嵌入式工程师
嵌入式工程师基础知识部分
一。进制转换
1)R进制转十进制
方法： 按权展开
- 二进制转十进制
$$
10100.01 = 1×2^4+1×2^2+1×2¯²
$$
- 八进制转十进制
$$
604 = 6×8^2+4×8^0
$$
2)十进制转R进制
方法：短除法
二。数据的存储单位
- 位 b (bit比特)
- 字节 B (Byte)
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三。数的表示
原码
反码：正数同原码，负数符号位不变，按位取反
补码：负数，符号位不变，原码从右往左第一个1后所有位取反
移码：补码符号位取反，其他不变
- 原码和反码表示范围比补码少一个
定点数和浮点数
1)定点数
小数点的位置固定不变
- 定点整数 ： 用来表示整数(小数点位置在数字最低为后)
- 30 ——–> 0001110.
- 定点小数 ： 用来表示纯小数(小数点在符号位和数值位之间)
- 0.875————> 0.1110000
.jpg)
- 浮点数运算
- 对阶
- 尾数计算
- 结果格式化
四。计算机的基本组成
1)输入设备(外设)
2)存储器
3)运算器(主机)
算数逻辑单位ALU：
- 数据的算术运算和逻辑运算
累加寄存器AC：
- 通用寄存器组成，为ALU提供一个工作区，用于暂存数据
数据缓冲寄存器DR
- 读写内存时，暂存指令或数据
状态条件寄存器PSW
- 存状态标志(如溢出标志)与控制标志
4)控制器(五大部件的控制协调，早期核心)(主机)
5)输出设备(外设)
- CPU： 运算器和控制器组成
CPU性能指标
- 主频
- 字长(32位,64位)
- CPU缓存
- 核心数量
总线的分类
一条总线同时只允许一个设备发送，但允许多个设备接受
数据总线(双向传输 CPU—>主存/主存—–>CPU)
- 在CPU与RAM之间来回传送需要处理或者需要存储的数据
地址总线(单向)
- 用来指定在RAM之中存储的数据的地址
控制总线(双向)
- 将微处理器控制单元的信号传送到周边设备
总线的性能指标
带宽 = 位宽 × 工作频率 (数据总量/总时间)
- 处理机由处理器、存储器和总线组成
BIOS/CMOS
- CMOS: 芯片(电池供电，保存计算机配置信息) RAM(可读写)
- BIOS： 程序(将配置信息进行修改写入CMOS) ROM
系统性能评测方法
- 时钟频率
- 指令执行
- 等效指令速度法
- 数据处理速度PDR
- 核心程序法
- 基准测试程序
指令系统
1)定义
指令： 一条指令就是机器语言的一个语句
是一组有意义的二进制代码
2)构成
操作码OP + 地址码字段A
- 操作码 ： 指出计算机要执行什么性质的操作
- 地址码 : 包含各操作数的地址及操作结果的存放地址等
累加寄存器AC 程序计数器PC
4地址: A1 OP A2—>A3 A4—–>下一条指令地址
3地址: A1 OP A2—->A3 PC—–>下一条
2地址: A1 OP A2—–>AC PC—->下一条
1地址： AC OP A2 —-> AC
0地址： 出栈入栈 pop push
3)寻址方式
作用:
- 扩大寻址空间
- 提高编程灵活性
方式
- 立即寻址方式
- 操作数直接在指令中，速度快，灵活性差
- 直接寻址方式
- 指令中存放的是操作数的地址
- 间接寻址方式
- 指令中存放了一个地址，这个地址对应的内容是操作数的地址
- 寄存器寻址方式
- 寄存器存放操作数
- 寄存器间接寻址方式
- 寄存器内存放的操作数的地址
五。流水线
1)定义
多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术
2)指令执行的过程
取值 ———> 分析 ————-> 执行
3)流水线周期
定义：
执行时间最长的一段Δt
计算公式：
TK = 一条指令执行时间+ (指令条数-1)*流水线周期
流水线吞吐率
$$
TP = n/T_k
$$
- 单位时间内完成指令的条数
- 最大吞吐率，即为流水线周期的倒数 1/Δt
4)例题
流水线周期：执行时间最长的一段即为2ns
总时间：
$$
(2+2+1)+(100-1)*2=203ns
$$
六。多级存储器结构
1)层级结构
自上而下，组成6个层次结构，依次变慢，访问效率更低，容量更大，价格更低
2)Cache
功能：提高CPU数据输入输出的速率
速度：计算机存储系统体系中，Cache是访问速度较快的层次
原理：局部性原理
- 空间局部性：一个内存位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用其附近的一个内存位置。
- 时间局部性：被引用过一次的内存位置很可能在不远的将来再被多次引用。
组成：控制部分和Cache存储器部分
位置：介于CPU与内存之间
平均系统周期时间
$$
t_3=h*t_1+(1-h)*t_2
$$- h：Cache访问命中率
- t1: 访问Cache周期时间
- t2: 访问主存储器周期时间
- t3: 系统平均周期
3)地址映像
1.直接映像
- 主存储器中一块只能映像到cache中一个特点的块中
- 主存与缓存分成相同大小的数据块
- 主存空间按缓存容量分成区，每一区的块数与缓存的总块数相等
- 主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置
特点
- 地址变换电路简单，访问速度快
- 空间利用率低，冲突概率高
- 对页面置换算法依赖度较高，且Cache空间利用率较低，命中率较低
2.全相联映像
- 主存中任意一块可以映像到cache中任意一块的位置上
- 主存和缓存分成相同大小的数据块
- 主存的某一数据块可以装入缓存的任意块空间中
特点
- 空间利用率高，命中率较高
- 冲突概率低
- 实现复杂，速度慢，适合小容量cache
3.组相联映像
- 主存和cache按相同大小分块
- cache分为若干组，如两块一组，主存按cache组数分区
- 每个组间采用直接映像方式
- 组内块采用全相联映像
特点
- 折中方法
- 实现难度和成本比直接映像高
七。 I/O控制
直接程序控制：
- 无条件传送方式
- 程序查询方式
中断方式
- 释放CPU，提高执行效率
直接存储器存取方式(DMA)
- 在传送数据块的过程中不需要CPU的干涉
- 是IO与主存之间传送数据的方式，数据不经过CPU
输入输出处理机(IOP)
- 有独立处理功能(用于大型处理机)
八。可靠性、检验码
可靠度计算
失效率 = 1- 可靠度
- 串联系统
- 并联系统
- 混合系统
校验码
码距
1
一个编码系统的码距就是整个编码系统中任意两个码字(合法编码)的最小距离奇偶校验码
- 可检测1位错
CRC(循环冗余码)
- 利用生成多项式为k个数据位产生r个校验位来进行编码(编码长度:k+r)
- 可检测多位错
- 模2运算
海明码
- 可纠正一位错
- 在数据位之间插入K个校验位，通过扩大码距来实现检查和纠错
- 数据位n位,校验位k位
$$
2^k -1 >= n+k
$$