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第27题

知识点：嵌入式系统输出设备输入输出设备网络设备

关键词：嵌入式系统输出设备嵌入式章/节：嵌入式软件基础知识

嵌入式系统中配置了大量的外围输入输出设备，可以分为三大类：字符设备、块设备和网络设备。下面描述不正确的是（27)。

A. 键盘、鼠标、LCD显示屏、触摸屏等属于字符设备

B. 块设备是以块为单位进行传输的，如闪存、磁盘等

C. 网络设备主要用于与网络上的其他设备进行通信

D. 块设备的读写速度通常比网络设备的读写速度慢

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第33题 2018年下半年

38%

以下不属于嵌入式系统硬件PCB阁设计原则的是（33)。

第52题 2020年下半年

50%

下列关于数据库系统的描述，不正确的是（52）。

第34题 2016年下半年

24%

以下关于嵌入式软件开发的叙述中，适确的是（34）。


知识点讲解
· 嵌入式系统 · 输出设备 · 输入输出设备 · 网络设备

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。

输出设备

（1）打印机。

打印机是计算机系统中最基本的输出设备。由于打印机打印结果直观、易阅读，便于永久保存，且由于目前打印机的打印质量不断提高，能打印单色或彩色的高清晰度的文字、图形或图像。目前使用的打印机，以印字原理可以分成击打式打印机和非击打式打印机两类，以输出方式又可分为串行打印机和并行打印机两种。

①击打式打印机。

击打式打印机是以机械力量击打字锤从而使字模隔着色带在纸上打印出字来的设备，这是最早研制成功的计算机打印设备。该类设备按字锤或字模的构成方式来分，又可以分成整字形击打印设备和点阵打印设备两类。

整字形击打设备利用完整字形的字模每击打一次印出一完整字形。这类设备的优点是印字美观自然，可同时复印数份。缺点是噪音大，印字速率低，字符种类少，无法打印汉字或图形，且易磨损，这类打印设备若按字模载体的形态分，又可以分成球形、菊花瓣形、轮式、鼓式等打印机。点阵式击打设备是利用多根针经色带在纸上打印出点阵字符的印字设备，它又称为针式打印机。目前有7针、9针、24针或48针的印字头。这类打印设备结构简单，印字速度快，噪声小，成本低，且可以打印汉字或图形、图像，是目前仍在广泛使用的一类打印设备。

②非击打式印字机。

非击打式印字机是一种利用物理的（光、电、热、磁）或化学的方法实现印刷输出的设备。与击打式打印设备不同，这类设备的印字头不与纸或其他媒体接触，或虽接触但无击打动作。这类设备打印无噪声，印字速度快，可以打印汉字、图形与图像等，不少设备还可以实现彩色打印。由于该类设备价格已逐步降低，所以深受用户欢迎。

非击打式印字机还可以分成多种类型：

.激光印字机：是利用激光打印出精美文字和图片的一种输出设备。激光印字机印刷速度快，印字质量好，噪音低，分辨率高，印刷输出成本低，这是目前应用最广泛的一种非击打式印字机。

.喷墨打印机：是利用喷墨头喷射出可控的墨滴从而在打印纸上形成文字或图片的一种设备。这也是目前应用较多的一种打印输出设备。

.热敏打印机：有热印纸式和热转印式两种。利用印字头上多个电热元件在特殊的热敏纸上瞬时加热形成字符的设备叫热敏纸打印机；利用转印色带将字符转印到纸上的设备叫热转印打印机。热敏打印机可以印刷出色彩精美逼真的图像。

（2）显示器。

显示器是用来显示数字、字符、图形和图像的设备，它由监视器和显示控制器组成，是计算机系统中最常用的输出设备之一。

监视器由阴极射线管（CRT）、亮度控制电路（控制栅）、以及扫描偏转电路（水平／垂直扫描偏转线圈）等部件构成，工作原理如下图所示。

监视器工作原理

由热发射产生的电子流在真空中在几千伏高压的影响下射向CRT前部，控制栅的电压决定有多少电子被允许通过，经过聚焦的电子束在水平与垂直偏转电路控制下射向屏幕，轰击涂有荧光粉的CRT屏幕，产生光点。通过控制栅电压强弱的控制，达到控制光点有无的目的，从而形成显示图像。

在光栅扫描显示器中，为了保证屏幕上显示的图像不产生闪烁，图像必须以50帧／秒至70帧／秒的速度进行刷新。这样，固定分辨率的图形显示器其行频、水平扫描周期、每像素读出时间，均有一定要求。例如当分辨率为640 × 480时，且假定水平回扫期和垂直回扫期各占水平扫描周期和垂直扫描周期的20%。

则行频为480线 ÷ 80/100×50帧／s=30kHz

水平扫描周期HC=1/30kHz=33μs

每一像素读出时间为33μs×80%÷ 640=40～50ns

若分辨率提高到1024 × 768，帧频为60帧／秒，则行频提高到57.6kHz，水平扫描周期HC=17.4μs，每像素读出时间减少到13.6μs。从这里可以清楚看到，分辨率越高，为保证图像不闪烁，则时间要求越高（每一像素读出、显示的时间越短），成本也随之迅速上升。另外，光栅扫描显示器的扫描方式还可以分成逐行扫描与隔行扫描方式两种。

输入输出设备

1）输入设备

输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的形式存放到计算机中。输入设备主要完成输入数据和操作命令等功能，也是进行人机对话的主要部件。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。

（1）键盘。键盘是人们向计算机输入信息的最主要设备，各种程序和数据都可以通过键盘输入到计算机中。键盘是由一组排列成阵列形式的按键开关组成，每按一个键，就产生一个相应的扫描码，通过键盘将扫描码送到主机，再由主机将键盘扫描码转换成ASCII码。

（2）鼠标。鼠标是计算机不可缺少的标准输入设备。随着Windows图形操作界面的流行，很多命令和要求已基本上不需要再用键盘输入，只需操作鼠标即可。鼠标移动方便，定位准确。目前使用的鼠标，根据其工作原理可分为机械鼠标、光学鼠标和光学机械鼠标3种。鼠标还可以根据外形分为两键鼠标、三键鼠标、滚轴鼠标和感应鼠标。随着科学技术的发展，又新出现了无线鼠标和3D振动鼠标。

（3）扫描仪。扫描仪是一种图形、图像专用输入设备，利用它可以将图形、图像、照片、文本等从外部环境输入到计算机中。如果是文本文件，扫描后需要用文字识别软件进行识别，识别后的文字以.txt文件格式保存。

常见的其他输入设备还有摄像头、光笔、条形码读入器、麦克风、数码相机、触摸屏等。

2）输出设备

输出设备是指将计算机处理和计算后所得的结果以一种人们便于识别的形式（如字符、数值和图表等）记录、显示或打印出来的设备。常用的输出设备有显示器和打印机等。

（1）显示器。显示器是计算机不可缺少的输出设备。用户通过它可以很方便地查看送入计算机的程序、数据和图形等信息，以及经过计算机处理后的中间结果、最后结果，它是人机对话的主要工具。它由一根视频电缆与主机的显示卡相连。目前，显示器主要由两种显示管构成，它们是CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管显示器）和LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）。衡量显示器的主要性能指标有点距和分辨率，目前常用的CRT的像素间距有0.28mm、0.26mm、0.25mm和0.24mm等。CRT的分辨率是指显示设备所能表示的像素个数，像素越密则分辨率越高，图像就越清晰。例如，某显示器的分辨率为1024×768，就表明该显示器在水平方向能显示1024个像素，在垂直方向能显示768个像素，即整屏能显示1024×768个像素。显示器必须配置正确的适配器（俗称显示卡）才能构成完整的显示系统。显示卡较早的标准有CGA（Color Graphic Adapter）标准（320×200，彩色）和EGA（Enhanced Graphics Adapter）标准（640×350，彩色）。目前常用的是VGA（Video Graphics Array）标准。VGA适用于高分辨率的彩色显示器，其图形分辨率在800×600像素以上，能显示16M种颜色。在VGA之后，又不断出现SVGA和TVGA卡等，分辨率提高到800×600像素和1024×768像素，而且有些显示卡具有32M种彩色，称为"真彩色"。

（2）打印机。打印机与显示器一样，也是一种常用的输出设备，用于把文字或图形在纸上输出，供阅读和保存。它通过一根并口电缆与主机后面的并行口相连。打印机按工作原理可分为两类，即击打式打印机和非击打式打印机。其中计算机系统常用的点阵打印机属于击打式打印机。非击打式的打针机有喷墨打印机和激光打印机等。

网络设备

网络互联的目的是使一个网络的用户能访问其他网络的资源，使不同网络上的用户能够互相通信和交换信息，实现更大范围的资源共享。在网络互联时，一般不能简单地直接相连，而是通过一个中间设备来实现。按照ISO/OSI的分层原则，这个中间设备要实现不同网络之间的协议转换功能，根据它们工作的协议层不同进行分类。网络互联设备可以有中继器（实现物理层协议转换，在电缆间转发二进制信号）、网桥（实现物理层和数据链路层协议转换）、路由器（实现网络层和以下各层协议转换）、网关（提供从最低层到传输层或以上各层的协议转换）和交换机等。

网络传输介质互联设备

网络线路与用户节点具体衔接时，需要网络传输介质的互联设备。如T型头（细同轴电缆连接器）、收发器、RJ-45（屏蔽或非屏蔽双绞线连接器）、RS232接口（目前计算机与线路接口的常用方式）、DB-15接口（连接网络接口卡的AUI接口）、VB35同步接口（连接远程的高速同步接口）、网络接口单元和调制解调器（数字信号与模拟信号转换器）等。

物理层的互联设备

物理层的互联设备有中继器（Repeater）和集线器（Hub）。

中继器

它是在物理层上实现局域网网段互联的，用于扩展局域网网段的长度。由于中继器只在两个局域网网段间实现电气信号的恢复与整形，因此它仅用于连接相同的局域段。

理论上说，可以用中继器把网络延长到任意长的传输距离，但是，局域网中接入的中继器的数量将受时延和衰耗的影响，因而必须加以限制。例如，在以太网中最多使用4个中继器。以太网设计连线时指定两个最远用户之间的距离，包括用于局域网的连接电缆，不得超过500m。即便使用了中继器，典型的Ethernet局域网应用要求从头到尾整个路径不超过1500m。中继器的主要优点是安装简便、使用方便、价格便宜。

集线器

可以看成是一种特殊的多路中继器，也具有信号放大功能。使用双绞线的以太网多用Hub扩大网络，同时也便于网络的维护。以集线器为中心的网络优点是当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作。集线器可分为无源（passive）集线器、有源（active）集线器和智能（intelligent）集线器。

无源集线器只负责把多段介质连接在一起，不对信号做任何处理，每一种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半；有源集线器类似于无源集线器，但它具有对传输信号进行再生和放大从而扩展介质长度的功能；智能集线器除具有有源集线器的功能外，还可将网络的部分功能集成到集线器中，如网络管理、选择网络传输线路等。

数据链路层的互联设备

数据链路层的互联设备有网桥（Bridge）和交换机（Switch）。

网桥

用于连接两个局域网网段，工作于数据链路层。网桥要分析帧地址字段，以决定是否把收到的帧转发到另一个网络段上。确切地说，网桥工作于MAC子层，只要两个网络MAC子层以上的协议相同，都可以用网桥互联。

网桥检查帧的源地址和目的地址，如果目的地址和源地址不在同一个网络段上，就把帧转发到另一个网络段上；若两个地址在同一个网络段上，则不转发，所以网桥能起到过滤帧的作用。网桥的帧过滤特性很有用，当一个网络由于负载很重而性能下降时，可以用网桥把它分成两个网络段并使得段间的通信量保持最小。例如，把分布在两层楼上的网络分成每层一个网络段，段中间用网桥相连，这样的配置可以最大限度地缓解网络通信繁忙的程度，提高通信效率。同时，由于网桥的隔离作用，一个网络段上的故障不会影响到另一个网络段，从而提高了网络的可靠性。

交换机

交换机是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，它是按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发，而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。交换机转发数据的延迟很小，操作接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接的转发性能。交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。

交换机的工作过程为：当交换机从某一节点收到一个以太网帧后，将立即在其内存中的地址表（端口号一MAC地址）进行查找，以确认该目的MAC的网卡连接在哪一个节点上，然后将该帧转发至该节点。如果在地址表中没有找到该MAC地址，也就是说，该目的MAC地址是首次出现，交换机就将数据包广播到所有节点。拥有该MAC地址的网卡在接收到该广播帧后，将立即做出应答，从而使交换机将其节点的“MAC地址”添加到MAC地址表中。

交换机的三种交换技术：端口交换、帧交换和信元交换。

（1）端口交换技术用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。

（2）帧交换技术对网络帧的处理方式分为直通交换和存储转发。其中，直通交换方式可提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上；存储转发方式通过对网络帧的读取进行验错和控制。

（3）信元交换技术采用长度（53个字节）固定的信元交换，由于长度固定，因而便于用硬件实现。

网络层互联设备

路由器（Router）是网络层互联设备，用于连接多个逻辑上分开的网络。逻辑网络是指一个单独的网络或一个子网，当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。

路由器具有很强的异种网互联能力，互联的网络最低两层协议可以互不相同，通过驱动软件接口到第三层上而得到统一。对于互联网络的第三层协议，如果相同，可使用单协议路由器进行互联；如果不同，则应使用多协议路由器。多协议路由器同时支持多种不同的网络层协议，并可以设置为允许或禁止某些特定的协议。所谓支持多种协议，是指支持多种协议的路由，而不是指不同类协议的相互转换。

通常把网络层地址信息叫作网络逻辑地址，把数据链路层地址信息叫作物理地址。路由器最主要的功能是选择路径。在路由器的存储器中维护着一个路径表，记录各个网络的逻辑地址，用于识别其他网络。在互联网络中，当路由器收到从一个网络向另一个网络发送的信息包时，将丢弃信息包的外层，解读信息包中的数据，获得目的网络的逻辑地址，使用复杂的程序来决定信息经由哪条路径发送最合适，然后重新打包并转发出去。路由器的功能还包括过滤、存储转发、流量管理和介质转换等。一些增强功能的路由器还可有加密、数据压缩、优先和容错管理等功能。由于路由器工作于网络层，它处理的信息量比网桥要多，因而处理速度比网桥慢。

应用层互联设备

网关（Gateway）是应用层的互联设备。在一个计算机网络中，当连接不同类型而协议差别又较大的网络时，则要选用网关设备。网关的功能体现在OSI模型的最高层，它将协议进行转换，将数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。由于协议转换是一件复杂的事，一般来说，网关只进行一对一转换，或是少数几种特定应用协议的转换，网关很难实现通用的协议转换。

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