嵌入式系統設計師軟考備戰（一）：嵌入式系統概論與核心基礎詳情 - 嵌入式系統,嵌入式,實時系統,Python,後端開發最多選5個技能博客

1. 嵌入式系統概述

1.1 什麼是嵌入式系統

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用於對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統。與通用計算機系統不同，嵌入式系統通常"隱藏"在設備內部，為用户提供特定功能。

典型特徵：

專用性強
實時性要求高
軟硬件一體化
資源受限環境
高可靠性要求
功耗敏感

1.2 嵌入式系統的組成

一個完整的嵌入式系統通常包含：

硬件層：處理器、存儲器、I/O接口、外圍設備
中間層：硬件抽象層(HAL)、板級支持包(BSP)
軟件層：操作系統（RTOS）、應用程序
系統軟件：驅動程序、協議棧、中間件

2. 嵌入式處理器核心知識

2.1 處理器體系結構

哈佛架構 vs 馮·諾依曼架構

哈佛架構：指令和數據分開存儲，並行訪問，效率更高
馮·諾依曼架構：指令和數據統一存儲，順序訪問

CISC vs RISC

CISC（複雜指令集）：指令數量多，功能複雜，指令長度可變
RISC（精簡指令集）：指令數量少，格式統一，執行效率高

2.2 常見嵌入式處理器

ARM架構：Cortex-M系列(微控制器)、Cortex-A系列(應用處理器)、Cortex-R系列(實時處理器)
MIPS架構：主要用於網絡設備、數字電視等
PowerPC架構：通信設備、工業控制等領域
x86架構：工業PC、嵌入式服務器等

3. 嵌入式軟件基礎

3.1 嵌入式操作系統

實時操作系統(RTOS)特點：

任務調度確定性
中斷響應快速
資源管理高效
系統規模可裁剪

常見嵌入式OS：

開源：FreeRTOS、μC/OS-II、RT-Thread、Linux
商業：VxWorks、QNX、ThreadX

3.2 交叉開發環境

嵌入式開發通常採用"交叉編譯"方式：

宿主機(開發機)：進行代碼編寫、編譯、調試
目標機(嵌入式設備)：運行最終程序

開發工具鏈：

編譯器：GCC交叉編譯工具鏈
調試器：GDB、JTAG調試器
仿真器：QEMU、各種硬件仿真器

4. 核心考點與真題解析

4.1 考點一：嵌入式系統特點與應用

例題1（2019年真題）：
下列關於嵌入式系統特點的描述中，錯誤的是（）
A. 嵌入式系統通常是面向特定應用的
B. 嵌入式系統一般具有實時性要求
C. 嵌入式系統都是使用匯編語言開發的
D. 嵌入式系統對功耗、成本等因素較為敏感

解析：
正確答案是C。嵌入式系統可以使用多種語言開發，包括C、C++甚至Python等高級語言，並非都是使用匯編語言開發。彙編語言通常只在性能關鍵或底層初始化部分使用。

4.2 考點二：處理器架構與特點

例題2（2020年真題）：
ARM Cortex-M系列處理器主要針對（）應用領域
A. 高性能計算
B. 實時控制
C. 移動終端
D. 圖形處理

解析：
正確答案是B。Cortex-M系列是ARM公司推出的微控制器內核，專門為深度嵌入式實時應用設計，具有低功耗、低成本、高性能的特點，廣泛應用於工業控制、汽車電子、物聯網設備等領域。

4.3 考點三：實時系統概念

例題3（2021年真題）：
在實時系統中，"硬實時"與"軟實時"的主要區別在於（）
A. 處理器主頻高低
B. 任務執行速度要求
C. 時限錯過導致的後果
D. 系統功耗大小

解析：
正確答案是C。硬實時系統要求任務必須在嚴格時限內完成，否則會導致系統失敗或嚴重後果；軟實時系統雖然有時限要求，但偶爾錯過時限不會導致系統完全失敗，只會造成性能下降。

5. 實戰編程練習

5.1 嵌入式C編程特點

嵌入式C編程需要特別注意：

硬件資源有限，需優化內存使用
直接操作硬件寄存器
關注代碼執行時間和效率
考慮中斷和併發問題

// 典型嵌入式寄存器操作示例
#define GPIOA_BASE 0x40020000
#define GPIOA_MODER (*(volatile uint32_t *)(GPIOA_BASE + 0x00))
#define GPIOA_ODR   (*(volatile uint32_t *)(GPIOA_BASE + 0x14))

void led_init(void)
{
    // 設置PA5為輸出模式
    GPIOA_MODER &= ~(3U << 10); // 清除原有設置
    GPIOA_MODER |= (1U << 10);  // 設置為輸出模式
}

void led_toggle(void)
{
    // 切換LED狀態
    GPIOA_ODR ^= (1U << 5);
}

5.2 中斷處理編程

// 中斷服務程序示例
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if(EXTI->PR & EXTI_PR_PR0)  // 檢查中斷標誌
    {
        EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0; // 清除中斷標誌
        led_toggle();            // 處理中斷：切換LED
    }
}