嵌入式开发与单片机

1、简述嵌入式系统的定义及特点。

（1）核心定义： 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”，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。

（2）特点：

1. 常用于特定任务：面向特定任务，软硬件均为特定需求定制。
2. 运行资源有限：处理器性能、内存、存储空间有限，编程需注重效率。
3. 往往极其关注成本：大量生产时，成本控制是重要设计目标。
4. 功耗限制：许多设备采用电池供电，功耗是核心指标。
5. 实时性： often需要在规定时间内响应事件，常采用中断机制和实时操作系统。
6. 环境适应性差异较大：能工作在恶劣环境（高低温、高湿、震动）。
7. 可靠性要求高：需长期稳定运行，错误可能导致严重后果。
8. 长生命周期：产品生命周期内，软硬件需保持稳定和支持。
9. 软件固化：程序通常固化在非易失性存储器中，用户不易修改。
10. 专用开发工具：需要交叉编译、仿真器、调试器等专用工具进行开发

2、 简述嵌入式系统有别于通用计算机系统的主要特征有哪些？

• 专用性：嵌入式系统为特定任务设计，软硬件高度定制；通用计算机系统则面向通用计算任务
• 资源限制：处理器系统、内存、存储上通常受限，注重资源优化
• 实时性要求：嵌入式要求实时反应，需要确定时间内完成任务
• 功耗敏感：通常运行于电池供电或低功耗环境，功耗是重要设计指标
• 环境适应性：嵌入式系统常工作于恶劣环境，需要具备高可靠性
• 成本控制：一般需要量产，所以需要控制成本
• 软件固化：程序通常在ROM、Flash等非易失性存储器中，不易修改
• 生命周期长：嵌入式产品周期长，需要长期稳定运行和维护

3 、 简述嵌入式系统由哪些主要部分构成。嵌入式系统的硬件和软件分别包括哪些内容？

硬件和软件两部分

• 硬件
• 硬件核心平台：处理器（CPU、MPU、MCU）（
  • 存储器（RAM ROM Flash）
  • 输入输出接口（GPIO、ADC、DAC、UART、I2C、SPI）
  • 电源管理模块
  • 外围设备（定时器、外部接口、传感器、执行器、选择器）
  • 关键层：硬件抽象层（HAL） 位置：位于硬件与操作系统/应用软件之间。
• 软件
  • 操作系统（嵌入式Linux、无操作系统等
  • 驱动程序
  • 中间件（通信协议栈、文件系统）
  • 应用程序（实现系统功能）

4、 嵌入式系统中的**硬件抽象层的特点(HAL)**是什么？

• 屏蔽硬件差异：向上提供统一的编程接口，使得软件不直接依赖硬件
• 可移植性：通过HAL可以将应用程序移植到不同硬件
  • 简化开发：不需要深入理解底层硬件细节，提高开发效率
  • 标准化接口：提供标准化函数调用，如初始化、读写、中断处理
  • 便于维护：硬件更换和升级，只需要修改HAL，无需改动上层

5、嵌入式系统的应用领域有哪些？列举自己身边的几个嵌入式应用案例

• （1）
  • 消费电子：智能手机、手表、家电
  • 工业控制：机器人、自动化设备
  • 汽车电子：车载娱乐
  • 医疗设备：监护仪、便携式医疗设备
  • 通信设备：路由器、交换机、基站
  • 互联网：传感器网络、智能家居
  • 航天航空：卫星通信、飞控系统
• （2）
  • 智能空调：控温、定时、远程控制
  • 智能门锁：指纹识别、蓝牙开锁
  • 共享单车：GPS定位、二维码开锁
  • 智能手环：心率监测、运动记录

6、CISC（复杂指令集） 处理器和 RISC（精简指令集） 处理器的区别有哪些？

7、冯诺依曼结构处理器和哈佛结构**处理器各有什么特点？

• （1）冯诺依曼结构
  • 程序指令和数据共用一个储存空间和总线
  • 结构简单、成本低
  • 指令和数据不能同时访问
• （2）哈佛处理器
  • 程序指令和数据分别储存在独立的存储器，使用独立总线访问
  • 可以同时访问指令和数据，提高效率
  • 结构复杂、成本较高，常用于高性能嵌入式系统（DSP、单片机）

8、MCU（微控制器） 有几种位数，并分别进行举例。

- 4位：早期计算器、玩具控制
- 8位：家电、工业控制
- 16位：中低端嵌入式系统（STM8、MSP430）
- 32位：高性能嵌入式系统、物联网设备（ARM Cortex-M 系列）
- 64位：高端嵌入式系统、服务器、汽车电子（armCortex-A系列

9、 Arm 的含义是什么？

• （1）英国一家半导体和软件设计公司
• （2）含义
  • 一种基于RISC架构的处理器设计
  • 一种处理器IP授权模式，ARM公司设计核心架构，授权给其他公司
  • 广泛应用于移动设备、嵌入式系统、物联网领域

10、 STM32CubeMX 辅助开发工具的作用是什么？

• 是一种图形化配置工具
• 作用
  • 引脚配置：可视化配置GPIO、外设引脚复用
  • 时钟配置：图形化配置系统时钟、外设时钟
  • 外设初始化：生成外设初始化代码（基于HAL库）
  • 中间件配置
  • 生成工程：支持到处Keil、IAR等工程文件
  • 功耗估算：估算系统功耗

11、简述通过配置并导出 Keil MDK 工程的过程。

- （1）打开STM32CubeMX，创建新工程或者打开现有工程
- （2）选择目标MCU型号
- （3）配置系统时钟、引脚功能、外设参数
- （4）在“project manager”中设置工程名称、路径、IDE（选择MDK-ARM V5）
- （5）在 “Code Generator” 中勾选 “Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ files”。
- （6）点击“Generate Code”生成工程文件
- （7）使用Keil MDK打开生成的工程文件进行编译和下载

12、 在使用 Keil MDK 编写的 C 代码中，什么时候可以使用printf和 scanf函数，什么时候不可以？

• （1）可以
  • 已经正确设置串口（USART）并重定向fputc和fgetc
  • 已链接标准输入输出库
  • 调试阶段，通过串口输出调试信息
• （2）不可以
  • 实时性要求高的终端服务
  • 资源及其首先，这俩函数会占用较多内存和代码空间
  • 无标准输入输出设备（没有串口或未配置重定向），输出无效

13、在 STM32F1 微控制器，中断与异常的区别是什么？

• 异常：指所有处理器内部或外部事件触发的特殊流程
  • 系统异常（复位...）
  • 外部中断（由外设触发，如GPIO、UART）
• 中断：特指由外部外设触发的中断请求（IRQ），属于一场的一种
• 总结就是所有中断都是异常，但不是所有异常都是中断

14、 简述什么是中断，什么是中断嵌套？

• 中断：指的是处理器在执行程序过程中，有内部或者外部事件触发，暂停当前任务，转而去执行相应的处理程序（ISR），完成后再返回原任务继续执行
• 中断嵌套：在执行一个中断时，允许更高优先级的中断打断当前ISR的执行。处理器要支持优先级管理和硬件堆栈机制

15、串行通信根据数据传输方向都有哪些种类？

• 单工：数据单向传输（无线广播
• 半双工：数据可以双向传输，但不能同时进行（对讲机
• 全双工：数据课同时进行双向传输（电话通信、UART双向通信

16、 在异步串行通信中，当接收数据时，为了判断是否有新的数据到达，应该判断哪一个标志位？

应判断接受数据寄存器非空标志位

• 在UART/USART中为RXNE
• 某些芯片可能是RDRF

17、请观察身边的电子设备或家用电器，列举依赖“时间控制”实现功能的例子。

（例如：智能手机用户无操作15秒、30秒或1分钟后自动熄屏以节省电量。）

• 充电器：定时断电保护电池
• 空调：定时开关
• 电子闹钟：定时响铃
• 微波炉：定时加热
• 洗衣机：定时洗涤托说

18、借助网络工具搜索一下，列举出5至6个嵌入式芯片制造商，并详细说明这些制造商所生产芯片的主要应用领域。

- ARM：授权处理器IP、应用于智能手机、汽车电子、物联网
- STM（意法半导体）：STM32系列MCU，应用于工业控制、消费电子、汽车
- 德州仪器：MSP430、C2000系列，低功耗设备、数字电源、几点控制
- 恩智浦：i.MX、LPC系列，汽车电子、智能卡、物联网
- Microchip: PIC、AVR系列，应用于家电、工业控制、嵌入式系统教学
- 乐鑫：ESP32、ESP，物联网，智能家居，wifi蓝牙设备