北航17系嵌入式系统大纲2014(答案)

1.嵌入式系统目前被大多数人接受的一般性定义是什么？举例说明嵌入式系统的应用。

嵌入式系统是“以应用为中心，以计算机为技术基础，软硬件可裁减，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。

应用：应用极其广泛，例如数字电视、电视盒子、可穿戴设备、智能家电

2.嵌入式系统三要素？

嵌入性（嵌入到对象体系中，有环境要求）、专用性、计算机（实现对象的智能化功能）3.嵌入式系统与单片机的区别？

单片机属于嵌入式系统，但只有嵌入式系统的部分结构和部分功能。

（1）单片机数据处理能力有限、处理速度有限；

（2）单片机不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能；

（3）嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机多采用软硬件流水设计；

（4）嵌入式系统设计核心是软件设计（70%工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。

（5）单片机无网络功能。

4.嵌入式系统与PC机的区别？

（1）嵌入式系统一般专用于特定任务，PC是通用计算机；

（2）嵌入式系统使用多种类型的处理器，系统硬件资源比PC机少的多，但种类远超PC；

（3）嵌入式系统常有实时约束，也有功耗、成本约束，且常在极端环境下运行，故障造成的后果比PC更严重；

（4）嵌入式系统得到多种微处理器体系的支持；

（5）嵌入式系统需要专用工具和方法进行开发设计

5．嵌入式处理器分为哪几类，说明定义及特点？

（1）嵌入式微处理器（MPU），就是和通用计算机的处理器对应的CPU，“增强型”通用微处理器。特点：体积小，功耗低，只保留和嵌入式应用相关的功能，在工作温

度、抗电磁干扰、可靠性等方面功能增强

（2）嵌入式微控制器（MCU），就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，具有各种必要功能和外设。特点：一个系列的MCU具有相同的处理器内核，只不过存储器与外设的配置及封装不同，可以最大限度地和应用需求匹配。

（3）嵌入式DSP，专门用于信号处理方面的处理器。特点：很高的编译效率和指令执行速度，主要用于数字滤波、频谱分析、FFT等方面。

（4）嵌入式SOC，就是追求产品系统最大包容的集成器件。绝大多数系统构件都在一

个系统芯片内部。特点：结构简洁、体积小、功耗低、可靠性高、设计生产效率高（5）嵌入式SOPC，是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。（片上可编程系统）特点：采用超深亚微米工艺技术，使用一个或以上的嵌入式处理器，设计方式灵活，可裁减、可扩充、可升级，具有软硬件在系统可编程的功能。

6．嵌入式实时操作系统的定义、特点和分类？

定义：能够对外部事件做出及时响应的系统。响应时间要有保证

特点：多任务、有线程优先级（是否为进程）、多种中断级别

分类：硬实时操作系统、软实时操作系统

7．嵌入式系统的特点？

（1）是面向具体应用的产品。可以面向某一个领域、某一行业、某一用户的具体产品，不具有通用性，不能独立发展；对功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力等有严格要求

（2）嵌入式软件特征。具有实时性、高质量、高可靠，程序固化；内核小，无系统软件和应用软件的明显区分

（3）需要软硬件开发工具和系统软件

（4）需要应用专家参与开发。一般不是一个独立的应用产品，是某个产品的一部分，需要相应方面的应用专家参与

（5）分散而不垄断（市场）

8．按表现形式和实时性嵌入式系统的分类？

按表现形式：芯片级嵌入、模块级嵌入、系统级嵌入

按实时性要求：非实时系统、软实时系统、硬实时系统

9．软硬件协同设计的目的？其涉及的内容有哪些？

目的：缩短开发周期；取得更好的设计效果；满足苛刻的设计限制；（太长了，这一点不答了）不仅包含芯片本身，还必须包含完整的开发系统和典型应用实例而供应商提供的服务和技术支持也当然成为产品不可分割的一部分。

涉及的内容：系统任务描述；软硬件划分；软硬件协同综合；软硬件协同仿真；与系统设计相关的低压低功耗设计，可测性设计

？？？10．用框图简述嵌入式开发的流程？（第一节）

11．冯·诺依曼结构与哈佛结构的区别？

冯。诺依曼结构：将指令和数据存放在同一片存储空间，统一编址，指令和数据通过同一总线访问；

哈佛结构：是一种并行体系结构，程序和数据存放在不同的存储空间，独立编址，独立访问，与之对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），使数据吞吐量大大提高。

12．嵌入式硬件系统包括那些部分，与一般的计算机处理系统有什么区别？

包含的部分：以嵌入式处理器为核心，主要由嵌入式处理器、存储器、总线、通信接口和I/O设备

区别：嵌入式硬件系统资源比一般的PC系统少的多，单种类远超PC，并且可以灵活地配置

13．总线的定义及主要参数，举至少三个总线例子。

定义：把处理器与存储器、I/O设备相连接的信息通道；是数据、地址和控制信息的公共通路；并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。

主要参数：带宽（最大稳态数据传输率MB/S）、位宽(总线能同时传送的数据位数)、工作时钟频率（MHz）总线带宽= 工作时钟频率* 位宽

例子：PCI 、I2C、CAN、SPI

14．按编程工艺分FPGA分为哪几类，简要说明其各自特点？

（1）熔丝或反熔丝编程器件——Actel FPGA器件。特点：体积小，集成度高，速度高，易加密，抗干扰，耐高温；只能一次编程，设计初期阶段不灵活

（2）SRAM——大多数FPGA。特点：可反复编程，实现系统功能的动态重构；每次上电需重新下载，实际应用需外挂EEPROM来保存程序

（3）EEPROM——大多数CPLD。特点：可反复编程；不用每次上电重新下载，但相对速度慢，功耗较大

15．IP资源复用的定义，IP Core的分类

IP资源复用：在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的部分或全部智力产权内核（IP Core），进行设计、综合和验证，从而加速流片设计过程的设计方法。

IP Core分类：微处理器…、处理器外设…、DSP算法…、通信控制器…、图像处理…16．常见的通信接口有哪些？他们的主要特点是什么？至少举3个接口为例进行描述。

并口：并行传送，速度快，但传送线路长度受限（打印机接口）

串口：RS232C：传输速率低、传输距离近，抗共模干扰能力差。

USB：即插即用，小功率设备可由主机直接供电

Bluetooth：功耗低、世界范围内可用、成本低，但与IEEE802.11b产品互相干扰17．为什么在FPGA中嵌入处理器？

（1）FPGA适用于逻辑控制、接口控制、规则数据处理，设计具有复杂算法和逻辑控制系统时，需要结合使用嵌入式处理器。

（2）将处理器嵌入FPGA能最大限度地提高系统集成度，降低系统设计复杂度，加快上市时间。

（3）对需求变化提供较大的灵活性，无需重做一块新PCB或采用新的处理器就能够对软、硬件进行调试，对变更进行测试。

18．FPGA与CPLD的优点

（1）随VLSI工艺的不断提高，FPGA/CPLD芯片规模越来越大，其单片逻辑门数可达到上百万门，所能实现的功能也越来越强，同时也可实现系统集成；

（2）FPGA/CPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费；

（3）用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件实现不同的功能，试制的样片以最快的速度占领市场；

（4）具有完善先进的开发工具；

（5）灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短开发时间；

（6）保密性好

Verilog硬件描述语言的语法和使用方法PPT都需掌握，题型编程。―――――――――――――――――――――――――――――――

1、FPGA设计的一般流程？每一步的功能？

2、FPGA配置的三种方式分别是什么？配置的三个阶段是什么？

配置方式：FPGA主动串行(AS)方式；JTAG方式；FPGA被动(Passive)方式

三个阶段：复位、配置和初始化

3、Quartus环境下生成的用于直接配置FPGA和配置芯片（EPCS）的文件分别是什么？

直接配置FPGA：.sof文件

配置芯片(EPCS)：.pof文件

4、构成SOPC的三种方案是什么？

（1）基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统；

（2）基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统；

（3）基于HardCopy技术的SOPC系统

5、Nios II 处理器系列包括哪三种内核？各自特点？

Nios II/f（快速）：性能最高，但占用的逻辑资源最多

Nios II/e（经济）：占用的逻辑资源最少，但性能最低

Nios II/s（标准）：平衡的性能和尺寸，适中。

6、Nios II处理器包括哪些寄存器？各自的功能？有哪三种运行模式？

运行模式：用户模式、超级用户模式、调试模式

7、NiosII处理器包括哪些异常？异常判别优先级是什么？

异常：（1）硬件中断；（2）软件异常：软件陷阱异常、未定义指令异常、其他异常判别优先级：

8、NiosII处理器采用的总线是什么？

Avalon交换式总线

9、Nios II处理器常用的外围设备(Peripherals)内核有哪些？各内核功能特点？

（1）并行输入/输出内核(PIO内核)：提供Avalon从控制器端口和通用I/O口间的存储器映射接口。提供简单的I/O访问用户逻辑或外部设备

（2）SDRAM控制器内核：提供一个连接片外SDRAM芯片的Avalon接口，并可以同时连接多个SDRAM芯片

（3）CFI控制器内核：提供了硬件抽象层（HAL）驱动程序，用户不需要写任何代码就可以访问遵循CFI接口规范的Flash器件

（4）EPCS控制器内核：允许

10、Altera提供的SOPC的开发使用的软件是什么？开发的流程？

开发使用的软件：Quartus II、SOPC Builder、Nios II IDE

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