自考14076嵌入式系统原理及应用基础考试大纲（2025年版）

湖南 省高 等教 育自 学考 试课 程考 试大 纲嵌入式系统原理及应用基础 （课程代码：14076） 湖南省教育考试院组编 2025 年 6 月高等教育自学考试课程考试大纲课程名称：嵌入式系统原理及应用基础课程代码：14076

第一部分

课程性质与目标

一、课程性质与特点

嵌入式系统原理及应用基础是高等教育自学考试物联网应用技术专业的选考课程。本课程旨在为考生提供嵌入式系统的基础知识与实践能力。嵌入式系统是物联网技术中的核心组成部分，广泛应用于智能设备、家电、汽车、医疗等领域。课程内容涵盖嵌入式系统的基本概念、工作原理、硬件架构以及常用开发工具的使用。同时，课程也涉及嵌入式软件开发，包括操作系统的基本原理、编程语言（如 C 语言）的应用等。通过理论教学与实验实践相结合，帮助考生理解嵌入式系统的设计与应用，培养其分析和解决实际问题的能力。此外，课程还注重团队合作精神和创新能力的培养，为考生未来从事物联网相关工作打下坚实基础。

二、课程目标与基本

要求通过本课程的学习，考生应掌握嵌入式系统的基本概念、工作原理及常用开发工具，能够理解嵌入式硬件和软件的基本结构与操作原理。课程的培养目标包括使考生具备嵌入式系统设计与开发的基本能力，掌握嵌入式编程语言、操作系统及硬件接口的应用，培养考生在实际项目中解决问题的能力，并能够独立进行嵌入式系统的开发与调试。基本要求方面，考生应能够熟练使用常见的嵌入式开发平台，掌握嵌入式系统的调试与优化技巧，并具备良好的团队协作和创新思维能力。通过项目实践， 培养考生分析实际需求并进行系统设计与实现的能力，最终为物联网应用等领域的工作打下扎实基础。

三、与本专业其他课程的关系嵌入式系统原理及

应用基础课程在本专业中占有重要地位，主要涉及嵌入式系统的硬件和软件设计原理，对于考生理解和掌握嵌入式设备的开发和应用至关重要。与计算机组成原理课程相互关联，通过深入学习计算机的硬件结构，考生可以更好地理解嵌入式系统的硬件架构与工作原理。同时，单片机技术基础为嵌入式系统的实际应用提供了基础，嵌入式系统原理课程将为考生深入研究和开发物联网应用提供必要的知识框架。

第二部分

考核内容与考核目标

第一章 嵌入式系统导论

通过本章的学习，考生应掌握嵌入式系统的基本概念、发展历程、应用领域及其在物联网中的重要作用，了解嵌入式系统的硬件和软件构成以及与传统计算机系统的区别。本章还将帮助考生初步了解嵌入式系统的设计原则和开发流程， 为后续课程的深入学习奠定基础。

嵌入式系统的应用领域：考生需要掌握嵌入式系统在各个行业中的应用，理解其广泛性与多样性。

嵌入式系统导论（一般）识记：1．嵌入式系统的定义与基本概念

2．嵌入式系统的五大核心特点

3．嵌入式系统的四种分类方式

4．嵌入式系统四大典型应用领域

5．嵌入式系统三大发展趋势理解：1．嵌入式系统发展历程中的技术变革驱动因素

2．不同应用领域对嵌入式系统的差异化需求（如汽车电子需满足车规级标准）

应用：结合发展趋势设计满足特定领域需求的系统方案（如工业物联网网关）

第二章 嵌入式硬件系统

通过本章的学习，考生应理解嵌入式硬件系统的基本概念和设计方法，掌握嵌入式硬件架构及其应用领域，能够分析硬件平台的选择与设计过程，并理解硬件与软件协同设计的基本原理。考生需要具备将硬件与软件结合进行嵌入式系统设计的能力。

本章的难点内容主要涉及嵌入式硬件平台的选择与设计考虑因素，以及硬件与软件的协同设计，这要求考生既具备硬件设计基础，也具备理解并结合软件开发进行系统设计的能力。

（一） 嵌入式硬件系统核心组成与微处理器基础（重点）识记：1．嵌入式硬件系统的基本组成部分

2．嵌入式微处理器的主要特点

3．主流的嵌入式微处理器类型理解：1．ARM 指令集体系架构（ISA）的基本概念、特点

2．典型 ARM CPU Core（如 Cortex-A, Cortex-R, Cortex-M 系列）的核心体系结构差异与应用场景定位应用：1．能够根据应用需求（性能、功耗、成本、功能）对比并初步选择合适的嵌入式微处理器类型或系列

2．嵌入式系统总线的应用（二）ARM 编程模型与存储器子系统（次重点）识记：1．处理器工作模式的基本概念

2．寄存器组的组成与作用

3．处理器特权级（Privilege Level）的概念

4．常见的存储器数据类型及端序

5．存储器映射 I/O 与端口 I/O 的基本概念理解：1．ARMv7-A/R 架构的应用级编程模型

2．ARMv7-A/R 架构的系统级编程模型应用：1．能够解读或编写简单的 ARM 汇编代码片段，理解寄存器操作、数据处理指令、分支指令等

2．能够理解并分析基于 ARM 架构的嵌入式系统中，CPU 如何通过地址总线、数据总线与控制信号访问存储器和 I/O 设备（三）嵌入式系统总线与存储器（次重点）识记：1．主流嵌入式系统总线类型及其主要特点和应用领域

2．嵌入式系统典型的存储结构

3．NAND Flash 存储器的基本特性理解：不同总线（如 AMBA 中的 AHB 与 APB）在嵌入式 SoC（系统级芯片）内部互联中的作用和层级关系应用：能够根据系统需求（带宽、延迟、连接设备类型）为嵌入式系统选择或推荐合适的通信总线

第三章 ARM 汇编程序设计通过本章的学习，考生应能够掌握 ARM 汇编语言的基本语法和指令集，理解 ARM 架构的工作原理，能够编写简单的 ARM 汇编程序并进行调试，具备分析和优化汇编程序的能力。

本章的难点内容为 ARM 汇编语言的指令集、寄存器使用、地址寻址方式以及程序优化的技巧。这些知识点要求考生具备较强的逻辑思维能力和对 ARM 架构的深入理解，能够熟练运用汇编语言进行高效编程。

（一）ARM 指令集体系与架构演进（重点）识记：1．ARM 指令集分类

2．Thumb 指令集（16 位压缩）与 Thumb-2 指令集（16/32 位混合）的核心差异理解：1．不同架构下指令编码格式的变化

2．Thumb-2 技术如何平衡代码密度与性能应用：1．针对 Cortex-M3（ARMv7-M）选择 Thumb-2 指令实现中断服务程序

2．在 ARMv5TE 平台使用 QDADD 指令优化饱和加法运算（二）ARM 汇编语言基础与程序结构（次重点）识记：1．汇编语句四要素

2．表达式运算符优先级理解：1．汇编器对伪指令的展开机制

2．宏指令在代码复用中的作用与实现原理应用：1．编写符合规范的汇编语句

2．使用 DCD 伪指令构建中断向量表（三）ARM 程序设计进阶与混合编程（次重点）识记：1．标准程序框架组成

2．ATPCS（ARM-Thumb 过程调用标准）核心规则理解：1．C 与汇编函数互调时的堆栈平衡机制

2．内嵌汇编中 Clobber List（破坏列表）的作用应用：1．在 C 程序中调用汇编函数实现硬件初始化

2．通过内嵌汇编优化 C 代码关键循环

第四章 嵌入式软件系统

通过本章的学习，考生应能够掌握嵌入式软件系统的基本概念、设计方法和开发过程，理解嵌入式操作系统的原理与应用，能够分析和设计嵌入式软件系统的结构与功能，并具备调试和优化嵌入式软件系统的能力。

本章的难点内容为嵌入式操作系统的选择与应用、嵌入式软件系统的调试与优化。这些内容要求考生能够深入理解操作系统在嵌入式开发中的作用，并能够运用合适的调试技术与优化策略，提升嵌入式软件的性能与稳定性。

（一）嵌入式软件体系结构与运行机制（重点）识记：1．软件分类

2．典型架构

3．启动流程

理解：1．微内核架构（如 Zephyr）与宏内核（如 Linux）的实时性差异

2．中断服务程序（ISR）与任务线程的协同机制应用：1．为无人机飞控系统选择分层架构并说明数据流

2．设计车载信息娱乐系统的混合架构（二）嵌入式操作系统核心机制（次重点）识记：1．RTOS 核心功能

2．实时性指标

理解：1．调度算法场景适配

2．内存管理策略

应用：1．针对传感器数据采集场景设计任务栈大小

2．使用优先级继承解决电机控制任务与日志任务的死锁问题（三）嵌入式开发工具链与工程实践（次重点）识记：1．工具链组成

2．开发流程

理解：1．JTAG 调试原理

2．远程调试中 GDB Server 与 IDE（如 VSCode）的协同机制应用：通过 SWD 接口捕获 HardFault 异常时的堆栈回溯信息

第五章 任务管理与调度

通过本章的学习，考生应能够理解任务管理与调度的基本原理，掌握任务的创建、删除、切换和调度策略，能够设计和实现基本的任务管理与调度方案，具备分析和优化任务调度性能的能力。

本章的难点内容为任务调度算法的实现与优化，尤其是如何根据实时性要求选择合适的调度算法，以及多任务间的同步与通信机制。这些内容要求考生深入理解不同调度策略的应用场景和优缺点，能够在实际开发中有效管理和调度任务。

（一）任务核心属性与调度算法（重点）识记：1．任务四元组

2．调度算法分类标志理解：1．优先级抢占在汽车 ABS 控制中的必要性

2．EDF 算法在多媒体流处理中的优势应用：为工业机器人设计任务优先级（二）任务管理机制与优先级反转（次重点）识记：1．任务状态机

2．TCB 关键字段

3．优先级反转协议

理解：1．任务切换的软硬件协同

2．PIP 协议如何避免链式阻塞应用：设计无人机飞控任务阻塞链（三）静态调度与基础管理（一般）识记：1．静态调度表生成条件

2．任务队列实现

理解：1．静态调度在航空电子中的可靠性保障

2．阻塞队列管理

3．构建周期任务调度表

第六章 同步、互斥和通信

通过本章的学习，考生应能够理解同步、互斥和通信的基本概念与原理，掌握常见的同步机制（如信号量、互斥锁等）和通信方式（如消息队列、邮件箱等）， 能够在多任务环境中设计并实现有效的同步与通信方案。

本章的难点内容为同步与互斥机制的实现与应用，特别是在实时系统中的应用，以及多任务间通信的效率与可靠性优化。这些内容要求考生深入理解同步与互斥机制的原理，能够有效地避免死锁、资源竞争等问题，确保系统的高效运行。

（一）同步互斥机制与信号量（重点）识记：1．信号量类型标志

2．信号量操作原语

理解：1．优先级继承在电机控制中的应用

2．计数信号量管理 UART 缓冲区应用：1．设计防死锁资源访问序列

2．使用二值信号量实现传感器数据就绪通知（二）通信机制与消息队列（次重点）识记：1．消息队列核心参数

2．事件标志位操作

理解：1．深度配置对实时性的影响

2．零拷贝消息传递机制应用：1．为车载 CAN 总线设计消息队列

2．使用事件组同步多任务启动（三）机制比较与资源配置（一般）识记：1．同步机制选择矩阵

2．资源溢出预防

理解：1．邮箱机制退化形式

2．事件组比二值信号量的优势

3．配置医疗设备报警系统

第七章 中断、时间、内存和

I/O 管理通过本章的学习，考生应能够掌握中断管理、时间管理、内存管理和 I/O 管理的基本原理与方法，理解中断的响应与处理过程，能够设计和实现中断处理程序，掌握实时系统中的时间管理策略，能够有效管理嵌入式系统的内存与 I/O 资源。

本章的难点内容为中断管理与时间管理的优化，特别是在实时系统中如何保证中断处理的及时性与高效性，以及如何在有限的内存和 I/O 资源下进行高效的资源调度。这些内容要求考生能够深入理解硬件和软件的协同工作，优化系统的性能，确保系统的实时性与稳定性。

（一）中断管理机制与实时性保障（重点）识记：1．中断分类标准

2．中断处理三阶段

理解：1．实时内核中断管理策略

2．用户 ISR 设计原则应用：1．为电机编码器设计 ISR

2．优化以太网中断延迟（二）时间管理策略与内存分配（次重点）识记：1．硬件时钟源

2．内存管理机制

理解：1．时间片轮转调度依赖 SysTick 中断触发

2．TLSF（两级分离拟合）算法抗碎片特性应用：配置 RTC 闹钟唤醒休眠设备（三）I/O 管理与传输优化（一般）识记：1．I/O 传输模式

2．I/O 管理层功能理解：1．DMA 传输释放 CPU 资源机制

2．为 SD 卡读写选择传输模式

第八章 虚拟化技术

通过本章的学习，考生应能够理解虚拟化技术的基本概念与原理，掌握虚拟化的类型（如全虚拟化、半虚拟化和操作系统级虚拟化）以及虚拟化技术在嵌入式系统中的应用，具备设计与实现虚拟化环境的能力。

本章的难点内容为虚拟化技术的实现原理，尤其是如何在资源有限的嵌入式系统中实现高效的虚拟化管理。考生需要深入理解虚拟机管理程序（Hypervisor）的工作机制，以及虚拟化带来的性能开销与优化方法，以确保系统的高效性和稳定性。

（一）虚拟化基础概念（重点）识记：1．虚拟化基础概念

2．Hypervisor 类型（Type-1/Type-2）

3．虚拟化三要素

理解：虚拟机（VM）与容器（Container）的本质差异应用：对比 KVM（Type-1）与 VirtualBox（Type-2）的适用场景（二）虚拟化性能优化（次重点）识记：1．性能开销来源

2．硬件辅助技术

应用：优化嵌入式场景内存开销（三）虚拟化产品实例（一般）识记：1．企业级

2．嵌入式

理解：基于 QEMU 模拟 ARM 架构嵌入式虚拟环境

第三部分

有关说明与实施要求

一、考核的能力层次表述

本大纲在考核目标中，按照“识记”“理解”“应用”三个能力层次规定其应达到的能力层次要求。各能力层次为递进等级关系，后者必须建立在前者的基础上，其含义是：识记：能知道有关的名词、概念、知识的含义，并能正确认识和表述，是低层次的要求。

理解：在识记的基础上，能全面把握基本概念、基本原理、基本方法，能掌握有关概念、原理、方法的区别与联系，是较高层次的要求。

应用：在理解的基础上，能运用基本概念、基本原理、基本方法联系学过的多个知识点分析和解决有关的理论问题和实际问题，是最高层次的要求。

二、教材

1．指定教材：《嵌入式系统及应用》，罗蕾，电子工业出版社，2016 年版

三、

自学方法指导

1．在开始阅读指定教材某一章之前，先翻阅大纲中有关这一章的考核知识点及对知识点的能力层次要求和考核目标，以便在阅读教材时做到心中有数，有的放矢。

2．阅读教材时，要逐段细读，逐句推敲，集中精力，吃透每一个知识点，对基本概念必须深刻理解，对基本理论必须彻底弄清，对基本方法必须牢固掌握。

3．在自学过程中，既要思考问题，也要做好阅读笔记，把教材中的基本概念、原理、方法等加以整理，这可从中加深对问题的认知、理解和记忆，以利于突出重点，并涵盖整个内容，可以不断提高自学能力。

4．完成书后作业和适当的辅导练习是理解、消化和巩固所学知识，培养分析问题、解决问题及提高能力的重要环节，在做练习之前，应认真阅读教材，按考核目标所要求的不同层次，掌握教材内容，在练习过程中对所学知识进行合理的回顾与发挥，注重理论联系实际和具体问题具体分析，解题时应注意培养逻辑性，针对问题围绕相关知识点进行层次（步骤）分明的论述或推导，明确各层次 （步骤）间的逻辑关系。

四、对社会助学的要求

1．应熟知考试大纲对课程提出的总要求和各章的知识点。

2．应掌握各知识点要求达到的能力层次，并深刻理解对各知识点的考核目标。

3．辅导时，应以考试大纲为依据，指定的教材为基础，不要随意增删内容，以免与大纲脱节。

4．辅导时，应对学习方法进行指导，宜提倡“认真阅读教材，刻苦钻研教材，主动争取帮助，依靠自己学通”的方法。

5．辅导时，要注意突出重点，对考生提出的问题，不要有问即答，要积极启发引导。

6．注意对考生能力的培养，特别是自学能力的培养，要引导考生逐步学会独立学习，在自学过程中善于提出问题，分析问题，做出判断，解决问

7．要使考生了解试题的难易与能力层次高低两者不完全是一回事，在各个能力层次中会存在着不同难度的试题。

8．助学学时：本课程共 3 学分，建议总课时 54 学时，其中助学课时分配如下：

章次章节名称学时

第一章

嵌入式系统导论

第二章

嵌入式硬件系统

第三章

ARM 汇编程序设计

第四章

嵌入式软件系统

第五章

任务管理与调度

第六章

同步、互斥和通信

第七章

中断、时间、内存和 I/O 管理

第八章

虚拟化技术合计

五、关于命题考试的若干规定

1．本大纲各章所提到的内容和考核目标都是考试内容。试题覆盖到章，适当突出重点。

2．试卷中对不同能力层次的试题比例大致是：“识记”为 30%、“理解”为 40%、“应用”为 30%。

3．试题难易程度应合理：容易、中等、难比例为 3：4：3。

4．每份试卷中，各类考核点所占比例约为：重点占 60%，次重点占 30%，一般占 10%。

5．试题类型一般分为：单项选择题、填空题、名词解释题、简答题、论述

6．考试采用闭卷笔试，考试时间 150 分钟，采用百分制评分，60 分合格。

六、题型示例（样题）

一、单项选择题

（本大题共 15 小题，每小题 2 分，共 30 分）在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选出并将 “答题卡”上的相应字母涂黑。错涂、多涂或未涂均无分。

1．嵌入式系统的核心特征不包括A．专用性强 B．实时性要求高 C．支持多用户并发操作 D．资源严格受限

二、填空题

（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

16．嵌入式处理器的分类包括三种，分别是：_____________、微控制器（或单片机）和数字信号处理器（DSP）。

三、名词解释题

（本大题共 5 小题，每小题 3 分，共 15 分）

26．中断

四、简答题

（本大题共 5 小题，每小题 5 分，共 25 分）

31．简述嵌入式系统与一般计算机系统的不同。

五、论述题

（本大题共 1 小题，每小题 10 分，共 10 分）

36．试述软件体系结构的含义及作用。