嵌入式系统硬件组成
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。
嵌入式系统工作原理
嵌入式系统工作原理
嵌入式系统是一种将计算机系统嵌入到其他设备中的系统。
它通常由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括处理器、内存、外设等，而软件部分则负责控制硬件的工作。
嵌入式系统的工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 启动：当嵌入式系统上电时，处理器会从一个固定的地址开始执行代码。
这段代码通常被称为引导程序，它的作用是初始化硬件并加载主要的操作系统或应用程序。
2. 初始化：在引导程序加载完毕后，操作系统或应用程序会被加载到内存中。
此时，系统会执行一系列初始化操作，包括设置默认参数、检测外设以及建立一些必要的数据结构。
3. 运行：一旦系统初始化完成，它将进入到正常的运行状态。
在这个阶段，嵌入式系统会根据预定的任务来处理输入输出、控制外设以及执行算法等。
这些任务可以是实时的，也可以是非实时的，取决于系统的需求。
4. 监测与处理异常：在系统运行的过程中，可能会出现一些异常情况，如外设故障、内存溢出或软件错误等。
嵌入式系统需要具备一定的机制来监测和处理这些异常。
一种常见的方式是使用中断来处理外设的输入输出请求，当发生异常时，中断会被触发，系统将跳转到相应的处理程序进行处理。
5. 关机：当嵌入式系统需要关机时，它会执行一系列关机操作，
包括保存数据、关闭外设和释放资源等。
最后，系统会停止处理器的工作并断电。
总结起来，嵌入式系统的工作原理是通过初始化、运行和处理异常等步骤来实现对硬件和软件的控制和管理。
这种系统可以广泛应用于各种领域，如汽车、家电、医疗设备等。
嵌入式系统的原理和应用
嵌入式系统的原理和应用嵌入式系统是一种计算机系统，它通常是用于控制、监视、数据采集等特定目的的。
与个人计算机和服务器等通用计算机系统不同，嵌入式系统的硬件和软件被特别设计和优化，以适应其特定用途的要求。
本文将介绍嵌入式系统的工作原理和应用领域。
一、嵌入式系统的工作原理嵌入式系统通常由处理器、存储器、输入输出接口电路、外设模块等组成。
其核心是处理器，嵌入式系统所用的处理器性能越来越强大，从较老的8位、16位微控制器到现在的ARM Cortex-A 系列、RISC-V等高性能嵌入式处理器。
嵌入式系统可分为硬件和软件两个方面。
嵌入式硬件和通用计算机硬件类似，都由处理器、存储器、I/O模块等部件组成。
相比通用计算机硬件，嵌入式系统硬件的主要特征是小巧、低功耗，通常单板上能整合处理器、存储器、外设模块以及工业标准I/O接口。
嵌入式软件通常是裁剪优化过的，因为嵌入式系统的存储器容量有限，CPU速度也低于PC等通用计算机，所以软件需要更少的计算成本。
通常情况下，嵌入式软件是为相应硬件设计的，并通过编程语言(如C/C++)来进行编写。
嵌入式系统的软件基本上由一个实时操作系统（RTOS）和应用程序组成，RTOS通常是实时性高、稳定性好的嵌入式系统操作系统，常见的RTOS产品有uC/OS、FreeRTOS等。
嵌入式系统使用可升级的固件，这种固件是在嵌入式系统启动时加载到处理器的固定内存区域。
由于它是硬件的一部分，因此它对CPU运行的速度、可靠性和稳定性都有重要影响。
固件可以像软件一样升级，因此在需要升级时，制造商可以通过远程升级(OTA)来即时更新固件软件。
二、嵌入式系统的应用领域近年来，嵌入式系统在各种领域广泛应用，包括飞行器、工业控制、医疗设备、智能家居、汽车电子、IoT等等。
下面简单介绍一些典型的应用领域。
1. 工业自动化嵌入式系统在工业控制、机器人、智能制造等领域得到广泛应用，可以实现工厂资产管理、自动化生产线、产品检测和数据采集等功能。
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。
嵌入式之硬件组成
嵌入式硬件组成1、嵌入式系统一般由三个部分组成：嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统、嵌入式系统应用软件。
嵌入式硬件平台：包括处理器，存储器（RAM/ROM），输入/输出设备、辅助系统等；嵌入式操作系统：嵌入式硬件平台上运行的操作系统；嵌入式系统应用软件：用于实现具体业务逻辑功能的各种软件；2、RISC（Reduced Instruction Set Computing ）精简指令集采用固定长度的指令格式，指令规整，简单，基本寻址方式有2-3种；使用单指令周期，便于流水线操作；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率；所有的指令都可以根据前面的执行结果决定是否被执行，提高指令执行效率可用加载/存储指令批量传输数据，提高数据的传输效率；可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理，在循环处理中使用地址的自动增减来提高效率；3、操作系统的五大管理功能处理机管理：合理安排和调度每个进程占用CPU的时间，以保证多个作业的完成和CPU效率的提高，使用户等待的时间最少；存储管理：合理分配内存，使各个作业占用的内存区不发生冲突，不相互干扰，并且可对内存进行扩充；文件管理：完成文件的存取和对文件进行管理；设备管理：当用户程序要使用外部设备时，由它控制（或调度）驱动程序使外部设备工作，并随时对该设备进行监控，，处理外部设备的中断请求等；作业管理：用户为完成一个任务而要求计算机所做的全体工作成为一个作业。
作业管理包括作业的调度、控制、处理和报告；4、嵌入式硬件架构主要包括处理器、寄存器、I/0接口和外设电路JTAG：（Joint Test Action Group），联合测试行动小组，主要用于芯片内部测试，也用于实现ISP（In-system Programmer）在系统编程，对Flash等器件进行编程；JTAG程序的下载和调试：一是将程序（二进制代码）烧写到系统的Flash 中；二是将程序载入到嵌入式系统的ARM,可以直接在ARM中运行程序；DMA：（Direct Memory Access），直接存储器访问；全部存取系统分为四级：寄存器组，高速缓存，内存和外存；RAM：（Random Access Memory），高速存取，读写时间相等且与地址无关，可对任何存储单元进行读写操作，断电后其中信息不保存，常用来存放操作系统、各种运行的软件、输入输出数据、中间结果及外存交换信息、常说的内存主要指RAM；ROM：（Read Only Memory），只读存储器，断电后信息不丢失，存取速率比RAM低，且不能改写，一般用于存储固定的系统软件和字库；SRAM：（Static RAM），静态RAM；DRAM：（Dynamic RAM），动态RAM UN-EPROM：紫外线可擦可编程；EEPROM：电可擦可编程；Flash Memory：闪速存储器，不加电情况下能够长期保存信息，又能在线快速进行擦除、重写。
嵌入式系统体系结构
嵌入式系统体系结构嵌入式系统体系结构：嵌入式系统的组成包含了硬件层、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。
嵌入式芯片体系结构介绍1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。
它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。
但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。
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。
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➢ 在编程和作业过程中，应便于人与机器人之间进行信息交换。 ➢ 能与传感器进行信息交互，以此来控制程序的流程。
Task specification
{face 3}
{Block 2}
{Block 3}
{face 1}
{Block 1} {Table}
{Block 3}
{Table}
{Bloclock1-face1 AGAINST Table) (Block1-face3 AGAINST Block2-face1) (Block3-face1 AGAINST Table)
9
8.1.1 Requirements to Robot Programming
Flow of execution
➢ 允许用户执行测试、分支、循环、调用子程序以及中断等流程。
Programming environment
➢ 包含断点调试功能，以及典型的编程支持（如文本编辑、调试程 序和文件系统等）。
8.1.1 Requirements to Robot Programming 对机器人编程的要求
World modeling 能够建立世界模型
Task specification 能够描述机器人的作业
Motion specification 能够描述机器人的运动
Flow of execution 允许用户规定执行流程
用AL语言（控制机械手garm）： move garm to goal1; move garm to goal2 linearly; move garm to goal3 via via1;
8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages
由于机器人的控制装置和作业要求多种多样，国内外 尚未制订统一的机器人控制代码标准，所以编程语言 也是多种多样的。
Ch.8 Robot Programming
5
8.1 Requirements to Robot Programming & Type of Languages 机器人编程要求和语言类型
Ch.8 Robot Programming
3
Contents
Requirements and Language Types to Robot Programming
Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary
Fundamentals of Robotics
2
Questions
According to level of task description, how many categories can robot programming languages be split into? List out several commonly used robot programming languages. Comparison between off-line programming and teach by showing.
World modeling
z {Fixture}
{Pin-grasp} z
z
y
{Feeder}
y xx y
x
z {Table}
x
y
8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages
7
8.1.1 Requirements to Robot Programming
Programming environment 要有良好的编程环境
Sensor integration 需要人机接口和综合传感信号
8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages
6
8.1.1 Requirements to Robot Programming
8
8.1.1 Requirements to Robot Programming
Motion specification
例. 机械手运动如下：(1)移至位置“goal1”；(2)再以 直线移至位置“goal2”；(3)不停顿地移动经过“via1” ，到达停止位置“goal3”。
用VAL-II语言： move goal1 moves goal2 move via1 move goal3
(bS) tate B
(Block1-face1 AGAINST Table) (Block1-face3 AGAINST Block2-face1) (Block2-face3 AGAINST Block3-face1)
8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages
Ch.8 Robot Programming
4
Ch.8 Robot Programming
机器人编程语言是一种程序描述语言，它能十分简洁 地描述工作环境和机器人的动作，能把复杂的操作内 容通过尽可能简单的程序来实现。
机器人编程语言也和一般的程序语言一样，应当具有 结构简明、概念统一、容易扩展等特点。
机器人学基础
第八章 机器人编程
Fundamentals of Robotics
Ch.8 Robot Programming
中南大学 蔡自兴，谢 斌 zxcai, xiebin@
2010
Fundamentals of Robotics
1
Review
General Considerations in Trajectory Planning Interpolated Calculation of Joint Trajectories Planning of Cartesian Path Trajectories Real Time Generation of Planning Trajectories