免费智能真题库 > 历年试卷 > 系统架构设计师 > 2016年下半年 系统架构设计师 上午试卷 综合知识
  第3题      
  知识点:   信号   硬件架构   控制器   嵌入式系统   数字信号
  关键词:   控制器   嵌入式处理器   嵌入式系统   数字信号处理器   微处理器   处理器   嵌入式   数字信号   数字信号处理   信号        章/节:   嵌入式系统       

 
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件,一般可分为嵌入式微处理器(MPU)、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)和片上系统(SOC)。以下叙述中,错误的是(3)。
 
 
  A.  MPU在安全性和可靠性等方面进行增强,适用于运算量较大的智能系统
 
  B.  MCU典型代表是单片机,体积小从而使功耗和成本下降
 
  C.  DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,适合数字信号处理
 
  D.  SOC是一个有专用目标的集成电路,其中包括完整系统并有嵌入式软件的全部内容
 
 
 

 
  第1题    2016年下半年  
   39%
在嵌入式系统的存储部件中,存取速度最快的是(1)。
  第11题    2013年下半年  
   47%
看门狗(WatchDog)是嵌入式系统中一种常用的保证系统可靠性的技术,(11)会产生看门狗中断。
  第10题    2014年下半年  
   52%
以下嵌入式处理器类型中不具备内存管理单元(MMU)的是(10),嵌入式操作系统(11)可以运行在它上面。
   知识点讲解    
   · 信号    · 硬件架构    · 控制器    · 嵌入式系统    · 数字信号
 
       信号
        信号是当一个事件发生时产生的软中断,它将信号接收者从其正常的执行路径移开并触发相关的异步处理。本质上,信号通知其他任务或ISR运行期间发生的事件,与正常中断类似,这些事件与被通知的任务是异步的。信号的编号和类型依赖于具体的嵌入式系统的实现。通常,嵌入式系统均提供信号设施,任务可以为每个希望处理的信号提供一个信号处理程序,或是使用内核提供的默认处理程序,也可以将一个信号处理程序用于多种类型的信号。信号可以有被忽略、挂起、处理或阻塞等4种不同的响应处理。
 
       硬件架构
        微处理器是整个嵌入式系统的核心,负责控制系统的执行。外部设备是嵌入式系统同外界交互的通道,常见的外部设备有Flash存储器、键盘、输入笔、触摸屏、液晶显示器等,在很多嵌入式系统中还有与系统用途紧密相关的各种专用外设。嵌入式系统中经常使用的存储器有3种类型,分别是RAM、ROM和混合存储器。系统的存储器用于存放系统的程序代码、数据和系统运行的结果。
        嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,根据目前的使用情况,嵌入式处理器可以分为如下几类:
        (1)嵌入式微处理器。由通用计算机中的CPU演变而来,在功能上跟普通的微处理器基本一致,但是它具有体积小、功耗低、质量轻、成本低及可靠性高的优点。通常,嵌入式微处理器和ROM(Read Only Memory,只读存储器)、RAM(Random Access Memory,随机存取存储器)、总线接口及外设接口等部件安装在一块电路板上,称为单板计算机。
        (2)嵌入式微控制器。又称为单片机,整个计算机系统都集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成有存储器、总线、总线逻辑、定时器/计数器、监督定时器、并口/串口、数模/模数转换器、闪存等必要外设。与嵌入式微处理器相比,嵌入式微控制器的最大特点是单片化,因而体积更小、功耗和成本更低,可靠性更高。
        (3)嵌入式数字信号处理器。一种专门用于信号处理的处理器,DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)是芯片内部采用程序和数据分开的结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速实现各种数字信号的处理算法。目前,DSP在嵌入式系统中使用非常广泛,如数字滤波、快速傅里叶变换及频谱分析等。
        (4)嵌入式片上系统。一种在一块芯片上集成很多功能模块的复杂系统,例如,把微处理器内核、RAM、USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)、IEEE 1394、Bluetooth(蓝牙)等集成到一个芯片中,构成一个嵌入式片上系统,从而大幅度缩小了系统的体积、降低了系统的复杂度、增强了系统的可靠性。在大量生产时,生产成本也远远低于单元部件组成的电路板系统。根据用途不同,嵌入式片上系统可以分为通用片上系统和专用片上系统两类。专用类的嵌入式片上系统一般是针对某一或某些系统而设计的。
 
       控制器
        控制器是指挥、协调计算机各大部件工作的指挥中心。控制器工作的实质就是解释、执行指令。它每次从存储器中取出一条指令,经分析译码,产生一串微操作命令,发向各个执行部件并控制各部件,使整个计算机连续地、有条不紊地工作。
        为了使计算机能够正确执行指令,CPU必须能够按正确的时序产生操作控制信号,这是控制器的主要任务。
        如下图所示,控制器主要由下列部分组成。
        
        控制器组成图
        (1)程序计数器(PC)。又称指令计数器或指令指针(IP),在某些类型的计算机中用来存放正在执行的指令地址;在大多数机器中则存放要执行的下一条指令的地址。指令地址的形成有两种可能:一是顺序执行的情况,每执行一条指令,程序计数器加“1”以形成下条指令的地址。该加“1”计数的功能,有的机器是PC本身具有的,也有的机器是借用运算器完成的;二是在某些条件下,需要改变程序执行的顺序,这常由转移类指令形成转移地址送到PC中,作为下条指令的地址。
        (2)指令寄存器(IR)。用以存放现行指令,以便在整个指令执行过程中,实现一条指令的全部功能控制。
        (3)指令译码器。又称操作码译码器,它对指令寄存器中的操作码部分进行分析解释,产生相应的控制信号提供给操作控制信号形成部件。
        (4)脉冲源及启停控制线路。脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲,是周期、节拍和工作脉冲的基准信号。启停线路则是在需要的时候保证可靠地开放或封锁时钟脉冲,控制时序信号的发生与停止,实现对机器的启动与停机。
        (5)时序信号产生部件。以时钟脉冲为基础,产生不同指令相对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号,以实现机器指令执行过程的时序控制。
        (6)操作控制信号形成部件。综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等,形成不同指令所需要的操作控制信号序列。
        (7)中断机构。实现对异常情况和某些外来请求的处理。
        (8)总线控制逻辑。实现对总线信息传输的控制。
 
       嵌入式系统
        嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集,包括操作者的命令和受控对象的状态,按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算,计算结果作为命令输出到设备的某些部件,控制某些操作,同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。
        
        嵌入式系统组成
        上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分,一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分,而且体现了系统的思想、方法和规律。
        在当今社会中,嵌入式系统已经和我们的生活息息相关,人们每时每刻都离不了嵌入式系统,如下图所示。
        
        嵌入式系统基本分类
        嵌入式系统一般是实时系统,《牛津计算机字典》对实时系统解释是:“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动,而系统输出对应着另外一个物理世界的运动,而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内,实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种,如下表所示。
        
        实时系统分类及其特性
        一般认为,嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机,在软件或硬件上的资源是有限的,硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面,软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。
        第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。
        随着20世纪60年代早期应用开始,嵌入式系统的价格迅速降低,同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例,在存储器和外围芯片的配套使用下,实现了计算器和其他小型系统。1978年,美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”,涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器,如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器,使得微处理器得到了快速发展。
        无一例外,不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始,但核心是软件的算法处理,实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能,如下图所示。
        
        嵌入式计算机的层次化架构
        当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟,他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反,基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面,可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径,都会导致软件有不同程度的差异。
        嵌入式系统具有以下特征:
        (1)嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统,从操作指令发出,嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作,要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说,一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求,确保在最复杂行为和最大延时情况下,系统操作不发生延迟,要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低,需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。
        (2)嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失,可能是铁路信号失效的巨额经济损失,也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后,对于不同的系统需要采取不同的策略,例如对具有重大影响的系统,要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术,将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下,嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。
        (3)嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成,甚至可以进行软件正确性证明;即使过程中更换人员,花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件,其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期,实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合,考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护,同时考虑处理平台限制条件。
 
       数字信号
        在电报通信中,其电报信号是用“点”和“划”组成的电码(叫做莫尔斯电码)来代表文字和数字。如果用有电流代表“1”、无电流代表“0”,那么“点”就是1、0,“划”就是1、1、1、0。莫尔斯电码是用一点一划代表A,用一划三点代表B,所以A就是101110,B就是1110101010……这种离散的、不连续的信号,称为数字信号。
        数字信号的优越性主要体现在以下几个方面:
        (1)加强了通信的保密性。语音信号经A/D(Analog to Digital,模拟信号转换为数字信号)变换后,可以先进行加密处理,再进行传输,在接收端解密后再经D/A(Digital to Analog,数字信号转换为模拟信号)变换还原成模拟信号。例如,某图像信号X转换成为01110,可以通过某种加密算法,如向右循环移一位变成Y=00111,对方得到Y后很难反推到X。可见,数字化为加密处理提供了十分有利的条件,且密码的位数越多,破译密码就越困难。
        (2)提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音,可以利用电子电路构成的门限电压(称为阈值)去衡量输入的信号电压,只有达到某一电压幅度,电路才会有输出值,并自动生成整齐的脉冲(称为整形或再生)。较小杂音电压到达时,由于它低于阈值而被过滤掉,不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同,除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码,在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法,即在出现误码时,可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输,也能适用于性能较差的线路。
        (3)可构建综合数字通信网。采用时分交换后,传输和交换统一起来,可以形成一个综合数字通信网。
        数字信号的主要缺点如下:
        (1)技术要求复杂,尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思,就必须正确地把每个码元区分开来,并且找到每个信息组的开始,这就需要收发双方严格实现同步,如果组成一个数字网的话,同步问题的解决将更加困难。
        (2)占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号,传送一路数字化语音信息需占20~64kHz的带宽,而一个模拟话路只占用4kHz带宽,即一路PCM(Pulse Code Modulation,脉码调制)信号占了几个模拟话路。
        (3)进行A/D转换时会产生量化误差。
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第3题    在手机中做本题