(2)ARM9系列（DSP处理能力，ARM920T）（3）ARM/OE（增强DSP）（4）SecurCone 系列（提供解密安全方案）；（5）StrongARM系列（Zntle产权）；（6）XScale系列（Intel产权）；（7）Cortex系列（A：性能密集型；R：要求实时性；M：要求低成本）3、ARM系列的变量后缀：（1）T：thumb指令集；（2）D：JTAG调试器；（3）快速乘法器；（4）E：增强DSP指令；（5）J：Jave加速器4、ARM{X}{Y}{Z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{S} :x—系列号，y—内部存储管理和保护单元，Z—含有高速缓存。
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SRAM
线性读、写
地固化代码和数据 运行代码 只读数据 运行代码 可读写数据
贵
NOR FLASH
线性读 写需要根据时序
地址数据总线
较贵
SDRAM
线性读、写
特殊内存控制器的支持
便宜
NAND FLASH
根据时序读写
GPIO或者普通总线方式
大规模可读写数据 便宜 不能线性访问
计算机系统的一般运行原理
CPU对内存的对内存的两种基本操作： 取指令 内存 读写内存
指令
地址
数据（只读）
数据（读写）
计算机系统的一般运行原理
程序计数器在系统复 位后，指向的内容是内 存的某一个点区域，处 理器从该处的内存依次 取出指令，然后译码、 执行。处理器在执行完 一条指令之后，将自动 将程序计数器寄存器的 内容增加一个单位，然 后根据其地址自动执行 下一条指令。
地址总线
ROM
RAM
计算机系统的一般运行原理
CPU一般包括控制器、运算器和寄存器。 控制器的功能是控制处理器，如取指令、 译码、执行指令、读写内存等； 运算器主要是在处理器的内部完成运算 （算术运算、位运算）操作，一般只和寄 存器打交道； 寄存器为处理器提供内部的临时存储空间， 它是处理器和内存的媒介。
第2章 嵌入式硬件组成
第2章 嵌入式硬件组成
2.1 嵌入式系统组成原理 2.2 嵌入式最小系统 2.3 嵌入式系统扩展
2.1 嵌入式系统组成原理
计算机系统的一般运行原理 嵌入式系统与通用计算机硬件组成 的异同 嵌入式系统硬件结构
计算机系统的一般运行原理
运算器 数据总线
控制器 CPU 寄存器
嵌入式最小系统的组成
嵌入式系统最小系统组成部分： 处理器 内存 时钟 电源和复位
JTAG接口在最小系统中的应用
主机(PC) RAM
电源 时钟
烧写 ROM\Flash
ROM\Flash
处理器
嵌入式系统
传统最小系统构建方式
JTAG接口在最小系统中的应用
主机（PC） 并口 下载 烧写 调试
嵌入式处理器
无总线扩展的嵌入式处理器的系统
2.2 嵌入式最小系统
嵌入式最小系统的作用 嵌入式最小系统的组成 JTAG接口在最小系统中的应用 实际的嵌入式最小系统
嵌入式最小系统的作用
最小系统是构建嵌入式系统的的第一 步，保证嵌入式处理器可以运作。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。
处理器地址空间 0x0 ROM PC 程序计数器
RAM
IO映射
嵌入式系统与通用计算机 硬件组成的异同
嵌入式系统本质上是计算机系统，但 是具有以下的特点： 集成度高 非标准化 接口非常复杂
嵌入式系统的硬件结构
嵌入式系统硬件结构的特点：以嵌入式 处理器为核心，集成度高。 嵌入式系统的组成结构：处理器（内核 +片内外设）+内存+外围硬件+辅助设备。
网络芯片
通用的TCP/IP协议族 可以使用总线方式扩展 使用中断
USB芯片
主机USB芯片 设备USB芯片
嵌入式系统 USB 设备接口 嵌入式系统 USB 主机接口 嵌入式系统 USB 设备接口
USB主机接口 PC系统
U盘 打印机 扫描仪 等USB设备
USB 主机接口 嵌入式系统
课程结束
嵌入式系统的硬件结构
SRAM\SDRAM\FLASH 网络\USB等
总线
时钟模块 总线控制器 GPIO扩展 内部设备 （GPIO、定时器、中断控制器） 模块外围硬件 CPU 供电模块
嵌入式处理器
带有总线扩展的嵌入式处理器的系统
嵌入式系统的硬件结构
片内 SRAM\FLASH GPIO扩展 内部设备 （GPIO、定时器、中断控制器） 模块外围硬件 时钟模块 CPU 供电模块
JTAG RAM
电源 时钟
ROM\Flash
处理器
嵌入式系统
使用JTAG的最小系统构建方式
实际的嵌入式最小系统
电源与复位
CPU核心
内部内存
时钟电路
时钟控制器
内存控制器
外部内存
嵌入式处理器
最小系统中的各部件
2.3 嵌入式系统扩展
内存类芯片 网络芯片 USB芯片
内存类芯片
芯片种类 读写方式 扩展方式 功能和特点 价格