嵌入式系统设计师软考个人笔记＜1＞

一、嵌入式系统基本概念

定义 ：嵌入式系统是以应用为中心 、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪的专用计算机系统，核心是 "控制程序存储在 ROM 的嵌入式处理器 / 控制板"。

二、基本计算机硬件系统组成

计算机硬件由 5 大核心部件构成（冯・诺依曼体系）：

1. 运算器 ：
   • 核心是ALU（算术逻辑单元），负责算术运算（+、-、×、÷）和逻辑运算（与、或、非）；
   • 嵌入式中集成在 CPU 内部。
2. 控制器 ：
   • 计算机的 "指挥中心"，负责解析指令、协调硬件动作；
   • 与运算器共同组成CPU（中央处理器）。
3. 存储器 ：
   • 内存储器（内存）：速度快、容量小、断电数据丢失（如 RAM）；
   • 外存储器（外存）：速度慢、容量大、断电数据保留（如 ROM、Flash、硬盘）。
4. 输入设备 ：
   • 向计算机输入数据 / 指令的设备（如键盘、传感器、触摸屏）。
5. 输出设备 ：
   • 向外部输出处理结果的设备（如显示器、LED、电机）。

三、计算机核心寄存器（CPU 内部组件）

1. 指令寄存器（IR） ：
   • 存储当前正在执行的指令，供控制器解析。
2. 程序计数器（PC） ：
   • 功能：① 存储下一条要执行的指令地址；② 自动 "计数"（指令执行后，PC 自动 + 1 指向下一条指令）。
3. 地址寄存器（AR） ：
   • 存储要访问的内存 / 外设地址，配合地址总线完成数据读写。
4. 指令译码器（ID） ：
   • 解析指令寄存器中的指令，翻译成硬件可执行的控制信号。

四、数的表示

1. 进制与转换

• 任意进制数（如 N 进制）的权值是 N 的幂次；
• 进制转换：十进制↔二进制 / 八进制 / 十六进制。

2. 机器数的编码（带符号数表示）

机器数用 "最高位表示符号"（0 = 正、1 = 负），常见编码有 3 种：

编码类型	正数表示	负数表示	特点
原码	符号位 + 数值位	符号位（1）+ 数值位	简单直观，但加减法需区分符号，0 有两种表示（+0、-0）
反码	与原码相同	符号位（1）+ 数值位按位取反	是原码到补码的过渡，0 仍有两种表示
补码	与原码相同	反码 + 1	0 只有一种表示，加减法可统一为加法

3. 浮点数表示

• 格式：用符号位 + 阶码（指数）+ 尾数（有效数字） 表示（例：科学计数法的机器实现）；
• 分隔：小数部分与整数部分用 "△"（或小数点）隔开。

4. 移码

• 定义：在数 X 的基础上加一个偏移量，用于表示浮点数的阶码（避免阶码出现负数）；
• 规则：偏移量为2n−1（n 是阶码位数）；

五、数据校验

用于检测 / 纠正数据传输中的错误，常见类型：

1. 奇偶校验 ：
   • 原理：在数据后加 1 位 "校验位"，使数据中 "1 的个数" 为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）；
   • 特点：仅能检测奇数位错误，无法纠错。
2. 海明码 ：
   • 原理：在数据中插入多个校验位，通过校验位的组合定位错误位；
   • 特点：能检测并纠正 1 位错误。
3. CRC（循环冗余校验） ：
   • 原理：通过多项式除法生成校验码，接收方重新计算并对比；
   • 特点：能检测多位错误（常见于通信、存储领域）。

六、计算机的加减法实现

• 核心逻辑：用补码实现加减法统一（减法转加法）；
• 步骤：
  1. 将被减数、减数转换为补码；
  2. 减法→"被减数补码 + 减数补码的相反数补码"；
  3. 计算结果的补码转换为原码，得到最终结果。

七、寄存器分类与功能

1. 程序寄存器（PC）

   • 存放下一条指令的内存地址

   • 顺序执行时自动+1，跳转时装载目标地址

2. 指令寄存器（IR）

   • 存放当前从内存取出的指令

   • 输出到译码器进行解析

3. 地址寄存器（AR）

   • 存放要访问的内存单元地址

   • 连接地址总线，用于寻址

八、控制与译码单元

1. 指令译码器

   • 输入：IR中的操作码

   • 输出：控制信号（如ALU操作、寄存器写使能、内存读写）

2. 时序控制逻辑

   • 生成时钟同步的控制序列

   • 控制数据通路的开关

3. 程序计数器逻辑

   • 控制PC的更新（+1、跳转、中断入口装载）

九、数据通路

PC → 地址总线 → 内存  
内存 → 数据总线 → IR  
IR → 译码器 → 控制信号  
AR → 地址总线 → 内存（数据存取）  
寄存器组 ↔ ALU ↔ 内存