第一章 硬件基础

1、嵌入式微处理器结构

ARM采用哈佛结构，是一种RISC体系结构的微处理器。

DSP（数字信号处理技术）采用哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

2、计算机硬件组成

基本的计算机硬件系统组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

程序计数器（PC）：在程序开始执行前，将程序的起始地址送入PC，该地址在程序加载到内存时确定，因此PC的内容是程序第一条指令的地址。执行指令时，CPU自动修改PC的内容，以便使其保存的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序执行的，修改的过程只是对PC加1。

寄存器组：专用寄存器和通用寄存器。运算器和控制器的寄存器是专用寄存器，作用是固定的。通用寄存器用途广法并可由程序员规定其用途，其数目因处理器不同而差异。

CPU依据指令周期的不同阶段来区分二进制的指令和数据，因为在指令周期的不同阶段，指令会命令CPU分别去取指令或者数据。

3、数据的表示

十进制和二进制互转（下午题考察）

例如十进制数175.71875转换为二进制数。计算步骤分两步。

第一步只看整数位，175/2=87..1 87/2=43..1 43/2=21..1 21/2=10..1 10/2=5..0 5/2=2..1 2/2=1..0 1/2=0..1 二进制采取余数表示，并且顺序是反着的，为10101111。

第二部只看小数位，0.71875*2=1.4375 0.4375*2=0.875 0.875*2=1.75 0.75*2=1.5 0.5*2=1 二进制采取整数表示，并且顺序是正着的，为10111。

即十进制数175.71875转换为二进制数为10101111.10111。

二进制转换为十进制如下：

10101111.10111=2^7+2^5+2^3+2^2+2^1+2^0+2^-1+2^-3+2^-4+2^-5=175.71875

八进制和十进制互换也类似。

八进制和二进制互转、十六进制和二进制互转（下午题考察）

3个二进制位组成1个八进制位，4个二进制位组成1个十六进制位。

例如将二进制数10101111.10111转换为八进制和十六进制。

10101111.10111 = 010 101 111 . 101 110 = 257.56

10101111.10111 = 1010 1111 . 1011 1000 = AF.B8

原码、反码、补码和移码

如果机器字长为n，则最高位是符号位，0正1负。其余的n-1位表示数值的绝对值。

正数的原码和反码、补码相同。

负数的反码是，除符号位外，n-1位取反。以原码作为参照。

负数的补码是，除符号位外，原码加1。正负零的补码相同。当符号位为1而数值位全为0时，表示整数-2^(n-1)，即符号位的1既表示负数也表示数值。

正数、负数的移码是，将补码的符号位取反。移码常用来表示浮点数中的阶码。

定点数：表示数据时小数点的位置固定不变

定点整数：纯整数，小数点在最低有效数值位之后。

定点小数：纯小数，小数点在最高有效数值位之前。

浮点数：表示数据时小数点位置不固定

异或：同0非1

3、校验码

码距：两个码组对应位上数字不同的个数。例如00110和00100码距为1，12345和13344码距为2，Caus和Daun码距为2。

码距越大越利于纠错和检错。

奇偶校验码：编码中加0、1使1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验），从而使码距变为2。

对于奇偶校验，它可以检测代码中奇数位出错的编码，但不能发现偶数位出错的情况。

循环冗余校验码（CRC编码-可以检错但不能纠错）：利用生成多项式为k个数据为产生r个校验位来进行编码，其编码长度为k+r。广泛应用于数据通信领域和磁介质存储系统中。

海明码：在数据位之间的特定位置插入k个校验位，通过扩大码距来实现检错和纠错。

本质是使用奇偶校验方式校验。海明码需满足关系：2^k>=n+k+1，n代表数据位，k代表校验位。

4、计算机指令基本信息

计算机指令组成：操作码+操作数

计算机指令执行过程：取指令-分析指令-执行指令

指令寻址方式：顺序寻址方式、跳跃寻址方式。

指令操作数寻址方式：

5、指令系统CISC和RISC

RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精简指令系统计算机。

CISC（Complex Instruction Set Computer）：复杂指令系统计算机。

RISC编译器的子程序库通常要比CISC的子程序库大得多。

RISC比CISC更加适合VLSI工艺的规整性要求。

CISC系统中的指令可以对主存单元中的数据直接进行处理，其执行速度较慢。目前使用的绝大多数计算机都属于CISC类型。

RISC的关键技术：重叠寄存器窗口技术、优化编译技术、超流水及超标量技术、硬布线逻辑与微程序相结合在微程序技术中。

RISC中采用的流水技术：超流水线技术、超标量技术、超长指令字技术（VLIW）。

6、指令流水线处理

RISC的流水线技术

流水线冒险

由于各种原因导致指令流水线执行时阻塞并延期，可能出现的问题有执行结果错误或流水线可能会出现停顿，从而降低流水线的实际效率和加速比。

流水线周期（▲t）：指令段中执行时间最长的。

流水线总执行时间（t）：t = t1 +（n-1）▲t，一条指令总执行时间+（总指令条数-1）*流水线周期。

流水线吞吐率=n/t（单位时间）。

流水线加速比=不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间。

7、中断原理（下午题填空）

8、存储系统

计算机采用分级存储体系的主要目的是解决存储容量、成本和速度之间的矛盾问题。

两级存储映像：cache-主存、主存-辅存。

随机存储器：访问任意存储单元所用时间相同。

顺序存储器：顺序访问，如磁带。

直接存储器：磁道的寻址随机，磁道内寻址顺序。如磁盘。

高速cache：控制部分+存储器

内容是主存内存的副本拷贝，对于程序员来说是透明的。

控制部分判断CPU要访问的数据是否在cache中，在则命中，不在则依据一定的算法从主存中替换。

9、Cache地址映射方法

由硬件自动完成映射。

直接映像：块与块固定对应。

全相联映像：块与块任意对应。

组组相联映像：先分块，再分组。块直接映像，组全相联映像。

按照Cache地址映像的快冲突概率，从高到低排列的是：直接映像-组相联映像-全相联映像。

Cache容量越大，则命中率越高，随着Cache容量的增加，其命中率接近100%，非线性增长。但增加Cache容量意味着增加Cache的成本和增加Cache的命中时间。

提高Cache命中率的方法主要有选择适当的块容量、提高Cache的容量和提高Cache的相联度等。

现代CPU中Cache分位多个层级。

在多级Cache的计算机中，Cache分为一级（L1 Cache）、二级（L2 Cache）、三级（L3 Cache）等，CPU访存时首先查找L1 Cache，如果不命中，则访问L2 Cache，直到所有级别的Cache都不命中，才访问主存。通常要求L1 Cache的速度足够快，以赶上CPU的主频。如果Cache为两级，则L1 Cache的容量一般都比较小，为几千字节到几十千字节；L2 Cache则具有较高的容量，一般为几百字节到几兆字节，以使高速缓存具有足够高的命中率。

CPU与主存之间的数据交互，内存会先将数据拷贝到cache中，若cache的数据被循环执行，则不用每次都去内存中读取数据，会加快CPU的工作效率。

10、IO端口的地址编址

I/O独立编址：I/O端口编址和存储器编址分开设置，相互独立。不占用内存空间、程序清晰、译码电路简单，但只能用专门的I/O指令。

存储器统一编址：从存储空间划出一部分地址给I/O端口。

大端模式：高位数据存低位内存地址。

小端模式：高位数据存高位内存地址。

常见的电脑PC机一般采用小端模式。

11、总线

总线事务：从请求总线到完成总线使用的操作序列。

它是在一个总线周期中发生的一系列活动。总线完成一次传输，分四个阶段：总线裁决、寻址阶段、数据传输阶段、结束阶段。

12、性能和可靠性

可靠性指标

平均无故障时间MTTF=1/失效率

平均故障修复时间MTTR=1/修复率

平均故障间隔时间MTBF=MTTF+MTTR

系统可用性=(MTTF/MTBF)*100%

串并联系统可靠性计算

计算机系统的性能指标

可靠性或可用性：计算机系统能正常工作的时间，其指标可以是能够持续工作的时间长度（例如，平均无故障时间），也可以是在一段时间内，能正常工作的时间所占的百分比。

处理能力或效率：

第一类指标是吞吐率（系统在单位时间内能处理正常作业的个数）

第二类指标是响应时间（从系统得到输入到给出输出之间的时间）

第三类指标是资源利用率，即在给定的时间区间中，各种部件（包括硬件设备和软件系统）被使用的时间与整个事件之比。

计算机硬件性能指标

指令周期：取出并执行一条指令的时间。

指令周期 = n*总线周期 = n*m*时钟周期

MIPS用于衡量标量机性能。

13、嵌入式软件基础

14、嵌入式操作系统

嵌入式实时系统中，要求系统在投入运行之前即具有确定性和可预测性。主要特点是及时响应和高可靠性。

硬实时要求在规定的时间内必须完成操作；

软实时只要按照任务优先级，尽可能快地完成操作即可。

15、任务管理

进程与线程

一个进程至少应该包括：相应的程序(代码和数据)、CPU上下文和一组系统资源。

线程间可共享：程序的公共数据、全局变量、代码、文件等资源；

线程间不可共享：独有的资源（程序计数器、寄存器和栈）

前趋图（任务间并行、顺序执行的关系）

当一个进程资源图中所有进程都是阻塞结点时，即陷入死锁状态。

信号量操作

同步信号量：初值是共享资源的个数。

互斥信号量：初值为1。

P（S）：先执行S=S-1；如果S≥0，则继续；反之，则阻塞该进程，并将它插入该信号量的等待队列Q中。

V（S）：先执行S=S+1；如果S>0，则继续；反之，则从该信号量的等待队列Q中移出第一个进程，使其变为就绪状态并插入就绪队列，然后再返回原进程继续执行。

死锁的四个必要条件：不可剥夺、互斥、请求与保持和循环等待。

死锁规律：（单进程所需资源-1）*进程个数+1 > 可用资源数。

若一个单处理器的计算机系统中同时存在3个并发进程，则同一时刻允许占用处理器的进程数最多为1个。

低级通信：如信号量。

高级通信：共享内存、消息传递和管道。

16、存储管理

页式存储管理

物理地址：物理块号+页内偏移地址

逻辑地址：页号+页内偏移地址

快表：小容量的相联存储器，将页表存于cache。

慢表：将页表存于内存。

慢表需要访问两次内存才能取出页，而快表是访问一次cache和一次内存，因此更快。

段式存储管理（先分段，后分页）

17、文件系统结构

文件控制块（FCB）

文件目录也是由文件组成。

索引文件结构

树形目录结构

位示图法：对每个物理空间用一位标识（1-使用，0-空闲），形成一张位示图。

18、外存储器

外存储器存放暂时不用的程序和数据，并且以文件的形式存储。CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只能将其以文件为单位调入主存才可访问。

包括磁盘存储器、光盘存储器、固态硬盘。

DVD-RAM和DVD-RW是DVD技术所支持的两种不同的可多次擦除重写的DVD光盘格式。

CD-R指一次性可写（刻录）CD光盘，而CD-RW指可多次擦除重写的CD光盘。

19、输入输出控制

IO设备：块设备、字符设备

块设备可寻址，例如磁盘、USB闪存、CD-ROM等。字符设备不可寻址，例如打印机、网卡、鼠标键盘。

程序控制IO方式：无条件传送、程序查询方式。

无条件传送：外设总是准备好的，它可以无条件地随时接收CPU发来的输出数据，也能够无条件地随时向CPU提高需要输入地数据。

程序查询方式：通过CPU执行程序来查询外设的状态，判断外设是否准备好接收数据或准备好了向CPU输入的数据。

中断

中断响应时间：从发出中断请求到开始进入中断处理程序；

中断处理时间：从中断处理开始到中断处理结束。

多级中断嵌套：使用堆栈来保护断电和现场。

当系统与外设交换数据时，CPU无需等待也不必去查询I/O设备的设备，而是处理其他任务。当I/O设备准备好以后，就发出中断请求信号通知CPU，CPU接到中断请求信号后，保存正在执行程序的现场，转入I/O中断服务程序的执行，完成与I/O系统的数据交换，然后再返回被打断的程序继续执行。与程序控制方式相比，中断方式因为无需CPU等待而提高了效率。

系统具有多个中断源时，常用中断处理方法：多中断信号线法、中断软件查询法、菊花链法、总线仲裁法和中断向量表法等。

DMA方式

在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据；

CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时。

在计算机与外设交换数据的过程中，无论是无条件传送、程序查询方式传送还是中断传送，都需要由CPU通过执行程序来实现，这就限制了数据的传送速度。

在内存与IO设备间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的任何干涉（整个系统总线完全交给了DMA控制器DMAC，由它控制系统总线完成数据传送），只需要CPU在过程开始启动与过程结束时的处理，实际操作由DMA硬件直接执行完成，CPU在此传送过程中可做别的事情。在DMA传送数据期间，CPU不能使用总线。

输入/输出处理机

DMA方式的出现减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率显著提高，而输入/输出处理机的出现进一步提高了CPU的效率。

20、计算机体系结构

按处理机数量分类：单处理系统、并行处理与多处理系统、分布式处理系统。

按并行程度分类：Flynn分类法、冯泽云分类法、Handler分类法、Kuck分类法。

Flynn分类法：根据指令流和数据流分类。

单指令流单数据流机器(SISD)。所有的指令都是串行执行，并且在某个时钟周期内，CPU只能处理一个数据流。早期的计算机都是 SISD 机器。

单指令流多数据流机器(SIMD)。SIMD采用了资源重复的措施开发并行性。现在用的单核计算机基本上都属于SIMD机器。

多指令流单数据流机器(MISD)。在实际情况中，MISD 只是作为理论模型出现，没有实际应用。

多指令流多数据流机器(MIMD)。最新的多核计算平台就属于MIMD的范畴，例如Intel 和 AMD 的双核处理器。

冯泽云分类法：按并行度分类。

字串行位串行计算机（WSBS）、字并行位串行计算机（WPBS）、字串行位并行计算机（WSBP）、字并行位并行计算机（WPBP）。

Handler分类法：基于硬件并行程度计算并行度。

处理机级、每个处理机中的算逻单元级、每个算逻单元中的逻辑门电路级。

Kuck分类法：根据指令流和执行流分类。

单指令流单执行流机器(SISE)、单指令流多执行流机器(SIME)、多指令流单执行流机器(MISE)、多指令流多执行流机器(MIME)。

22、虚设备

系统引入虚拟设备技术主要是为了提高设备的利用率以及使独立设备共享化。