电子信息科学与技术专业导论笔记

课堂笔记 一．专业概论 1.专业介绍 本专业面向社会需求办学，培养德智体全面发展，掌握电子技术基础知识， 具备较强的创新意识与实践动手能力，能在嵌入式系统软硬件开发、集成电路设 计相关领域从事工程与科研工作的高级专门人才。毕业生也可在电路与系统、微 电子与固体电子学、信号与信息处理等方向继续深造。 2.本专业主要应用领域 （1）嵌入式软硬件系统设计 基于 ARM、51 单片机、FPGA 等 原理图设计、PCB 设计 （2）专用集成电路设计 （3）信号与信息处理相关领域 信号采集、存储、DSP 处理等 图像、视频处理（编码、解码，软硬件协同实现等） 雷达信号处理等 （4）医疗电子、可穿戴设备、物联网等相关领域 3.专业分方向培养（公共课程 + 3 门不同的方向课） （1）嵌入式系统设计方向 嵌入式软硬件系统设计 51 单片机、 ARM、 FPGA 电路设计、PCB 制板 底层软件、操作系统、驱动程序、应用软件 （2）集成电路设计方向 模拟、数字集成电路设计 片上系统（SoC,System-On-a-Chip)设计 FPGA 作为验证平台 二．ARM 系统设计概述 1.智能生活的机遇与挑战 （1）多元智能化的消费电子市场 （2）互联网应用——局域网到广域网 （3）今天与未来——今天是充满机遇与竞争的时代 2.嵌入式与 ARM （1）嵌入式系统的定义 ①一般定义： 从技术角度：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬 件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专 用计算机系统。 1 从系统角度：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦 合在一起的计算机系统。 术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完 整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。 ②广义定义： 任何一个非计算机的计算系统。 （2）现实中的嵌入式系统 ①嵌入式系统是无处不在的，即使对我们来说似乎很遥远。嵌入式系统在很 多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运 输和航天领域。 例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导 系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。 ②在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几 乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲„）都是嵌入式系 统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中 到处都有嵌入式系统。 （3）嵌入式系统的发展 ①经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作 和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有 自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是 具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。 ②近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革，嵌入式系统领域开始膨胀。嵌 入式微处理器的发展，促进了嵌入式产品的飞速发展： ——微处理器的处理能力按莫尔定律（Moore’ s Law）预计的速度在增加。 该定律认为集成电路和晶体管个数每 18 个月翻一番。 ——产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到 6～9 个月。 ——基于电子的产品更复杂化。 （4）嵌入式应用示例 ①汽车控制系统 ②家庭生活电子化 ③手机与数码相机 ④军事与航天 （5）嵌入式系统模型 （6）ARM 公司简介 ①ARM 公司成立于 1990 年 11 月，成立之初在英国剑桥有 12 名雇员，其前身为 Acorn 计算机公司。 ②主要设计 ARM 系列 RISC 处理器内核。但 ARM 公司不生产芯片。 ③ARM 公司发展到现在已经超过 1400 雇员，分公司分布在全球各地。 （7）ARM 数据和指令类型 ①ARM 采用的是 32 位架构的 RISC 处理器：大部分指令都是单周期执行。 ②ARM 指令采用 load/store 架构。 ③ARM 约定: Byte： 8 bit Halfword： 16 bits (2bytes) Word： 32 bits (4bytes) ④大部分 ARM 提供两套指令集： 2 32-bit ARM 指令集； 16-bit Thumb 指令集。 ⑤最新的 ARM 核支持一个新的指令集 Thumb-2： 提供一个混合的 32-bit 和 16-bit 指令集； 给代码密度更大的灵活性。 ⑥Jazelle cores 能够支持 Java bytecode。 3.智能手机 （1）智能手机的定义 智能手机(Smartphone)，是指“像个人电脑一样，具有独立的操作系统，可 以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，通过此类程序来不断 对手机的功能进行扩充， 并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的这样一 类手机的总称” 。 简单的说，智能手机，就是一部像电脑一样可以通过下载安装软件来拓展手 机出厂的基本功能的手机。 （2）智能手机的一般特性 ①具备普通手机的全部功能，能够进行正常的通话，发短信等手机应用。 ②具备无线接入互联网的能力，即需要支持 GSM 网络下的 GPRS 或者 CDMA 网络下的 CDMA 1X 或者 3G 网络。 ③具备 PDA 的功能，包括PIM（个人信息管理） ，日程记事，任务安排，多媒体 应用，浏览网页等。 ④具备一个具有开放性的操作系统， 在这个操作系统平台上，可以安装更多的应 用程序，从而使智能手机的功能可以得到无限的扩充。 （3）智能手机发展趋势 中国的智能手机现在已经达到 18%到 20%的市场份额且保持每年 4%的增 幅。 4.手机操作系统 （1）概述 手机操作系统一般应用在高端智能化手机上。目前，在智能手机市场上，中 国市场呈现出飞速增长的事态，随着更多厂商的加入，整体市场的竞争已经变得 白热化。从市场容量、竞争状态和应用状况上来看，整个市场将有很大的上升空 间。 目前应用在手机上的操作系统主要有 Windows mobile、Android、iPhoneOS 三种。 ①Windows Mobile Windows Mobile，是 Microsoft 用于 Pocket PC 和 Smartphone 的软件平台。 Windows Mobile 将熟悉的 Windows 桌面扩展到了个人设备中。 Windows Mobile 是微软为手持设备推出的 “移动版 Windows” ， 使用 Windows Mobile 操作系统的设备主要有 PPC 手机、PDA、随身音乐播放器等。 ②Android Android 是基于 Linux 内核的软件平台和操作系统，早期由 Google 开发，后 由开放手机联盟 Open Handset Alliance）开发。 Android 采用了软件堆层（software stack，又名以软件叠层）的架构， 主要分 为三部分。低层以Linux 内核工作为基础，只提供基本功能；其他的应用软件则 由各公司自行开发，以 Java 作为编写程序的一部分。 3 另外， 为了推广此技术， Google 和其它几十个手机公司建立了开放手机联盟。 Android 目