第六届信息技术应用水平大赛 < 嵌入式开发与应用技术个人赛赛点解析 >

第六届信息技术应用水平大赛< 嵌入式开发与应用技术个人赛赛点解析 >

教育部教育管理信息中心

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预赛安排

题型为是非题、选择题。题量是 70道，其中是非题 40道，每道题 1 分；单选题 30道，每道题 2 分，合计 100分。考试方式采用网络在线考试，系统自动阅卷。考试时间为 100分钟。考试日期： 10月 15日考试地点：各参赛学校

题型、题量、考试形式与考试时间


复赛安排

题型为论述、设计、电路分析题等主观题。题量为论述题 4 道，电路分析题 2 道、设计题 1 题。试卷满分为 150分。考试方式为计算机答题。考试时间为 3 小时。考试日期是 11月 5 日考试地点是大赛组委会联同各省赛区办公室指定的承办院校（详见大赛官方网站）



决赛安排

题型为综合创新设计与操作题。题量为 1 道设计与操作题，在大赛组委会特别开发的创新实践平台上完成电子系统的设计、安装、调试，并写出实践文档。考察综合运用基础知识的能力、综合设计能力、以及制作与调试等的动手能力和解决复杂问题的能力。试卷满分为120分。考试方式为实验室实际操作。考试时间为 4 小时。考试日期为 12月 4 日～ 5 日考试地点定于北京



考试内容 ---基础知识部分

基本元器件

R.L.C－－特点、性能、标识、应用、元件上 V 与 I 的相位关系、元件的分压与分流

变压器－－种类、特点、电压、电流、阻抗之比稳压二极管、变压二极管、发光二极管、光电二极管的工作条件

与主要参数 BJT 与 FET的对比β、 rbb’、 Iceo 、 ƒT 、 gm 、 Vp 、 VT 等参量的含义与应用输入特性、输出特性、传输特性的特点与应用等



基本电路与电路基本定律基尔霍夫第一、第二定律、戴维定理、叠加定理四种滤波器－－低通、高通、带通、带阻基本电路－－做耦合、滤波、微分、积分

如：要使输入方波不失真传至输出端，电路参数应如何选择？ RLC串联、并联电路如图电路的分析：电流、电压的失量关系； Uo1 、 Uo2 、 Uo的计算公式；电路的选频曲线； Q 值、通频带宽度的计算

Uc

r

Ui Uo1

Uo2

in

UL

C

L

(a) (b)

iR ic iL

in Uo

R C L

R

CVi Vo R

C

Vi Vo



模拟电子电路－－基本放大电路

共 e 、共 c 电路为主，共 b 电路次之－－电路及电路特点，元件作用，输入 / 输出波形关系、应用、计算失真等

FET共源、共漏放大器的电路特点，与 BJT放大器的性能对比。

Rs C1Vi

Vo

Rb1

Rb2

Rc

Re

C2

CeRL

+Vcc

C1Vi

Vo

Rb

Re

C2

RL

+Vcc



模拟电子电路－－负反馈放大器

四种负反馈放大电路的识别与分析电压串联负反馈放大器－－稳定 Vo，提高 Ri，对前级电路影响减弱。

电压并联负反馈放大器－－稳定 Vo，降低 Ri，对前级电路影响加大。电流串联负反馈放大器－－稳定 Io，提高 Ri，对前级电路影响减弱。电流并联负反馈放大器－－稳定 Io，降低 Ri，对前级电路影响加大。深度负反馈对放大器的影响

Avƒ=Av

1+AvFv≈1

Fv



模拟电子电路－－正弦波振荡器

正弦波振荡器的种类－－ RC， LC，晶振， DDS， PLL（重点在 RC、三点式振荡电路）

正弦波振荡器的电路组成－－基本放大器，正反馈电路，选频电路，起振条件，平衡条件

RC振荡器－－电路，特点，频率计算，负载的影响与解决的办法，实际电路的分析

LC三点式振荡器－－组成原则，等效电路，实际电路的分析晶振－－特点，石英谐振器在振荡电路中的作用 DDS信号源的特点 PLL信号源的特点



模拟电子电路－－运算放大器

内部组成－－差放输入级、中间级、输出级、偏置电路理想条件－－“虚短”、“虚断”概念应用－－正反向放大、加、减、跟随、比较、微分、积分、滤波要求－－输入输出波形关系、幅值关系等例：下述电路的分析：三级运放起何作用？ A 、 B 、 C 三点波形？若 C 点

要输出锯齿波有何办法？

-

+

-

+

-

+R

R4

C

CBA

t



模拟电子电路－－功率放大电路

主要指标－－功率、效率主要电路－－ OTL、 OCL、 BTL等 D 类放大电路的组成与工作原理要求－－电路、工作原理、交越失真、 Po计算、效率计算例：图（ a ）、（ b ）的电路分析理想状态时 RL所得的功率？实际中 RL所得的功率？ C 值变小时会影响什么指标？如何解决交越失真？

+Vcc +Vcc

C

RL

Ui Ui

RL

-Vcc

(a) (b)



模拟电子电路－－稳压电源

二极管稳压电路－－电路、出入波形关系 , 稳压性能、优缺点。串联调整型稳压电源 ---稳压性能、优缺点。开关型稳压电源 ---稳压性能、优缺点。要求：

电路组成框图、工作原理各主要点信号波形与幅值关系部分电路图及元器件选择



数字电路

二进制、十进制、十六进制、二 - 十进制间的相互转换简单的逻辑化简基本门电路－－与、或、非、异或、三态、 TTL等的符号、逻辑关系，

出与入信号波形关系，多余输入端的处理触发器－－ RS、 JK、 D 等的特性方程，典型应用，主要引脚的功能。计数器、存储器、译码器 ---二 -4译码器的逻辑电路，存储器的结构、寻址，二进制异步加、减计数器的各点波形

数码管－－共阴共阳段代码，多位显示的控制。



PC基本知识

PC的系统组成－－硬件系统，软件系统硬件系统－－主机、外设主机 ---微处理器（ CPU）、内存储器、 I/O接口、三大总线外设 ---外存储器、输入设备、输出设备软件系统－－系统软件，应用软件三种 PC语言－－高级、汇编、机器，高级语言、汇编语言如何转换成机

器语言单片机 ---特点、应用、常用芯片参数接口－－串行、并行、 8250、 8251、 8253、 8855A、 8259A、 RS232、 USB等……

A/D、 D/A－－作用、主要参数、选用条件



仪器及使用方法

三用表－－分类、作用、特点、工作原理示波器－－各旋钮作用、测 V/f的方法、输入电阻、同步作用、波形显示原理

信号源－－种类、特点、频率稳定性能及输出阻抗问题电压表－－分类、特点、输入阻抗问题及数字电压表稳压电源－－指标，内阻大小等扫频仪与频谱分析仪－－作用、特点、选用及工作原理 Q 表－－作用、特点、工作原理



设计题

根据设计要求画电路或系统的组成框图分析电路指标及元器件选择指明设计中的重点与难点例：温度（压力、气体等）信号的数据采集、存储、显示、回控系统的设计例：语音信号的采集、存储、回放系统的设计例：交流信号的幅度、频率测试系统的设计例：直流稳压电源设计例：信号波形的产生与变换电路的设计例：音频功率放大器的设计



综合分析题

给定电路，进行工作过程的分析与计算例：串联调整型稳压电源电路的分析与计算例：照相机快门控制电路的分析例：闭环温度控制电路的分析例：正弦波信号源电路的分析与计算例：运算放大器综合应用电路的分析与计算例：功率放大电路的分析与计算例：直流电机转向与转速控制电路的分析


考试内容 --嵌入式专业知识

嵌入式系统定义是控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置 IEEE定义嵌入式系统是软硬件的结合体通常认为以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可剪裁、能够满足用户需求的专用计算机系统


考试内容—嵌入式专业知识

嵌入式系统课程强调从部件到系统

课程目标：在掌握模电、数电、微机原理与接口的基础上，通过实践训练掌握从需求分析、系统开发、系统实现的工程实践能力



嵌入式系统的特点这是一个充满竞争与机遇的行业，没有哪一家族的处理器和操作系

统能够垄断全部市场

现状：产品与技术比较分散

专用性实时性 “嵌入性” 需要专门的开发环境



嵌入式系统应用领域：电信、网络、家电、医疗、汽车电子、军事等

产品：手机、可视电话、机顶盒、车载电子设备等



嵌入式处理器分类1.嵌入式微控制器 MCU 典型：单片机（特点：单片化、体积小、价格低、种类多；适于控

制）2.嵌入式 DSP处理器 EDSP--- 专用于信号处理方面的处理器特点：集成度高、运算速度快（广泛应用于语音、图像处理）3.嵌入式微处理器 MPU--- 由通用计算机 CPU演变而来特点：具有 32位或以上的处理器、体积小（与工业控制计算机相

比）、可靠性高4.嵌入式片上系统 SOC--- 在处理器内部嵌入操作系统，用以实现复杂系统

特点：软硬件无缝结合运用 VHDL语言，综合仿真后将嵌入式系统大部分集成在芯片

内



嵌入式操作系统

在嵌入式系统中操作系统不是必须的

为什么引入操作系统？ 1.系统运行多任务、内存分配复杂2.系统需要图形用户界面3.系统需要协议支持4.文件管理



嵌入式通用操作系统支持的技术： 1.中断技术 2.缓存（Cache）技术 3.DMA (direct Memory Access) 4.保护模式 CPU接收到中断后停止原来的工作，转去处理中断事件；中断事件处理完毕后返回到原来断点继续工作。

使用中断技术是提高处理器效率的一个重要手段处理器内部集成一小块存储器（ cache），将常用的指令和数据放

入 cache；避免频繁访问内存



什么是 DMADMA Direct Memory Access --- 直接存储器存取

一种不经过 CPU而直接从内存存取数据的数据交换方式

优点：释放处理器，提高数据传输效率数据直接在源地址和目的地址之间传送

DMA操作需要一块在物理上连续的空间



DMA的传输过程

DMA请求响应传输结束

小结： DMA传输方式无需 CPU的直接控制 DMA传送方式高于程序中断 DMA主要由硬件实现缺陷： DMA允许外设直接访问内存，形成对总线的独占



嵌入式实时操作系统

功能任务管理实时时钟中断管理存储器优化管理等



嵌入式操作系统商用型 VxWorks、（ WindRiver ） Windows CE 、 Palm

OS （ 3COM）、 pSOS （ ISI）、 OS-9 (Microware) 、 QNX OS (QNX) 等

特点：稳定可靠、技术支持与售后完善、价格高免费型 Linux 、 uC/ OS-Ⅱ 特点：开源性、稳定性、免费性



关于 ARM

ARM Advanced RISC Machines-- 代表公司名称-- 一类嵌入式处理器-- 一种技术

ARM公司本身不直接从事芯片生产，只出售芯片设计技术的授权；由合作公司生产各具特色的芯片。

目前全世界有几十家大的半导体生产商使用 ARM公司的授权



计算机体系结构冯·诺依曼体系结构 --- 提取指令和数据是通过一个单一的内部数据总线进行

哈佛体系结构：--- 程序指令存储与数据存储分开的存储结构---分别设置指令总线和数据总线进行存取



ARM体系结构 RISC技术 Reduced Instruction Set Computer 中心思想：精简指令集的复杂度。特点：使用大量的通用寄存器采用流水线技术简单的寻址模式


ARM体系结构流水线技术以三级流水线为例

取址译码执行

取址译码执行

取址译码执行



ARM体系结构五级流水线

ARM7的内核一般为三级流水线 ARM9的内核为五级流水线 ARM10的内核为六级流水线 XScale为七级流水线




ARM体系结构

1.V1版本地址空间 26位 2. V2版本地址空间 26位未商业授权 3. V3版本地址空间 32位 4.V4版本地址空间 32位在 32位指令集的基础上增加 16 位 Thumb指令集代表： ARM7TDMI ARM922T



ARM体系结构 ARM7TDMI 采用冯·诺依曼结构三级流水线时钟速率 66MHz或更高 0.9MIPS/MHz性能 ARM922T 哈佛结构五级流水线 1.1MIPS/MHz性能 MIPS/MHz 每秒百万条指令



ARM体系结构 5.V5版本支持 ARM 与 Thumb指令集之间进行切换支持 DSP运算 (E) 增加对 Java指令支持 (J) 指令与数据分离的 Cache结构五级流水线代表 ARM946E ARM926EJ



ARM体系结构 ARM10 六级流水线时钟频率 300MHz或更高指令 Cache、数据 Cache 各 32K 能够运行多种商用操作系统



ARM体系结构 6.V6版本时钟频率 350—500MHz 最高可达 1GHz 支持多媒体处理运算 SIMD （ Single Instruction Multiple Data）指令扩展 Thumb-2指令将 Thumb技术性能提高 25% IEM （ Intellingent Energy Manager）技术 TrustZone技术

代表 ARM1136J-S ARM1176JZ-S



ARM体系结构 7.Coxtex 版本（ V7）哈佛结构流水线三级 + 分支预测 Thumb-2指令集

Coxtex- A 系列（ V7A） Coxtex- M 系列（ V7M） Coxtex- R 系列（ V7R）



ARM体系结构嵌入式处理器内核

MIPS核 ARM核 PowerPC核 68K/ColdFire核



ARM处理器工作状态

1.ARM状态2.Thumb状态3. ARM 与 Thumb间的切换



ARM处理器工作模式用户模式 User 快速中断模式 FIQ 外部中断模式 IRQ 管理模式 SVC 中止模式 ABT 未定义指令模式 UND 系统模式 SYS



ARM处理器寄存器组

1.通用寄存器 31个（ ARM状态下）



ARM处理器寄存器组

2.状态寄存器 6 个（ ARM状态下） CPSR SPSR-svc SPSR-abt SPSR-und SPSR-irq SPSR-fiq

条件码

程序状态寄存器格式



ARM处理器寄存器组 Thumb状态：--- 是 ARM状态下寄存器组的子集



ARM处理器的异常中断

1.复位异常 RESET2.数据访问中止异常 DABT3.快速中断请求异常 FIQ4.外部中断请求异常 IRQ5 指令预取中止异常 FABT6.软件中断（ SWI）和未定义指令（ UNI）异常



ARM处理器的异常响应

1.将下一条指令地址存入相应 LR，以便异常处理完成后能从正确位置重新开始执行。

2. 将 CPSR的值复制到相应的 SPSR

3.设置适当的 CPSR位，进入相应的异常模式。

4.转入相应异常处理



ARM存储器格式

ARM存储字数据的格式

大端格式

小端格式



ARM微处理器数据类型支持：字节 8 位半字 16位字 32位

每种支持有符号数和无符号数



ARM指令系统特点：加载 / 存储型指令集仅能处理寄存器中的数据，处理结果放回寄存器。对系统存储器的访问需要通过专门的加载、存储指令来完成。



ARM指令系统ARM指令寻址方式●立即寻址●寄存器寻址●寄存器间接寻址●基址加变址寻址●相对寻址●多寄存器寻址●堆栈寻址



ARM指令系统

ARM指令●跳转指令●数据处理指令●程序状态寄存器传送指令●加载和存储指令●协处理指令●异常中断指令



ARM指令系统

Thumb指令大多数指令只能访问 R0---R7

R8---R15被限制访问


嵌入式系统的启动代码启动代码： CPU复位后到进入 C 语言的 Main函数之前需要执行的汇编代码

功能：分配外部数据空间堆栈空间中断入口



嵌入系统的启动流程

Reset 设置中断设置看门狗 / 外围设置存储器设置堆栈跳转到 C 入口点




嵌入式系统的 Boot Loader

Boot Loader 一段具有引导加载功能的程序启动代码可以是 Boot Loader一部分每种不同的处理器体系结构有不同的 Boot Loader；系统加电复位后，所有处理器通常从处理器制造商预先安排的的地址上取指令

系统加电复位后，处理器首先执行 Boot Loader



集成开发环境

● SDT 2.5● ADS1.2● Keil uVision4

● IAR EWARM4 (Embedded Workbench for ARM )● 其他　



微处理器与外围接口基于 ARM的微处理器与外围接口



典型接口设计简介 RS-232接口设计微处理器内部只有 UART,对没有集成 RS-232接口的微处理器芯片与其他设备进行通信需要使用 RS-232标准接口

注意：微处理器的 I/O接口电平与 RS-232标准接口往往不匹配。需要电平转换。



串行通信基本原理异步串行方式是将传输数据的每一个字符一位接一位的传送。数据

的各不同位，通过同一根线路顺次传送


串口的连接方式只用 3 根线的连接方式




典型接口设计简介在微处理器中怎样应用？设置串口波特率对微处理器内部 UART可配置参数初始化通用 I/O(GPIO)相关端口功能设置对 UART内部相关寄存器进行设置编写程序实现功能



串口控制台调试将 PC最为嵌入式系统的终端设备，在 PC上控制和调试嵌入式系统

超级终端串口调试助手 ( 可从网上下载）串口调试工具



关于超级终端超级终端是 Windows操作系统自带的一个通讯工具启动命令是： hypertrm.exe 超级终端是一个通用的串行交互软件，很多嵌入式应用的系统有与

之交换的相应程序，通过这些程序，可以通过超级终端与嵌入式系统交互，使超级终端成为嵌入式系统的“显示器”



关于 IIC总线 IIC总线基本知识

数据传送启动停止条件：当 SCL为高电平时， SDA由高电平到低电平的跳变，表示数据传送的开始。当 SCL为高电平时， SDA由低电平到高电平的跳变，表示数据传送的结束。



关于 IIC总线数据传送格式



关于 IIC总线硬件电路 : 对集成 IIC总线接口的微处理器，可直接将基于 IIC总线的主控

器件或被控器件挂接到 IIC总线上。



配置 IIC总线●I/O端口的 IIC功能设置

●使能 IIC中断

●初始化 IIC接口，设置时钟频率 SCK

●配置 IIC总线相关寄存器

● 编写发送、接受应用程序



IIS总线简介 IIS总线是菲利浦提出的音频总线协议

IIS只处理声音数据，其他信号 ( 如：控制信号）必须单独传输

串行总线：提供时分复用数据线字段选择线（声道选择）时钟信号线



IIS总线简介IIS的数据传输



基于 IIS总线音频系统方框图



基于 IIS总线音频系统以播放为例

1.音频文件数据格式2. I/O端口的 IIS功能设置3.设置 IIS相关寄存器4.设置解码器时钟频率5. 编写应用程序



分析音频文件格式使用 UltraEdit



怎样学习借助参考书目（基础）网络论坛（解惑）开发板（借助例程加快学习步伐）芯片手册（很重要）厂家官网 ( 技术支持）帮助文件（消灭误解）实际动手（腾飞）

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