嵌入式技術(shù)知識(shí)體系問(wèn)答(找工作筆試面試可能有用)

1、什么是嵌入式系統(tǒng)？

2、現(xiàn)在主要的嵌入式OS/操作系統(tǒng)有哪些?

3、嵌入式系統(tǒng)由什么組成？

嵌入式系統(tǒng)的組成：硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層

(1)硬件層：嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、通用設(shè)備接口和I/O 接口。

嵌入式核心模塊＝微處理器＋電源電路＋時(shí)鐘電路＋存儲(chǔ)器
Cache：位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是最近一段時(shí)間微
處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。它的主要目標(biāo)是減小存儲(chǔ)器給    微處理器內(nèi)核造成的存儲(chǔ)器訪問(wèn)瓶頸，使處理速度更快。

(2)中間層（也稱為硬件抽象層HAL 或者板級(jí)支持包BSP）：它將系統(tǒng)上層軟件和底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統(tǒng)上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口開(kāi)發(fā)即可。

BSP 有兩個(gè)特點(diǎn)：硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性。設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP 需要完成兩部分工作：

A、嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化和BSP 功能。

片級(jí)初始化：純硬件的初始化過(guò)程，把嵌入式微處理器從上電的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。
板級(jí)初始化：包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過(guò)程，為隨后的系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序建立硬件和軟件的運(yùn)行環(huán)境。
系統(tǒng)級(jí)初始化：以軟件為主的初始化過(guò)程，進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。

B、設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

(3)系統(tǒng)軟件層：

由RTOS、文件系統(tǒng)、GUI、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。
RTOS 是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

(4)應(yīng)用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序組成。

4、嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)有什么？

(1)馮諾依曼結(jié)構(gòu)：

   程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)空間，程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存
儲(chǔ)器的不同物理位置，采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序和數(shù)據(jù)的寬度    相同。例如：8086、ARM7、MIPS…

(2)哈佛結(jié)構(gòu)：

  程序和數(shù)據(jù)是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)，是一種將程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、ARM9、ARM10…

(3)CISC 與RISC 的特點(diǎn)比較。

計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間P 可以用下面公式計(jì)算：
P=I×CPI×T
I：高級(jí)語(yǔ)言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的指令數(shù)。
CPI：為執(zhí)行每條指令所需要的平均周期數(shù)。
T：每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。

(4)流水線的思想：

   在CPU 中把一條指令的串行執(zhí)行過(guò)程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^(guò)程在CPU 中重疊執(zhí)行。

(5)流水線的指標(biāo)：

吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間里流水線處理機(jī)流出的結(jié)果數(shù)。如果流水線的子過(guò)程所用時(shí)間不一樣長(zhǎng)，則吞吐率應(yīng)為最長(zhǎng)子過(guò)程的倒數(shù)。
建立時(shí)間：流水線開(kāi)始工作到達(dá)最大吞吐率的時(shí)間。若m 個(gè)子過(guò)程所用時(shí)間一樣，均為t，則建立時(shí)間T＝mt。

(6)信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序

A、存儲(chǔ)器單位：字節(jié)（8 位）
B、字長(zhǎng)決定了微處理器的尋址能力，即虛擬地址空間的大小。
C、32 位微處理器的虛擬地址空間位232，即4GB。
D、小端字節(jié)順序：低字節(jié)在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)在內(nèi)存高地址處。
E、大端字節(jié)順序：高字節(jié)在內(nèi)存低地址處，低字節(jié)在內(nèi)存高地址處。
F、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存儲(chǔ)順序問(wèn)題取決于OSI 模型底層中的數(shù)據(jù)鏈路層。

5、到底是學(xué)習(xí)哪種內(nèi)核：ARM7、CORTEX-M3、CORTEX-M4、ARM9、CORTEX-A8還是CORTEX-A9？

   首先說(shuō)明基于ARM7內(nèi)核的芯片現(xiàn)在已經(jīng)很少了，大部分公司都陸續(xù)停產(chǎn)了。而且價(jià)格沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，主頻也不高，只能跑UCOS或者Uclinux系統(tǒng)。CORTEX-M3內(nèi)核的芯片是目前用量比較大的32位ARM芯片，主頻約70MHz到120MHz之間，比如STM32F103、LPC1768等型號(hào)。CORTEX-M4內(nèi)核的芯片支持DSP指令功能，主頻100MHz到200MHz之間，比如STM32F4等型號(hào)。這兩種內(nèi)核的芯片可以基于庫(kù)函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)程序，或者基于寄存器直接編寫(xiě)程序，可以跑輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，比如UCOS等。
   ARM9內(nèi)核的芯片，是目前市場(chǎng)上運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)（linux、wince）主流的32位ARM芯片，主頻約180MHz到500MHz之間。
   CORTEX-A8和CORTEX-A9內(nèi)核的芯片，可以運(yùn)行多種嵌入式操作系統(tǒng)（linux、wince、android）。Cortex-A8處理器的速率可以在600MHz到超過(guò)1GHz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能夠滿足那些需要工作在300mW以下的功耗優(yōu)化的移動(dòng)設(shè)備的要求。Cortex-A9處理器的速率可以到1GHz以上，支持多核。
    如果是初學(xué)者，學(xué)習(xí)庫(kù)函數(shù)編程的或者寄存器編程的，建議學(xué)習(xí)CORTEX-M3內(nèi)核的芯片；如果是學(xué)習(xí)linux的嵌入式軟件編程，建議學(xué)習(xí)ARM9內(nèi)核的芯片；如果是學(xué)習(xí)Android的嵌入式軟件編程，建議學(xué)習(xí)CORTEX-A8和CORTEX-A9內(nèi)核的芯片。

6、ARM芯片如何選擇型號(hào)？

   ST公司：基于CORTEX-M3內(nèi)核的芯片STM32F103、基于CORTEX-M4內(nèi)核的芯片STM32F4，是目前最流行的CORTEX-M3內(nèi)核的芯片。
NXP公司：基于CORTEX-M3內(nèi)核的芯片LPC1768、LPC1788、基于CORTEX-M0+內(nèi)核的芯片LPC800系列,ARM9內(nèi)核的芯片LPC3250，在設(shè)計(jì)中的認(rèn)可率都比較高。
    ATMEL公司：一直采用ARM核心技術(shù)，最高也只采用到ARM9技術(shù)，旨在打造穩(wěn)定的工業(yè)級(jí)芯片，不追求性能上的卓越，但求性能更加的可靠的工業(yè)級(jí)芯片。能克服各種惡劣的環(huán)境，及各種干擾，功耗低，讓工業(yè)控制能更加穩(wěn)定有條不紊的進(jìn)行。現(xiàn)在的ARM9內(nèi)核芯片有AT91SAM9260、AT91SAM9263、AT91SAM9G45等
     德州儀器TI：一直致力于研究處理速度更快，功能更加強(qiáng)大的芯片。更是采用ARM最新技術(shù)Cortex A8來(lái)提升芯片的性能。使得一些芯片的處理速度與X86架構(gòu)的MCU不分伯仲。但是最近OMAP系列芯片據(jù)說(shuō)被裁了，可能會(huì)退出市場(chǎng)。這讓選擇TI芯片的人心里有點(diǎn)害怕！而且，TI的芯片更新速度太快，讓選擇他們芯片的廠家也無(wú)所適從?，F(xiàn)在的 CORTEX-A8內(nèi)核芯片有AM3358、AM3359等。
   SAMSUNG半導(dǎo)體：SAMSUNG生產(chǎn)ARM內(nèi)核芯片的超高性價(jià)比是無(wú)人能敵的。正因?yàn)檫@點(diǎn)， 其芯片也得到很多廠家的親睞。例如S3C2440性價(jià)比極高，一般消費(fèi)電子產(chǎn)品中應(yīng)用較多，不適于在嚴(yán)苛的工控環(huán)境中使用?，F(xiàn)在的ARM9內(nèi)核芯片有S3C2440、CORTEX-A8內(nèi)核芯片S5PV210等。
    最近老是看到不少個(gè)人和廠家宣傳：使用三星的2440或者三星公司的其他型號(hào)設(shè)計(jì)為工控產(chǎn)品，而且我聽(tīng)到不少?gòu)S家說(shuō)芯片的工作溫度都做過(guò)老化試驗(yàn)，低溫可以到零下40度。這個(gè)低溫的實(shí)驗(yàn)條件只是工業(yè)級(jí)的一個(gè)強(qiáng)制性溫度試驗(yàn)條件，并不是在這個(gè)低溫下正常工作就是工控級(jí)芯片。工控級(jí)的應(yīng)用真正難以實(shí)現(xiàn)的是在各種惡劣電磁環(huán)境下的穩(wěn)定工作，可惜大部分芯片都不能實(shí)現(xiàn)這種要求。穩(wěn)定性是工控級(jí)應(yīng)用的第一要素，這也就是為何ATMEL的芯片很多型號(hào)一賣就是十幾年，他們的芯片做的就是穩(wěn)定。比如AT91RM9200、AT91SAM9260、AT91SAM9G45等.

7、學(xué)習(xí)ARM主要學(xué)習(xí)啥？

    在硬件上主要學(xué)習(xí)ARM內(nèi)核芯片的電路設(shè)計(jì)及其附加外圍電路（USB、SDIO、CAN、485、SPI、PCI等）設(shè)計(jì)以及高速數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)完整性設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)，說(shuō)白了就是學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)出高穩(wěn)定的ARM系統(tǒng)電路。ARM內(nèi)核（CORTEX-M3、CORTEX-M4、ARM9、CORTEX-A8、CORTEX-A9等）的芯片，主頻越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大。
    軟件上主要學(xué)學(xué)習(xí)基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用層程序的編程和基于操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序編程或者基于庫(kù)函數(shù)的裸機(jī)程序編程等等。CORTEX-M3、CORTEX-M4內(nèi)核的芯片，可以運(yùn)行裸機(jī)程序或者輕量級(jí)的UCOS系統(tǒng)，軟件上主要學(xué)習(xí)裸機(jī)程序的編程；ARM9、CORTEX-A8、CORTEX-A9內(nèi)核的芯片，可以運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng)、android操作系統(tǒng)、wince操作系統(tǒng)等，學(xué)習(xí)基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序編程。

8、是先學(xué)習(xí)基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用層程序的編程，還是先學(xué)習(xí)基于操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的編程？

    基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用層程序的編程是嵌入式軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它基本上可以不需要熟悉底層硬件就可以完成程序設(shè)計(jì)，所以學(xué)習(xí)嵌入式linux應(yīng)用程序編程買開(kāi)發(fā)板時(shí)，只要可以運(yùn)行l(wèi)inux系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)板都可以。。基于操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的編程設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)人員不僅要熟悉操作系統(tǒng)，還要熟悉底層硬件，最好有過(guò)基于寄存器的程序編寫(xiě)經(jīng)歷，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求比較高。
    現(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)程序的編程設(shè)計(jì)，芯片原廠大部分已經(jīng)提供了。在芯片原廠做驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的人員，水平會(huì)高得多，不過(guò)中國(guó)的芯片廠很少，大家暫時(shí)沒(méi)多少機(jī)會(huì)。從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)角度看，驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)難度已經(jīng)降低。
    所以建議：先學(xué)習(xí)基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用層程序的編程，有了一定的編程經(jīng)驗(yàn)后再去學(xué)習(xí)基于操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的編程設(shè)計(jì)。

9、ARM處理器7種運(yùn)行模式是什么？

A、用戶模式（User）：正常程序執(zhí)行模式，用于應(yīng)用程序。
D、快速中斷模式（FIQ）：快速中斷處理，用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理。
C、外部中斷模式（IRQ）：用于通用的中斷處理。
D、管理模式（SVE）：供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式。
E、數(shù)據(jù)訪問(wèn)中止模式（Abort）：用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。
F、未定義指令中止模式（Undefined）：當(dāng)未定義指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式。
G、系統(tǒng)模式（System）：用于運(yùn)行特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù)。
    除了用戶模式之外的其他6種處理器模式稱為特權(quán)模式，在這些模式下，程序可以訪問(wèn)所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式切換，其中，除了系統(tǒng)模式外，其他的5種特權(quán)模式又稱為異常模式。
   處理器模式可以通過(guò)軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理過(guò)程進(jìn)行切換。大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行在用戶模式下，這時(shí)，應(yīng)用程序不能訪問(wèn)一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理中進(jìn)行處理器模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。
  當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式種都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證進(jìn)入異常模式時(shí)，用戶模式下的寄存器不被破壞。
   系統(tǒng)模式并不是通過(guò)異常過(guò)程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器，但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問(wèn)所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式切換，它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。

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