系统架构设计师-计算机系统基础知识（1）

目录

一、嵌入式系统概述

        1、基本概念

        2、嵌入式系统软件组成架构

二、嵌入式软件开发

三、嵌入式硬件

        1、嵌入式微处理器

---

一、嵌入式系统概述

        1、基本概念

        （1）嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并将可配置与可裁剪的软、硬件集成于一体的专用计算机系统，需要满足应用对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面的严格要求。

        （2）从计算机角度看，嵌入式系统是指嵌入各种设备及应用产品内部的计算机系统。它主要完成信号控制，体积小、结构紧凑，可作为一个部件埋藏于所控制的装置中。

        （3）一般嵌入式系统由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、支撑软件以及应用软件组成。

        2、嵌入式系统软件组成架构

                嵌入式系统初始化过程：片级初始化 -> 板级初始化 -> 系统初始化

                从传统意义上讲，嵌入式系统主要由以下部件组成：

                （1）嵌入式微处理器(MCU)（2）存储器(RAM/ROM)

                （3）内(外)总线逻辑（4）定时/计数器

                （5）看门狗电路：定时器溢出则中断，系统复位处理。

                （6）I/O接口(串口、网络、USB、JTAG接口--用来进行CPU调试的常用接口)

                （7）外部设备(UART、LED等)（8）其他部件

二、嵌入式软件开发

        嵌入式软件设计层面的功耗控制主要可以从以下方面展开：

        （1）软硬件协同设计，即软件的设计要与硬件的匹配，考虑硬件因素。

        （2）编译优化，采用低功耗优化的编译技术。

        （3）减少系统的持续运行时间，可从算法角度进行优化。

        （4）用 “中断” 代替 “查询”。

        （5）进行电源的有效管理。

三、嵌入式硬件

        1、嵌入式微处理器

                通常嵌入式处理器需要根据不同的使用场景选择不同类型的处理器，从处理器分类看，大致可分为MPU、MCU、DSP、GPU、SoC：

                （1）微处理器(MPU)：将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的母板功能。微处理器一般以某一种微处理内核为核心，每一种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。

                （2）微控制器(MCU)：又称单片机。与MPU相比MCU的最大优点在于单片化，体积大大减小，，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。

                （3）信号处理器(DSP)：DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计(通常，DSP采用一种哈佛结构)，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。

                （4）图形处理器(GPU)：GPU是图形处理单元的缩写，是一种可执行3D图形渲染等图修的半导体芯片(处理器)。GPU可用于个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备上做图像和图形相关运算工作的微处理器。它可减少对CPU的依赖，并执行部分原本属于CPU的工作，尤其是在3D图形处理中，GPU采用了核心技术(如：硬件T&L、纹理压缩等)保证了3D快速渲染的能力。GPU目前已广泛应用于各行各业，GPU中集成了同时运行在GHz的频率上的成千上万个core，可以高速处理图像数据。最新的GPU峰值性能可高达100TFlops以上。

                （5）片上系统(SoC)：

                        - 追求产品系统最大包容的集成器件。

                        - 它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。

                        - 同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

                        - 成功实现了软硬件的无缝结合，直接在微处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

                        - 减小了系统的体积和功耗、提高了可靠性和设计生产效率。

                        - 狭义角度：信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一片芯片上。

                        - 广义角度：SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。

                        - 国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。