作者：圣才电子书
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2017年9月全国计算机等级考试《三级嵌入式系统开发技术》复习全书【核心讲义＋历年真题详解】试读：
第一部分 备考指南
第1章 考试概述
一、考试简介
全国计算机等级考试（National Computer Rank Examination，简称NCRE），是经原国家教育委员会（现教育部）批准，由教育部考试中心主办，面向社会，用于考查应试人员计算机应用知识与技能的全国性计算机水平考试体系。
计算机技术的应用在我国各个领域发展迅速，为了适应知识经济和信息社会发展的需要，操作和应用计算机已成为人们必须掌握的一种基本技能。许多单位、部门已把掌握一定的计算机知识和应用技能作为人员聘用、职务晋升、职称评定、上岗资格的重要依据之一。鉴于社会的客观需求，经原国家教委批准，原国家教委考试中心于1994年面向社会推出了NCRE，其目的在于以考促学，向社会推广和普及计算机知识，也为用人部门录用和考核工作人员提供一个统一、客观、公正的标准。
二、考试科目级科目代考试时考核课程科目名称别码间代码计算机基础及WPS 1490分钟114Office应用一计算机基础及MS Office1511590分钟级应用计算机基础及Photoshop1611690分钟应用120分C语言程序设计24201、224钟二级120分VB语言程序设计26201、226钟120分VFP数据库程序设计27201、227钟120分Java语言程序设计28201、228钟120分29201、229Access数据库程序设计钟120分61201、261C++语言程序设计钟120分MySQL数据库程序设计63201、263钟120分Web程序设计64201、264钟120分MS Office高级应用65201、265钟120分网络技术35335钟120分36336数据库技术钟三120分37337软件测试技术级钟120分信息安全技术38338钟120分嵌入式系统开发技术39339钟网络工程师4190分钟401、403数据库工程师4290分钟404、405四级软件测试工程师4390分钟401、40544401、403信息安全工程师90分钟嵌入式系统开发工程师4590分钟401、402
说明:
同次考试考生可报考多个级别或科目，但不允许重复报考同一个科目，具体要求请想所在省级承办机构进行咨询。
报考多个科目时需咨询考点，避免考场安排时冲突。如：考生同时报考了二级C、三级网络技术、四级网络工程师三个科目，结果通过了三级网络技术、四级网络工程师考试，但没有通过二级C考试，将不颁发任何证书，三级网络技术、四级网络工程师两个科目成绩，自考试结束之日起可保留半年（按月计算）。下一次考试考生报考二级C并通过，将一次获得三个级别的证书；若没有通过二级C，将不能获得任何证书。同时，三级网络技术、四级网络工程师两个科目成绩自动失效。
三、报考条件
1．考生不受年龄、职业、学历等背景的限制，任何人均可根据自己学习和使用计算机的实际情况，选考不同等级的考试。考生一次只能报考一个科目的考试。考生一次考试只能在一个考点报名。考生可以不参加考前培训，直接报名参加考试。
2．每次考试报名的具体时间由各省（自治区、直辖市）级承办机构规定。考生按照有关规定到就近考点报名。上次考试的笔试和上机考试仅其中一项成绩合格的，下次考试报名时应出具上次考试成绩单，成绩合格项可以免考，只参加未通过项的考试。
3．特殊人员报考条件：
现役军人可使用军官证报考NCRE考试，在其军官证号码前后各加入识别码，此办法也适用于没有身份证的未成年人，识别码的编码有统一格式，前6位后4位。国务院和中央军事委员会联合下发的510号令，已经公布《现役军人和人民武装警察居民身份证申领发放办法》，该办法自2008年1月1日起实施，现役军人可以通过团以上单位集中向地方公安机关申请居民身份证。
无身份证的学生可携带户口本参加报名，身份证丢失者凭公安机关开具的身份证明，外籍人员凭护照参加报名。
四、报考方式
分为考点现场报名与网上报名。
考生在考点现场报名时，需出示身份证以及缴纳相关的考试费。考生一定要亲自到场，不能由任何单位、个人代劳。考生按要求进行信息采集，并逐一核实报名表上的个人信息：姓名、身份证号、照片、报考科目、报考类别（是否补考）等，发现信息不一致要立刻更改。报名完成后请妥善保管“考生报名登记表”防止阻碍准考证的领取。
考生采取网上报名方式，需先在所在省份的网上报名系统注册并填报相关基本信息、上传正面免冠电子近照，然后网上缴费或至指定地点缴费并确认身份信息，完成报名。
一般情况下，每次考试每个考生只能在一个考点完成报名。
考生报名时缴纳的考试费的具体金额由各省级承办机构根据考试需要和当地物价水平确定，并报当地物价部门核准。考点不得擅自加收费用。
注：报名时依据的身份证明包括：居民身份证、军人的证件、护照、户口本等。
五、报考时间考试安排第一场第二场第三场报名时间12月开始5月开始11月10日以后
注：各地的报名时间由考生报考所在地的当地考试机构决定。
六、考试时间
NCRE以往每年开考两次，从2014年开始每年开考次数由两次增为三次。
2016年NCRE安排三次考试，考试时间分别为3月21日～24日、9月19日～22日、12月12日～13日，其中3月和9月考试开考全部级别全部科目，12月只开考一级和二级，由各省级承办机构根据实际情况确定是否开考12月的考试。
七、各级别考试介绍一级科一级WPS Office一级MS Office一级Photoshop目考试NCRE一级上机考试环境为Windows 7简体中文版环境考Photoshop CS5试WPS Office 2012办MS Office 2010软公软件（典型方式安装）件1．单项选择题，1．单项选择题，2020题，20分题，20分2.Windows操作系2.Windows操作系统统的使用，10分的使用，10分题3.Word操作，251．单项选择题，3.WPS文字的操型分55题，55分（含作，25分及计算机基础知识4.Excel操作，20分部分20分）4.WPS表格的操分值作，20分2.Photoshop操作比5.PowerPoint操题，45分5.WPS演示软件的例作，15分操作，15分6．浏览器（IE）6．浏览器（IE）的的简单使用和电简单使用和电子邮子邮件收发，10件收发，10分分1．考核内容包括计算机基础知识和操作技能两部分。2．各科目对基础知识的要求相同，以考查应知应会为主，题型为选择题，分数占全卷的20%（20分）。考3．办公软件类考试，操作技能部分包括汉字录入、Windows核系统使用、文字排版、电子表格、演示文稿、IE的简单应用及内电子邮件收发。容3.Photoshop考试，要求了解数字图像的基本知识，熟悉Photoshop的界面与基本操作方法，掌握并熟练运用绘图工具进行图像的绘制、编辑、修饰，会使用图层蒙版、样式以及文字工具。形完全采取上机考试形式，各科上机考试时间均为90分钟，满式分100分。获证总分不低于60分。条件参加NCRE“计算机基础及Photoshop应用”科目考生，可以在NCRE报名时自愿申请免试取得“Adobe Photoshop产品工备程师认证”证书，即：通过NCRE“计算机基础及Photoshop注应用”科目考试实现一次考试，可以同时取得全国计算机等级证书与“Adobe Photoshop产品工程师认证”证书，即“一考双证”。二级数据库程序办公软件高语言程序设计类设计类级应用MAVyC科JaVWcc办公软件高C语言FS+目vaBebes级应用PQ+sL考试NCRE 二级上机考试环境为 Windows 7 简体中文版环境NeNtBMeteay-nsVSV中FQBBVi国PLM6.easu教6.（S 0 nsal育0 C考A简Visual考简o试ccMS Office 中C体试体m软es2010国C++ 6.0+中版中m件s2教+ 文，文un01育6.专IE专ity0考0业6.业 5.试版0 版5.版及1620以）07上1．单项选择题，20分1．单项选（含公共基择题，40础知识部分题，40分10分）（含公共基础知识部分2．文字处题1．单项选择题，40题，40分10分）理题型（含公共基础知识部分10分）（Word），及2．程序填2．基本操作题，18分30分分空题，3小值空，18分3．简单应用题，24分3．电子表比格题3．程序改4．综合应用/操作题，18分例（Excel），错题，2个30分错误，24分4．演示文4．程序设稿题计题，18分（PowerPoint），20分二级定位为程序员，考核内容包括公共基础知识和程序设计。考所有科目对基础知识作统一要求，使用统一的公共基础知识考核试大纲和教程。二级公共基础知识在各科考试选择题中体现。内程序设计部分，主要考查考生对程序设计语言使用和编程调试容等基本能力，在选择题和操作题中加以体现。形完全采取上机考试形式。各科上机考试时间均为120分钟，满式分100分。获证总分不低于60分条件三级嵌入式系科数据库技软件测试信息安全网络技术统开发技目术技术技术术考试环1.NCRE三级上机考试环境为 Windows 7 简体中文版境2．数据库技术考核C语言程序设计，使用 Visual C++ 6.0与软件题型1．单选题，40题，40分及分2．综合题，40分值3．应用题，20分比例1．网络技术。网络规划与设计、局域网组网技术、计算机网络信息服务系统的建立及计算机网络安全与管理。2．数据库技术。数据库应用系统分析及规划、数据库设计及实现、数据库存储技术、并发控制技术、数据库管理与维护、数据库技术的发展及新技术。考3．软件测试技术。软件测试的基本概念、软件测试技术、软核件测试过程和管理方法。内容4．信息安全技术。信息安全保障概论、信息安全基础技术与原理、系统安全、网络安全、应用安全、信息安全管理、信息安全标准与法规。5．嵌入式系统开发技术。嵌入式系统的概念与基础知识、嵌入式处理器、嵌入式系统硬件组成、嵌入式系统软件、嵌入式系统的开发等相关知识和技能。形完全采取上机考试形式。各科上机考试时间均为120分钟，满式分100分。1．总分不低于60分，并已经（或同时）获得二级相关证书。2．三级数据库技术证书要求已经（或同时）获得二级数据库获程序设计类证书；网络技术、软件测试技术、信息安全技术、证嵌入式系统开发技术等四个证书要求已经（或同时）获得二级条语言程序设计类证书。件3．考生早期获得的证书（如Pascal、FoxBase等），不严格区分语言程序设计和数据库程序设计，可以直接报考并获得证书。备无注四级嵌入式系科网络工程数据库工软件测试信息安全统开发工目师程师工程师工程师程师考试NCRE四级上机考试环境为Windows 7简体中文版。环境题型及1．单选题，60题，60分分2．多选题，20题，40分值比例1．网络工程师。考核计算机网络、操作系统原理两门课程。测试内容包括网络系统规划与设计的基础知识及中小型网络的系统组建、设备配置调试、网络系统现场维护与管理的基本技能。2．数据库工程师。考核数据库原理、软件工程两门课程。测试内容包括数据库系统的基本理论以及数据库设计、维护、管理与应用开发的基本能力。考3．软件测试工程师。考核操作系统原理、软件工程两门课核程。测试内容包括软件测试的基本理论、软件测试的规范及标内准，以及制定测试计划、设计测试用例、选择测试工具、执行容测试并分析评估结果等软件测试的基本技能。4．信息安全工程师。考核计算机网络、操作系统原理两门课程。测试内容包括网络攻击与保护的基本理论与技术，以及操作系统、路由设备的安全防范技能。5．嵌入式系统开发工程师。考核操作系统原理、计算机组成与接口两门课程。测试内容包括嵌入式系统基本理论、逻辑电路基础以及嵌入式系统中的信息表示与运算、评价方法等基本技能。1．无纸化考试，考试总时间为90分钟，单课程考试没有时间要求。形2．四级考试科目由五门专业基础课程中指定的两门课程组式成，总分100分，两门课程各占50分。3．专业基础课程为计算机专业核心课程，包括：操作系统原理、计算机组成与接口、计算机网络、数据库原理、软件工程。两门课程分别达到30分及以上，并已经（或同时）获得三级获相关证书。证条2013年3月及以前获得的三级各科目证书，不区分科目，可以件作为四级任一科目的获证条件。备无注
·2015年NCRE继续实施2013年版考试大纲，教材参见全国计算机等级考试教材目录（2015年版）。
八、考试要求
1．具有嵌入式系统、微电子技术、数字媒体以及计算机网络的基础知识。
2．熟悉嵌入式微处理器的体系结构、功能特点，初步掌握ARM汇编语言程序设计。
3．熟悉嵌入式系统硬件的组成，掌握常用I/O接口和I/O设备的控制技术。
4．熟悉嵌入式系统软件的基本架构，理解嵌入式操作系统的功能与结构，掌握其移植和配置方法。
5．熟悉嵌入式系统的开发方法及常用工具，掌握开发嵌入式系统的基本技能。
九、考试内容（一）嵌入式系统开发的基础知识
1．嵌入式系统的特点、分类、发展与应用。
2．嵌入式系统的组成与微电子技术（集成电路、EDA、SoC、IP核等技术的作用和发展）。
3．嵌入式系统与数字媒体（文本、图像和音频/视频等数字媒体的表示与处理）。
4．嵌入式系统与网络通信技术（数字通信与计算机网，TCP/IP协议，互联网接入技术等）。（二）嵌入式处理器
1．嵌入式处理器的结构、特点与分类（不同类型的典型嵌入式处理器及其特点，嵌入式处理器分类等）。
2.ARM处理器内核的体系结构（工作状态，工作模式，寄存器组织，异常，数据类型与存储格式等）。
3．典型ARM处理器内核（ARM9，Cortex-A，Cortex-M，Cortex-R等的技术特点与应用领域）。
4.ARM处理器指令系统及汇编语言程序设计（指令格式，寻址方式，指令集，伪指令，语句格式与程序结构，ARM汇编语言与C的混合编程等）。（三）嵌入式系统硬件组成
1．嵌入式硬件组成与嵌入式处理芯片（组成，特点，类型，ARM的AMBA总线，嵌入式处理芯片的选型）。
2．嵌入式系统的存储器（层次结构，分类，性能指标；片内存储器，片外存储器，外部存储设备等）。
3.I/O接口、I/O设备以及外部通信接口（GPIO、I2C、SPI、UART、USB、HDMI等；键盘、LED、LCD、触摸屏、传感器等；RS-232/RS-485、CAN、以太网和常用无线通信接口）。
4．基于ARM内核的典型嵌入式处理芯片（S3C2410/S3C2440芯片的内部结构，如片上总线、DMA、时钟控制、中断控制、GPIO、UART、I2C、SPI、Timer、RTC、WDT及其他硬件组件）。（四）嵌入式系统软件
1．嵌入式系统的软件组成与实时操作系统（嵌入式系统软件组成，嵌入式操作系统的发展，实时系统与实时操作系统，微内核与宏内核，嵌入式操作系统的仿真平台等）。
2．板级支持软件包（BSP）和引导加载程序Bootloader（硬件抽象层HAL，BSP的功能和移植，Bootloader的执行过程，U-boot及其移植等）。
3．嵌入式Linux操作系统（嵌入式Linux的发展和自由软件，嵌入式Linux内核的结构、系统调用接口，常见嵌入式Linux等）。
4．嵌入式操作系统μC/OS-II（基本特点、代码结构、任务管理与调度、任务通信、中断处理、移植等）。（五）嵌入式系统的开发
1．嵌入式系统的开发过程和工具（开发步骤，交叉开发平台和工具，系统的调试工具等）。
2．系统开发工具软件（ADS、RVDS的特点与使用，GCC的常用命令与参数）。
3．以S3C2410/S3C2440为背景的应用系统开发（硬件接口及部件的综合使用；无操作系统环境下的系统开发；μC/OS-II环境下的系统开发）。
十、成绩及证书
1.NCRE实行百分制计分，但以等第通知考生成绩。等第共分优秀、及格、不及格三等。90～100分为优秀、60～89分为及格、0～59分为不及格。一般在考后30个工作日内由教育部考试中心将成绩处理结果下发给各省级承办机构。考后50个工作日，考生可登录教育部考试中心综合查询网（chaxun.neea.edu.cn）进行成绩查询。部分省市如江苏、黑龙江等也可通过省市考试院或者人事考试中心进行查询。
2.NCRE成绩在及格以上者，由教育部考试中心颁发合格证书。考后45个工作日教育部考试中心将证书发给各省级承办机构，然后由各省级承办机构逐级转发给考生。考生证书若丢失，可登录教育部考试中心综合查询网补办合格证明书。补办合格证明书收费21元，其中制证、邮寄费用20元，银行收取手续费1元。
3.NCRE合格证书式样按国际通行证书式样设计，用中、英两种文字书写，证书编号全国统一，证书上印有持有人身份证号码。该证书全国通用，是持有人计算机应用能力的证明，也可供用人部门录用和考核工作人员时参考。
一级证书表明持有人具有计算机的基础知识和初步应用能力，掌握Office办公自动化软件的使用及因特网应用，或掌握基本图形图像工具软件（Photoshop）的基本技能，可以从事政府机关、企事业单位文秘和办公信息化工作。
二级证书表明持有人具有计算机基础知识和基本应用能力，能够使用计算机高级语言编写程序，可以从事计算机程序的编制、初级计算机教学培训以及企业中与信息化有关的业务和营销服务工作。
三级证书表明持有人初步掌握与信息技术有关岗位的基本技能，能够参与软硬件系统的开发、运维、管理和服务工作。
四级证书表明持有人掌握从事信息技术工作的专业技能，并有系统的计算机理论知识和综合应用能力。
第2章 复习技巧
一、备考指导
1．勇往直前
进入下午考试，也许有疲劳或不好的感觉，自信心就会下降；当看到题干很长，操作较复杂的题时，就有想回避或焦虑、急燥的情绪。这是典型的“两军未战，兵先屈”的败兴思绪。要知道两对手相遇勇者胜，勇者相遇智者胜。抛开所有不必要的想法，相信自己的实力，做到心无旁鹜，勇往直前。
2．审清题干
题干包含了整个题目的条件和要求，若题干比较复杂，就要注意将题干“分段”来阅读，前后注意衔接，必要时在草稿纸上记载下关键点。有时候题干很长，看似很复杂，让很多人望而却步。其实，这种题更好解，因题干长了则提示信息也就多了。主要是考你有没有勇气和耐心。
3．解读试题
首先，要翻阅一下全部试卷，注意试题的时间及分数的分配情况，做到心中有数。
其次，要弄清题意，明确题目要求。因为考试要求可能与自己习惯的答题要求有所不同，所以一定要按题意和要求去回答。
最后，要特别注意题目中比较隐蔽的条件。一般而言，条件隐蔽的问题难度较大，考生必须看清有关的线索，找出隐蔽条件，问题才能迎刃而解。
4．相信自己
当题做得非常顺利时，心里不要太得意，因为越是看似容易的题目越是错的多，当然也不要逆向思维，觉得这题这么简单是不是做错了，要相信自己，说到底还是要审清题目的意思；
二、题型分析
1．选择题
选择题为单选题，是客观性试题，试题覆盖面广，一般情况下考生不可能做到对每个题目都有把握答对。这时，就需要考生学会放弃，即不确定的题目不要在上面花费太多的时间，应该在此题上做上标记，立即转移注意力，作答其他题目。最后有空余的时间再回过头来仔细考虑此题。但要注意，对于那些实在不清楚的题目，就不要浪费时间了，放弃继续思考，不要因小失大。
绝大多数选择题的设问是正确观点，称为正面试题；如果设问是错误观点，称为反面试题。考生在作答选择题时可以使用一些答题方法，以提高答题准确率。（1）正选法（顺选法）：如果对题支中的4个选项，一看就能肯定其中的1个是正确的，就可以直接得出答案。注意，必须要有百分之百的把握才行。（2）逆选法（排谬法）：逆选法是将错误答案排除的方法。对题支中的4个选项，一看就知道其中的1个（或2个、3个）是错误的，可以使用逆选法，即排除错误选项。（3）比较法（蒙猜法）：这种办法是没有办法的办法，在有一定知识基础上的蒙猜也是一种方法。
2．操作题
上机考试重点考察考生的基本操作能力，要求考生具有综合运用基础知识进行实际操作的能力。上机操作题综合性强、难度较大。上机考试的评分是以机评为主，人工复查为辅的。机评当然不存在公正性的问题，但却存在呆板的问题，有时还可能因为出题者考虑不周出现错评的情况。考生做题时不充分考虑到这些情况，就有可能吃亏。
掌握好上机考试的应试技巧，可以使考生的实际水平在考试时得到充分发挥，从而取得较为理想的成绩。历次考试均有考生因为忽略了这一点，加之较为紧张的考场气氛影响了水平的发挥，致使考试成绩大大低于实际水平。因此每个考生在考试前，都应有充分的准备。总结以下几点供考生在复习和考试时借鉴：（1）对于上机考试的复习，切不可“死记硬背”
根据以往考试经验，有部分考生能够通过笔试，而上机考试却不能通过，主要原因是这部分考生已经习惯于传统考试的“死记硬背”，而对于真正的知识应用，却显得束手无策。为了克服这个弊病，考生一定要在熟记基本知识点的基础上，加强上机训练，从历年试题中寻找解题技巧，理清解题思路，将各类典型试题反复练习。（2）在考前，一定要重视等级考试模拟软件的使用
在考试之前，应使用等级考试模拟软件进行实际的上机操作练习，尤其要做一些具有针对性的上机模拟题，以便熟悉考试题型，体验真实的上机环境，减轻考试时的紧张程度。（3）学会并习惯使用帮助系统
大部分软件都有较全面的帮助系统，熟练掌握帮助系统，可以使考生减少记忆量，解决解题中的疑难问题。（4）熟悉考试场地及环境
尤其是要熟悉考场的硬件情况和所使用的相关软件的情况。考点在正式考试前，会给考生提供一次模拟上机的机会。模拟考试时，考生重点不应放在把题做出来，而是放在熟悉考试环境，相应软件的使用方法，考试系统的使用等方面。（5）做上机题时要不急不燥，认真审题
先分析，后操作。明白了问题是什么以后，先把问题在脑海里过一遍，考虑好如何操作后，再依思路从容做答。而不要手忙脚乱、毛毛躁躁、急于作答。对于十分了解或熟悉的问题，切忌粗心大意、得意忘形、而应认真分析，必须将题目给出的全部内容逐字看清楚后针对具体问题进行操作。
常言道“熟能生巧”、“打铁还得本身硬”，再好的方法与技巧若没有基础，是发挥不了作用的；如若有了一定的功底，再差的招式也会产生很大的威力，就像金庸小说中杨过的那柄钝剑。但是如果只看不练，不会有提高。建议大家多做模拟试题和历年试题，锻炼解题的能力与节奏。
第二部分 核心讲义
第1章 嵌入式系统概论
一、嵌入式系统及其应用
1．嵌入式系统（1）嵌入式系统的含义
嵌入式系统是嵌入式计算机系统的简称，它是一种嵌入在设备（或系统）内部，为特定应用而设计开发的专用计算机系统。系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等多种约束的专用计算机系统。（2）嵌入式系统的共同特点
①专用性
嵌入式系统与具体应用紧密结合，具有很强的专用性。它按照特定的应用需求进行设计，完成预定的任务。往往对系统作最优化设计和裁剪，使得系统运行效率很高。
②隐蔽性
嵌入式系统通常是非计算机设备（系统）中的一个部分，它们隐藏在其内部，不为人知。
③资源受限
嵌入式系统通常要求小型化、轻量化、低功耗及低成本，因此其软硬件资源受到严格的限制。
④高可靠性
嵌入式系统大多面向控制应用，系统的可靠性十分重要。
⑤实时性
嵌入式系统广泛应用于过程控制、数据采集、通信传输等领域，承担着测量、报警、控制、调节等任务，所以必须在一个可预测和有保证的时间范围内对外部事件作出正确的反应。
⑥软件固化
嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。嵌入式系统中的软件一般都固化在只读存储器（Read-Only Memory，ROM）中，用户通常不能随意变更其中的程序功能。（3）“嵌入式”一词的使用说明
①“嵌入式系统”、“嵌入式计算机”与“嵌入式计算机系统”同义，都泛指嵌入在设备或系统中的专用计算机系统，既包含硬件，也包含软件。
②广义上，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。狭义上，嵌入式系统强调那些使用嵌入式微处理器构成的具有自己的操作系统和特定功能、用于特定场合的独立系统。本书中的嵌入式系统一般是指广义的嵌入式系统。
③“嵌入式设备/产品/应用系统”指的是使用了嵌入式计算机的设备/产品/应用系统，也就是嵌入式计算机的宿主设备/产品/系统，有时也笼统地称为“嵌入式应用系统”或“嵌入式应用”。
④“嵌入式”用作定语。
⑤为行文简洁，“系统”一词有时候指的是嵌入式系统，有时候指的是嵌入式应用系统，有时候指某个具体的子系统，视上下文而定。（4）嵌入式系统的应用
嵌入式系统所涉及的应用领域非常广泛，通信设备、仪器仪表、医疗器械、消费电子、家用电器、计算机外围设备、汽车、船舶、航空、航天等均是嵌入式系统的主要应用领域。
①消费类应用产品
冰箱、洗衣机、空调、微波炉、电饭煲、热水器等“白色家电”；电视机、机顶盒、家庭影院、数码相机、摄像机、DVD播放器、MP3播放器、PDA、电子字典、游戏机、电子琴、智能玩具等数码产品。
②产业类应用产品
数控机床、工业机器人、机电一体化设备、生产线控制等工业设备；汽车、飞机、铁路机车、船舶、电梯等运输工具；X光机、超声诊断仪（B超）、计算机断层成像系统（CT）、心脏起搏器、监护仪、磁共振成像、心电计、血压计等医疗电子设备。
③业务类应用产品
电话机、传真机、打印机、扫描仪、复印机等办公设备；电子秤、条码阅读机、商用零售终端（POS）、银行点钞机、IC卡读卡机、取款机、自动柜员机（ATM）、自动售货机、信息亭等金融电子设备；手机、GPS导航仪、Modem、路由器、集线器（Hub）、交换机、网桥等通信设备。
④军用类应用产品
火炮、导弹、智能炸弹的制导引爆等武器控制装置；坦克、舰艇、战机、无人机等军用电子装备；雷达、电子对抗、导航系统等军事通信装备。
2．嵌入式系统的组成与分类（1）嵌入式系统的逻辑组成
嵌入式系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件的主体是中央处理器和存储器，它们通过输入/输出（I/O）接口和输入/输出设备与外部世界联系，并借助总线相互连接，这些硬件连同嵌入式软件一起构成完整的嵌入式系统。图1-1是嵌入式计算机硬件的逻辑组成及其与外部世界关系的示意图。图1-1 嵌入式计算机硬件的逻辑组成
①处理器“处理器”是能按照指令的规定高速度完成二进制数据算术和逻辑运算的部件，它由运算器、控制器、寄存器、高速缓冲存储器（Cache）等部件组成。
有些嵌入式系统会包含多个处理器，它们各有其不同的任务，其中负责运行系统软件和应用软件的主处理器称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU），其余的都是协处理器。CPU是任何计算机不可或缺的核心部件。
字长指的是CPU中通用寄存器和定点运算器的二进位宽度。CPU的字长有4位、8位、16位、32位、64位之分。使用最多的还是8位和16位的CPU，但32位和64位CPU是技术发展的主流。通用计算机的CPU则以64位为主。
嵌入式系统的性能在很大程度上是由CPU决定的。CPU的性能主要表现为程序（指令）执行速度的快慢，而影响程序（指令）执行速度的因素很多，例如：
a．主频（CPU时钟频率）
指CPU中电路的工作频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢。一般而言，主频越高，执行一条指令需要的时间就越短。
b．指令系统
指令的格式、类型和指令的数目、功能等都会影响程序的执行速度。
c．高速缓冲存储器的容量与结构
程序运行过程中高速缓冲存储器（Cache）有利于减少CPU访问内存的次数。通常，其容量越大、级数越多，其效用就越显著。
d．逻辑结构
CPU包含的定点运算器和浮点运算器数目、有无协处理器、流水线级数和条数、有无指令预测和数据预取功能等，都对指令执行的速度有影响。
②存储器
存储器的任务是存储程序和数据。按照存取特性，存储器分为易失性存储器和非易失性存储器两大类（图1-2）。前者在掉电（或关机）后会丢失所存储的信息，后者则能永久或半永久性地保存信息，即使掉电（或关机）信息也不会丢失。图1-2 半导体存储器的类型及其应用
a．随机存取存储器RAM（Random Access Memory）
随机存取存储器属于易失性存储器，它有两种：动态随机存取存储器（Dynamic RAM，DRAM），DRAM的电路简单，集成度高，功耗小，成本低，通常用作存放正在运行/处理的程序/数据的工作存储器；静态随机存取存储器（Static RAM，SRAM），SRAM的电路较复杂，集成度低，功耗较大，成本高，但工作速度非常快，往往与CPU内核集成在同一芯片内，用作程序和数据的高速缓冲存储器（Cache）。
b．非易失性存储器
常用的包括：掩膜只读存储器（Mask ROM），不可修改；电可擦可编程只读存储器（Electrially Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM），通过专用设备可以离线修改，它们用来存放那些很少需要更新的程序代码（称为“固件”）；闪速存储器（Flash Memory，简称闪存）是一种新型的非易失性存储器，其特点是它能方便地在线写入信息。
Flash存储器有两类：或非型（NOR Flash），以字节为单位进行随机存取，存储在其中的程序（称为“固件”）可以直接被CPU执行；与非型（NAND Flash），以页（行）为单位进行存取，读出速度稍慢，通常应将程序或数据预先读入到RAM中再使用，但它在容量、使用寿命和成本方面有较大优势，所以大多做成存储卡或U盘，用来扩充存储器容量或用于脱机保存程序和数据，作为辅助存储器使用。
③I/O设备与I/O接口
a．I/O设备的分类
第一，用于人机交互的设备，如按键、键盘、触摸板、触摸屏、鼠标器、操纵杆、手写笔、话筒（麦克风）、发光二极管、液晶显示器、打印机等，它们是用户界面的硬件部分。
第二，用于机机交互的设备，包括各种类型的传感器（压力传感器、温度与湿度传感器、重量传感器、运动传感器、距离传感器、光传感器、红外传感器、电流电压传感器和生物传感器等）和各种伺服执行机构（继电器、微电机、步进电机、线性电机等）。
b．I/O接口的作用和分类
I/O接口用于连接和控制I/O设备的工作。它有多种类型：从数据传输速率来看，有低速和高速之分；从数据传输方式来看，有串行和并行之分；从是否需要物理连接来看，有有线与无线之分；从是否能连接多个设备来看，有总线式（可串接多个设备）和独占式（只能连接一个设备）之分。
c．常用的I/O接口
第一，通用串行总线式接口，包括USB 2.0/USB 3.0、IEEE 1394、以太网接口等；
第二，异步串行接口，包括RS-232-C、RS-485等；
第三，视频信号接口，包括视频图形阵列（Video Graphics Array，VGA）接口、数字视频接口（Digital Video Interface，DVI）、高清晰度多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）等；
第四，工业总线接口，包括控制器局域网（Control Area Network，CAN）接口、15538接口、局域互联网（Local Interconnect Network，LIN）接口等；
第五，无线接口，包括红外线（IrDA）接口、蓝牙（Bluetooth）接口、Zigbee接口、WiFi接口等。
④数据总线
数据总线（Data Bus）简称总线，它是嵌入式系统各组件之间进行数据传输的一个传输通路。它由传输线和控制电路组成，为连接在总线上的系统内或系统外的各个组件提供数据传输和相应的控制服务。
内部总线是将系统内部的组件连接在一起的总线；外部总线是外部组件（包括与其他嵌入式系统）进行连接所使用的总线。外部总线也称为系统的扩充总线，它们与通信网络接口和某些I/O接口有时并不严格区分。
⑤软件
a.低端嵌入式系统的软件
低端嵌入式系统的软件只需配置一个监控程序、若干设备驱动程序和事件处理程序即可。系统工作时，它不断地重复运行监控程序，若发现有外部事件发生，通过中断服务例程去执行相应的事件处理程序，随后再返回继续运行监控程序。
b.高端嵌入式系统的软件
第一，BSP和驱动程序属于底层软件，它们在操作系统和硬件之间构成一个硬件抽象层，负责屏蔽具体硬件的差异和细节，向操作系统提供统一的标准接口。
第二，实时操作系统是整个嵌入式系统的核心，它负责管理系统中的各种软硬件资源，完成任务调度、存储分配、文件管理、人机交互等功能，是应用软件的运行平台。
第三，中间件位于操作系统与应用软件之间，为上层的应用软件提供开发和运行环境。由于它向应用软件提供了标准化编程接口，使应用软件的开发相对独立于硬件和操作系统，并使应用软件能在不同的系统上运行，因而降低了开发成本。
第四，应用软件则是专门用于解决具体应用问题的软件，不同应用系统需要配置不同的应用软件。（2）嵌入式处理芯片
嵌入式系统中的CPU一般具有4个特点：支持实时处理，低功耗，结构可扩展和集成了测试电路。
①微处理器
根据CPU的字长，微处理器产品也有4位、8位、16位、32位和64位之分。当用于嵌入式系统时，这些通用微处理器可能删除一些与嵌入式应用无关的功能部件，而增加一些为嵌入式应用专门设计的功能，因此在功耗、工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面有所增强。
将微处理器应用于嵌入式产品（系统）时，除处理器芯片之外，还需要外接RAM、 ROM、总线、I/O接口、小键盘、发光二极管等多种器件，它们都安装在一块电路板上，称为单板计算机（单板机）。单板机体积较大，在工业控制领域使用较多。
典型的微处理器产品主要有PowerPC、MC68000、MIPS、AMD、x86等系列。
②数字信号处理器
a．数字信号处理器的定义
数字信号处理器（DSP）是专用于数字信号处理的微处理器，它对通用处理器的逻辑结构和指令系统进行了优化设计，使之能更好地满足高速数字信号处理的要求（如图1-3）。图1-3 DSP的典型应用方式
b．DSP在嵌入式应用中的解决方案
第一，DSP经过单片化和电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）改造，在同一芯片中集成了包括数字基带、SRAM、射频、电源管理等功能部件，成为专门的嵌入式DSP。
第二，在通用微处理器中扩展DSP功能，或者在单片机（或SoC）中增加DSP协处理器内核。
③微控制器（单片机）
a．微控制器和微处理器的区别
微控制器将整个计算机硬件的大部分甚至全部电路集成在一块芯片中。除CPU外，芯片内还集成了ROM/EEPROM、RAM、总线、定时/计数器、看门狗定时器（WatchDog Timer，WDT）、I/O接口、A/D转换器、D/A转换器、网络通信接口等各种必要的功能部件和外设接口（图1-4）。与微处理器不同，它只需要很少一些外接电路就可以独立工作，因此体积减小，功耗和成本降低，可靠性也相应提高。
b．微控制器的特点
微控制器实际上是一种集成在单个芯片中的小型计算机。它们的工作频率不高，存储容量较小（通常只有几百KB），功耗很低（有些是毫瓦甚至微瓦级），由于它们在各种嵌入式应用中主要作为控制单元使用，所以习惯上人们都把它们称为微控制器（Microcontroller Unit，MCU）。
c．微控制器的应用范围
MCU的品种和数量很多，广泛应用在过程控制、机电一体化产品、智能仪器仪表、家用电器、计算机网络及通信等方面。图1-4 典型微控制器（单片机）的组成
d．微控制器的内核位数发展
MCU按其使用的处理器内核的位数，也经历了1位、4位、8位、16位及32位的发展阶段。低端MCU不因高端产品的出现而衰落甚至淘汰。
e．微控制器的产品
代表性的产品系列包括：微芯公司（Microchip）的PIC微控制器系列，Intel公司的MCS51（8051）、MCS-96/296、i960，飞思卡尔公司的CPU12、CPU16、CPU32，Atmel公司的51系列及AVR单片机系列，TI公司的MSP430系列等等。
④片上系统
a．片上系统的特点
片上系统（图1-5）能够把计算机或其他一些电子系统的全部电路都集成在单个芯片上。SoC（片上系统）将计算机或其他电子系统集成在单个芯片中，所以也称为系统级芯片。它可以处理数字信号、模拟信号、数/模混合信号，其集成规模很大，一般达到几百万到几千万个门电路。图1-5 片上系统（SoC）
b．片上系统和微控制器的区别
尽管微控制器也是一种单芯片的计算机，但通常它只是一种简易的、功能弱化了的单片系统。而SoC则常常被用来指功能更加强大的嵌入式处理芯片，它们可以运行Windows和Linux之类的台式机操作系统，能连接外存储器（例如闪存芯片）和附加的各种外部设备。为执行更为复杂的任务，一些SoC还采用了多个处理器核心。
目前，大多数高端嵌入式系统均采用SoC。（3）嵌入式系统的分类与发展
①嵌入式系统的分类
a．按用途分类
分为军用、工业用和民用三大类。其中，军用和工业用嵌入式系统的运行环境要求比较苛刻，如耐高温/低温、耐湿、耐冲击、耐强电磁干扰、耐粉尘、耐腐蚀等。民用嵌入式系统则要求易于使用、易维护和性价比高等。
b．按实时性分类
第一，非实时系统[如个人数字处理（Personal digital assistant，PDA）、电子书等]，它们对系统的响应时间几乎没有要求；
第二，软实时系统（消费类电子产品），此类系统的响应时间如果没有满足规定的时间约束，并不会导致灾难性的后果；
第三，硬实时系统（工业和军工系统），如果对外部事件的响应不能满足规定的时限，将会造成灾难性的后果。
c．按产品形态分类
第一，系统级产品（以标准机柜形式提供的工控机、PC104模块等）
第二，板级产品（各种类型的带CPU的主板及OOEM产品）
第三，片级产品（SoC、单片机、DSP、微处理器等）。
d．按软硬件技术复杂程度分类
分为低端系统、中端系统和高端系统三大类（表1-1）。表1-1 不同类型嵌入式系统的比较
②嵌入式系统的发展
a．20世纪60年代初，美国麻省理工学院开发出第一个公认的现代嵌入式系统：阿波罗导航计算机。
b．在20世纪60年代中期进入嵌入式系统批量生产阶段。
c．从20世纪70年代微处理器出现后，真正意义上的嵌入式系统开始发展。
这一阶段嵌入式系统主要是以4位到8位单片机为核心的可编程控制系统，它们在设备（系统）中与传感器、伺服器等一起起着控制、检测、显示和指示作用。
主要特点是：结构和功能相对单一，效率不高，存储容量小，没有操作系统支持，人机交互极为简单，使用汇编语言编程。
应用大多局限于一些工业控制设备及家用电器（如洗衣机、吸尘器等）的机电控制中。
d．20世纪80年代中期，许多以前属于外围电路的元器件被集成到了处理器芯片中，昂贵的模拟电路元件（如分压计和可变电容等）也能使用数字电路代替，这就使嵌入式系统得到了更广泛的应用。
这一阶段的系统以8位到16位处理器为基础，配置简单的操作系统。
主要特点是：CPU种类多、通用性较差、系统开销小、操作系统只具有低度的兼容性和扩展性、用户界面不够友好及网络功能较弱。尽管如此，嵌入式系统还是显著提高了应用对象的智能化水平、智能仪表、智能家电、智能玩具等大量出现，所有电子设备几乎都开始数字化。
e．20世纪90年代中期开始，集成电路进入超深亚微米乃至纳米加工时代，SoC的出现使得一块集成电路芯片就能实现一个复杂的电子系统。这就使嵌入式系统发展更加迅猛。
这一阶段的嵌入式系统以使用32为精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）处理器和嵌入式操作系统（Embedded Operating System EOS）为标志。
主要特点是：芯片功能向高端扩展，操作系统内核精小、功能完善，模块化程度高，开发工具齐备，嵌入式应用软件丰富，它适应了后PC时代数字化产品对强大网络连接和多媒体信息处理功能的需求。
f．当前，嵌入式系统的硬件方面出现了更多适应嵌入式应用的产品。
g．今后嵌入式系统将向着更高性能、更小功耗、更低成本的方向发展，连通性和多媒体化将是嵌入式系统技术上的两个主要发展趋势。（4）嵌入式引用系统举例
数码相机（Digital Camera，DC）是传统相机的换代产品，它是嵌入式系统的典型应用之一。数码相机与传统相机的根本区别在于它不再使用胶片而使用电子器件成像，使景物的影像能直接以数字代码的形式记录下来，极大地方便了影像的存储、处理和分发。
图1-6是数码相机的原理框图。前端由镜头、CCD图像传感器及驱动电路（TG）、取样控制器（CDS）、A/D转换器等组成，所获取的数字图像信号送后端进行处理。后端是以嵌入式DSP作为CPU的SoC芯片，DSP用于完成数字图像处理（如色彩处理、分辨率转换、JPEG编码/解码、MPEG4编码/解码等）和声音的录制与回放，外围电路则负责存储卡（CF、SD、MMC等）的读/写、LCD屏的显示、视频输出、USB接口操作等。图1-6 数码相机的结构
此外，数码相机中还有一个超低功耗的8位MCU，它负责进行操作控制，如镜头的自动变焦、快门控制、闪光灯控制等。借助LCD屏和一些按钮，数码相机还提供了简单的用户界面，进行系统的初始化和各种参数设置。
用于数码相机的嵌入式系统一般配置有实时操作系统和多种图像处理及音频/视频处理软件，还提供了一个简单的菜单驱动的用户界面软件。
3.SoC芯片（1）微电子技术
①集成电路
微电子技术是实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的技术，它以半导体集成电路为核心。集成电路根据它所含电子元件（如晶体管、电阻、电容等）的数目可以分为小规模、中规模、大规模、超大规模和极大规模等几种。
②集成电路的制造
a．集成电路是在硅衬底上制作而成的。硅衬底是将单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片，它的厚度不足1 mm，其直径可以是6英寸、8英寸、12英寸甚至更大，这种硅片称为硅抛光片，它经过严格清洗后即可用于集成电路的制造（图1-7）。图1-7 集成电路的制造过程
b．制造集成电路所用的工艺技术称为硅平面工艺，包括氧化、光刻、掺杂等多项工序。把这些工序反复交叉使用，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件（如晶体管、电阻、电容、逻辑开关等）的集成电路。视硅片大小和集成电路的复杂程度，每一硅抛光片上可制作出成百上千个独立的集成电路，这种整整齐齐排满了集成电路的硅片称作晶圆。
c．晶圆制成后，剔除不合格的。然后将晶圆切开，分割成一个个单独的集成电路小片，将合格的集成电路按其电气特性进行分类。这些集成电路小片就称为晶片。
d．接下来是将每个晶片固定在塑胶或陶瓷的基座上，并把芯片上蚀刻出来的引线与基座底部伸出的插脚进行连接，然后盖上盖板，进行封焊，这就制成了一块集成电路成品。成品经测试后，按照它们的性能参数分为不同等级，贴上规格、型号等标识的标签，包装后即可出厂，这就是通常所说的集成电路芯片或简称芯片（Chip）。
②集成电路的发展趋势
集成电路的特点是体积小、重量轻、可靠性高。集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快。所以，从集成电路问世以来，人们就一直在缩小门电路的尺寸上下工夫。芯片上电路元件的线条越细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多，功能就越强，速度也越快。
摩尔定律：单块集成电路的集成度平均每18~24个月翻一番。
集成电路的技术进步日新月异。当前，世界上集成电路批量生产的主流技术已经达到12-14英寸晶圆、45nm或32nm的工艺水平，并还在进一步提高。表1-2以Intel公司CPU芯片为例总结了集成电路技术的发展趋势。表1-2 集成电路技术的发展趋势
最复杂的CPU芯片所集成的晶体管数目已超过10亿个，移动设备存储卡所用的每个芯片包含的晶体管数量已达100亿个，先进的CMOS集成技术已经可以实现数字电路、模拟电路、射频电路等的集成，以满足嵌入式系统对体积、速度、成本、功耗等方面的需求。
③微机电系统
微机电系统（MEMS）体现了近年来机电一体化技术向微型化的发展。它在芯片上融合了光、机械、电子等多类不同技术的构件（也称组件），是集微型传感器、微型执行器、信号处理器、接口、通信电路、电源等于一体的微型器件或微型系统（图1-8），在传感器、显示器件、微型机电等诸多产品领域中开拓了嵌入式系统的新应用。图1-8 MEMS系统（2）通用SoC和专用SoC
①通用SoC芯片
通用的SoC芯片指半导体企业通过自主开发处理器内核或购买其他企业的处理器内核的IP授权，按照目标应用领域功能要求所开发的SoC芯片系列。它的品种很多，嵌入式应用开发商可直接使用通用的SoC芯片开发嵌入式应用产品，半导体企业在提供通用SoC芯片的同时还提供系统开发的配套工具和开发环境，确保产品研发成功。
目前国际上开发生产通用SoC的半导体厂商有多家，产品多种多样。包括三星的Exynos系列之外、英伟达的Tegra系列、高通的骁龙（Snapdragon）系列，联发科（MTK）的 MT系列等，这些芯片大多采用ARM公司的Cortex-A架构作为CPU内核。Cortex-A是采用 ARMv7或ARMv8指令集的应用处理器，包括：Cortex A5、Cortex A7、Cortex A8、Cortex A9以及Cortex A15等。Intel公司开发的Atom系列也是通用SoC，它们包含1~4个x86处理器内核、两级Cache、GPU、I/O接口和存储控制器等。
②专用SoC芯片
专用的SoC芯片是嵌入式系统开发商依据待开发产品的特殊要求，向半导体企业定制的 SoC芯片。专用SoC芯片为委托方所专用，无法在市场采购到，从而保护了委托方的产品知识产权。（3）SoC芯片的开发流程
SoC芯片的开发流程大致可分为如图1-9所示的4个阶段。其中大部分工作都是借助于电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）工具完成的。图1-9 SoC芯片的开发流程
①总体设计
总体设计阶段的任务是按照系统需求说明书确定SoC的性能参数，并据此进行系统全局的设计。
总体设计阶段可以采用系统设计语言System C（或称IEEE 1666，它是C＋＋的扩充）或 SystemVerilog语言对SoC芯片的软硬件作统一的描述，对系统功能、性能、功耗乃至芯片面积等诸方面进行仿真评价，对软硬件进行协同验证，然后自动生成寄存器传输级描述语言（RTL）文档，提高SoC的开发效率。
②逻辑设计
将总体设计的结果用RTL语言进行描述（源文件）后，再使用逻辑综合软件将源文件进行综合，生成最简的布尔表达式和信号的连接关系（以类型为EDF的EDA工业标准文件表示）。
RTL是寄存器传输级描述语言，用以描述芯片硬件组成部分的逻辑结构及其功能。各项功能经验证之后，可自动生成对应的门级电路图。
③综合与仿真
这一阶段将对由RTL生成的各部分电路图作芯片电路综合及仿真测试。所需验证的逻辑电路是由AND、OR、NAND等门电路构成的。接着再用电路图生成器来生成门级网表以进行门级仿真。
④芯片制造
将经过验证后的逻辑电路配置入SoC芯片内，并与其他电路进行互连。然后借助EDA中的布局布线工具，生成VLSI制造工艺所需要的一组芯片版面掩膜图（1ayout）。
掩膜图上排列着大量的晶体管图形和连线，它们由几何图形单元组成，并按半导体工艺要求分为众多层次，由多边形编辑器自动制作，并由掩膜图验证工具进行验证。
接下来就可进入VLSI生产线试制样片，验证各项功能的正确性，发现问题并修改后再次进行流片，直至芯片功能全部符合系统总体设计的要求为止。（4）IP核及其复用
①IP核
a．库中所包含的IC设计文件分类
第一，逻辑门级，包括各种基本的门电路；
第二，寄存器传输级，如寄存器、多路选择器、译码器、数据转换器等；
第三，行为级（又称为功能级），如CPU、DSP、存储器、总线与接口电路等。
b．核、核库及IP核的概念
这些已完成的并经过验证的IC具有固定的不可再分解的功能特性，称为“核”（Core），相应的数据库称为“核库”。核库中的设计文件均属于知识产权（Intellectual Property，IP）保护的范畴，所以它们也被称为“知识产权核”或“IP核”。
c．IP核的分类
第一，软核（Soft Core）使用硬件描述语言（HDL）描述的IP核称为软核，灵活性较大，可根据具体的半导体工艺重新进行综合，常用于功能仿真。使用软核有利于按目标产品的要求进行创新和改进，但后续的工作量很大。
第二，固核（Firm Core）这是与工艺相关的包含具体结构信息
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]