目录一、第一章1.1 数值转换1.2 数据的表示1.3 计算机的基本组成1.4 流水线1.5 多级存储器结构1.6 I/O控制方式1.7 可靠性、校验码二、第二章三、第三章总结一、第一章1.1 数值转换1.进制转换十进制 ↔ 二/八/十六进制除基取余 / 按权展开二进制B ↔ 八进制Q3 位一组二 进制B↔ 十六进制H4 位一组八进制Q ↔ 十六进制H走二进制中转例985D1111011001B1731Q3D9H二转八001111011001B1 7 3 1Q从右到左三位一组不足三位左边加0二转十六001111011001B3 D 9H从右到左四位一组不足四位左边加0八转十六1 7 3 1Q001111011001D001111011001D3 D 9H八-二-十六2.数据存储单位数据在计算机中的最小存储单位是位bit用小写b表示。字节Byte是数据的基本单位由8个二进制位组成用大写B表示。1KB千字节等于1024字节1MB兆字节等于1024KB1GB吉字节等于1024MB1TB太字节等于1024GB。3.二进制逻辑运算逻辑运算包括与AND、或OR、非NOT和异或XOR四种基本运算。与运算只有当所有输入位都为1时输出才为1。或运算只要有一个输入位为1输出就为1。非运算对输入位进行取反操作。异或运算当输入位不同时输出为1相同时为0。1.2 数据的表示1.原码、反码、补码、移码原码符号位用0表示正号用1表示负号。反码正数的表示与原码相同负数的符号位不变其他数值位取反。补码正数的表示与原码和反码相同负数的符号位不变在反码的基础上加1。负数的补码转原码符号位不变数值位取反末位加1。移码在补码的基础上数值不变符号位取反。1.3 计算机的基本组成1.计算机硬件五大部件输入设备如键盘用于输入数据和程序到存储器。输出设备如打印机和显示器用于输出数据。存储器如硬盘和内存用于保存数据和程序。运算器如算术逻辑单元ALU用于进行算术运算和逻辑运算。控制器如程序计数器、指令寄存器和时序部件用于协调各个部件的工作。2.五大部件分类运算器和控制器合称为中央处理单元CPU。存储器分为辅助存储器和主存储器辅助存储器如硬盘主存储器如内存条。输入设备、输出设备和存储器合称为外部设备。主机由中央处理单元和主存储器组成。3.运算器和控制器包含的寄存器运算器包含算术逻辑单元ALU、累加计算器AC、数据缓冲计算器和状态条件计算器PSW。控制器包含程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器和时序部件。4.运算器中的寄存器功能算术逻辑单元ALU进行算术运算和逻辑运算。累加计算器AC为ALU提供工作区暂时保存数据。数据缓冲计算器读写内存时的缓存暂时保存指令或数据。状态条件计算器PSW存放运算状态标志或控制标志如溢出标志和除零标志。5.控制器中的寄存器功能程序计数器PC存储下一条要执行指令的地址。指令寄存器IR存储即将执行的指令。指令译码器对指令进行译码分解出操作数。时序部件提供时序控制信号和时钟信号。6.CPU的性能指标CPU的性能指标包括主频、字长和CPU缓存。主频是工作频率单位是赫兹1/秒越高则运算速度越快。字长是单位时间能处理的数据位数越长则运算速度越快。CPU缓存包括高速缓存和寄存器位于CPU和内存之间速度比内存快。核心数量是指CPU中的处理核心数量如双核、四核等。核心数量越多进程并发度越高性能越好。7.总线的分类和性能指标总线分为数据总线、地址总线和控制总线。数据总线用于传输数据是双向的。地址总线用于指定数据地址是单向的。控制总线用于传输控制命令可以是双向的。总线性能指标包括带宽、位宽和工作频率。带宽是单位时间能处理的数据量单位是字节每秒。位宽是数据总线的宽度单位是bit。工作频率是时钟频率单位是赫兹。例题总线宽度为32bit时钟频率为200MHz若总线上每5个时钟周期传送一个32bit的字则该总线的带宽为多少MB/S带宽位宽bit×工作频率Hz数据总量bit/总时间s1个时钟周期1/时钟频率200MHz32bit4B带宽4B/5×1/200MHz160MB/s8.寻址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是操作数的地址。指令系统中采用不同寻址方式的目的扩大寻址空间并提高编程灵活性。1.4 流水线例:若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分且三部分的时间分别是取指2ns分析2ns执行1ns。那么流水线周期是? 100条指令全部执行完毕需要的时间就是?答流水线周期为一条指令中时间最长的2ns总时间T122100-1×2203ns1.5 多级存储器结构1.存储器的六个层次S0寄存器位于 CPU 内部保存来自 Cache 的字是速度最快、容量最小的存储单元。S1芯片内的高速缓存Cache保存取自芯片外 Cache 的 Cache 行速度仅次于寄存器为 CPU 核心提供高频访问数据。S2芯片外的高速缓存SRAM、DRAM、DDRAM保存取自主存储器的 Cache 行作为片内 Cache 与主存之间的缓冲。S3主存储器Flash、PROM、EPROM、E2PROM保存取自外部存储器的文件是系统运行时的主要内存载体。S4外部存储器磁盘、光盘、CF 卡、SD 卡保存取自远程二级存储的文件用于大容量、长期数据存储。S5远程二级存储分布式文件系统、Web 服务器跨设备 / 跨网络的大容量存储用于归档、备份等场景。2.地址映射方式地址映射是将内存地址转换为高速缓存地址的过程。直接映射主存储器中的一块只能映射到高速缓存中的一个特定块。全相联映射主存储器中的任意一块可以映射到高速缓存中的任意一块。主存块按高速缓存的组数进行分区每组采用直接映射主存块采用全相联映射。1.6 I/O控制方式1.直接程序控制方式直接程序控制包括无条件传送方式和程序查询方式。无条件传送方式CPU和外部设备时刻准备通信响应速度快。程序查询方式CPU不断查询外部设备的状态空闲时才进行数据传输。2.中断方式中断方式CPU在发送数据后释放控制权外部设备打印完成后发送中断信号。中断方式提高了CPU的利用率但仍需占用一定CPU时间。3.DMA方式CPU在发送数据后将控制权交给DMA控制器由DMA控制器直接与外部设备通信。DMA方式在数据传输过程中不需要CPU干预仅在开始和结束时需要CPU处理。4.IOP方式IOP方式用于大型主机或分布式系统中具有独立处理能力的输入输出处理器。IOP方式提高了CPU的利用率适用于大型系统和分布式系统。1.7 可靠性、校验码1.可靠性2.码距、检错和纠错码距相同位不同的个数就是码距的大小如1和0码距为110和01码距为2101和010码距为3。码距越小检错和纠错能力越弱码距越大检错和纠错能力越强。奇偶校验码奇偶校验码通过增加校验位使编码中1的个数为奇数或偶数。奇校验使1的个数为奇数偶校验使1的个数为偶数。奇偶校验码只能检测一位错不能纠错。循环冗余校验码CRCCRC利用生成多项式为数据位生成校验位。 CRC是唯一使用模2运算的校验码。 CRC可以检测多位错但不能纠错。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为kr。海明校验码海明校验码在数据位之间插入校验位可以检测和纠正一位错。若数据位是n校验位是k则n和k满足2^k - 1 ≥ n k。二、第二章2.1 嵌入式系统体系结构嵌入式软件体系结构分为五个层次硬件层、设备驱动层、操作系统层、中间件层和应用软件层。硬件层包括处理器、存储器、键盘、显示器等。设备驱动层负责硬件初始化包括BSP板级支持包和驱动程序。操作系统层包括内核和扩展部分内核包含任务管理和中断管理扩展部分如网络系统、文件系统等。中间件层包括嵌入式COB、嵌入式Java、嵌入式.NET等提供特定领域的功能。应用软件层基于特定领域开发实现具体功能如手机游戏开发。2.2 嵌入式操作系统概述1.嵌入式操作系统分类系统类型分类商用系统、专用系统、开源系统。响应时间分类硬实时、软实时、非实时。软件体系结构分类单体结构、分层结构、微内核结构。2.单体结构操作系统单体结构定义将内核和设备驱动程序集成在一个可执行文件中功能模块相互调用。优点性能较好直接调用各模块通信开销小。缺点系统体积庞大高度集成裁剪困难。示例Linux、μC/OS、PDOS等。3.分层结构操作系统分层结构定义将内核按层次组织上一层只能调用下一层层与层之间单向调用。优点开发和维护简单替换某一层不影响其他层次。缺点通信开销较大。示例Windows CE、QNX等。4.微内核结构操作系统微内核结构定义将操作系统的大部分功能剥离到用户端只保留核心功能在内核中。优点内核小易于扩展和调试安全性高可移植性高。缺点通过微内核通信会增加额外开销客户单元和服务器单元内存地址空间独立切换开销大。示例Linux、μC/OS、PSOS等。三、第三章3.1 操作系统的作用1.操作系统的主要内容进程管理、存储管理、文件管理和设备管理。3.2 进程管理1.进程的概念进程是程序在一个数据集合上运行的过程它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。它由程序块、进程控制块(PCB)和数据块三部分组成。2.三态模型运行态占有处理器正在运行。就绪态指具备运行条件等待系统分配*处理器以便运行。等待态又称为阻塞态或睡眠态指不具备运行条件正在等待某个事件的完成。运行态一等待态等待使用资源如等待外设传输等待人工干预。等待态一就绪态资源得到满足如外设传输结束人工干预完成。运行态一就绪态运行时间片到出现有更高优先权进程。就绪态一运行态CPU空闲时选择一个就绪进程。3.五态模型4.PV操作P 是 “申请资源 / 减 1”V 是 “释放资源 / 加 1临界资源诸进程间需要互斥方式对其进行共享的资源如打印机、磁带机等。临界区每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。信号量是一种特殊的变量5.死锁死锁概念如果一个进程在等待一个不可能发生的事则进程就死锁了。而如果一个或多个进程产生死锁就会造成系统死锁。系统有n个进程每个进程都需要m个系统资源则系统有n×m-11个系统资源就不会发生死锁。例如系统有3个进程每个进程都需要5个系统资源则系统有3×5-1113个系统资源时不会发生死锁。6.任务调度的时机当一个新的任务被创建时需要做出一个调度决策是立即执行这个新任务还是继续执行父任务。当一个任务运行结束时它不再占用CPU这时调度器必须做出一个决策从就绪队列中选择某个任务去运行。当一个任务由于I/O操作、信号量或其它原因被阻塞时也必须另选一个任务运行。当一个I/O操作已经完成而等待该I/O操作的任务将从阻塞状态变为就绪状态。当一个时钟中断发生时会唤醒一些延时任务或者可能会发现当前任务的时间片已用完从而把它变为就绪状态。3.3 存储管理1.页式存储优点利用率高碎片小分配及管理简单。缺点增加了系统开销可能产生抖动现象。2.段式存储优点多道程序共享内容各段程序修改互不影响。缺点内存利用率低内存碎片浪费大。3.段页式存储优点空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态链接。缺点由于管理软件的增加复杂性和开销也随之增加需要的硬件及占用的内容也随之增加使执行速度下降。4.磁盘读取时间计算磁盘读取时间包括寻磁道时间、旋转延迟时间和传输时间。 寻磁道时间是指磁头从当前位置移动到目标磁道所需的时间 旋转延迟时间是磁盘旋转到目标扇区所需的时间传输时间是数据从磁盘传输到内存所需的时间。例题某磁盘磁头从一个磁道移至另一个磁道需要10ms。文件在磁盘上非连续存放逻辑上相邻数据块的平均移动距离为10个磁道每块的旋转延迟时间及传输时间分别为100ms和2ms则读取一个100块的文件需要__ms 时间读取磁盘数据时间10×101002×10020200ms