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嵌入式整理
第一章
1.什么是嵌入式系统?
它的主要特点是什么
答:
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、并且软硬件可剪裁的,能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。
它可以实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
特点:
【1】处理器和处理器体系结构类型多【2】形式多样、面向特点应用。
【3】关注成本。
【4】有实时性和可靠性要求。
【5】适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固
2请说出嵌入式系统与其他商用计算机系统的区别
答:
【1】形式和类型:
通用计算机是看得见的计算机。
按其体系结构、运算速度和结构模等因素分为大、中、小型机和微机。
而嵌入式系统是看不见的计算机。
形式多样,应用领域广泛,按应用来分。
【2】组成:
通用处理器、标准总线和外设。
软件和硬件相对独立。
而嵌入式系统是面向应用的嵌入式微处理器,总线和外部接口多集成在处理器内部。
软件与硬件是紧密集成在一起的。
【3】开发方式:
通用计算机的开发平台和运行平台都是通用计算机。
而嵌入式系统采用交叉开发方式,开发平台一般是通用计算机,运行平台是嵌入式系统。
【4】二次开发:
通用计算机应用程序可重新编制,而嵌入式系统一般不能再编制。
3.嵌入式系统的关键技术有哪些?
答:
【1】嵌入式处理器。
【2】微内核结构。
【3】任务调度。
【4】硬实时和软实时。
【5】内存管理。
【6】内核加载方式
4.嵌入式系统技术发展及开发应用趋势
答:
现在嵌入式系统面对的挑战:
支持日益增长的功能密度、灵活的网络连接、轻便的移动应用和多媒体信息处理,以及激烈的市场竞争。
发展趋势:
【1】嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。
【2】互联网成为必然趋势。
【3】支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本。
【4】提供精巧的多媒体人机界面。
应用趋势:
、、、、、、、、、、
5.你知道嵌入式系统在我们日常生活中哪些设备中应用?
说明其采用的处理器和操作系统?
答:
PDA:
PXA25X;PalmOS/WindousCE
路由器:
ARM9;ucLinux
数码相机:
ARM9+DSP5000;ucLinux
6.开发嵌入式系统的计算机语言只要有哪几种?
分别应用的场合?
答C语言应用在开发操作系统,和硬件相关的一些应用程序。
C++语言应用在开发一些大型的应用程序
汇编语言应用在开发底层的硬件接口以及一些算法的基本模块
C#语言应用在开发一些大型应用程序,
VHDL语言应用在开发CPLD/FPGA芯片逻辑语言,
7.在项目开发中,采用嵌入式系统和专用集成电路进行设计各有什么优缺点?
8.嵌入式系统相关技术中所设计到的国际标准有哪些?
举例说明。
从事嵌入式系统标准方面的工作有何重要意义?
第二章
1.请说出嵌入式系统设计的主要方法及设计流程。
在嵌入式系统开发的总体设计中,需要进行哪几方面的工作?
答:
嵌入式系统设计采用系统分析法即软硬件综合开发的方法。
设计流程见课件P12。
需要进行的工作:
【1】系统定义。
【2】系统总体设计。
【3】硬件设计制作。
【4】软件设计实现。
2.嵌入式硬件调试的主要方法及技术手段有哪些?
答:
调试方法:
【1】电子产品的设计方案来调试。
【2】电子设计自动化(EDA)。
【3】软硬件协同设计。
【4】硬件描述语言(HDL)。
【5】知识产权核。
3.什么是嵌入式构建开发方法?
说明该方法对嵌入式系统开发具有什么意义?
并举例说明
答:
嵌入式构建开发方法是指在开发嵌入式系统时,对软件的开发进行总体规划,设计成模块化结构、组件化结构。
意义:
软件的复用性比较高,在后续的系统开发中,整个软件的开发就像搭积木一样进行,可以节省大量的资源,也可以提高系统的开发速度。
4.为什么要做需求分析?
在做需求分析时应当考虑哪些问题?
答:
只要进行了需要分析,才能知道预开发的系统有没有开发的必要。
不能做无用功,同时需求分析也能为系统的开发提供一些指导,觉定系统应该具有哪些功能。
考虑的问题:
【1】用户对产品的需求(分功能和非功能的需求——性能、价格;系统尺寸和质量,功耗)。
【2】确定硬件和软件。
【3】确定项目的约束条件。
5.在进行系统设计时,概要设计和详细设计的工作内容有什么不同?
答:
系统概要设计是整个嵌入式系统的总体设计。
是在需求分析的基础上通过抽象和分解将系统分解成模块,确定系统功能的实现。
它需要解决嵌入式系统的总体构架,从功能实现上对软硬件进行划分;在此基础上,选定嵌入式系统硬件实现的核心——处理器;同时根据系统的复杂程度确定是否使用嵌入式操作系统,以及选用哪种操作系统;此外还需要选择开发平台。
其基本任务是:
建立系统结构、数据结构和数据库设计、编写概要设计文档等。
详细设计的基本任务是硬件详细设计的实现、软件设计的实现、设计模块的数据结构、设计数据库的物理结构、设计模块的详细算法、其他输入/输出格式设计、编写详细设计说明书、评审。
6.嵌入式系统实现阶段,需要选择开发平台,通常开发平台选择包括哪些内容?
答:
开发平台分为硬件平台和软件平台。
它们的选择包括:
处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、软硬件调试工具、软件组件等。
需要考虑到系统的任务多少,实时性的要求。
平台编译效率的要求。
7.在当今IT时代,为了使产品尽快进入市场,就产品开发阶段,你认为有哪些方法可以加快产品的开发速度?
答:
【1】使用组件式开发方法。
【2】串行设计向并行设计转变。
【3】由单目标规划向多目标规划转变。
【4】工艺设计向过程设计转变【5】实物样品向虚拟样品转变。
【6】严格分工向自主管理的项目小组的转变。
【7】运用面向全生命周期的虚拟产品的开发技术。
【8】有效利用产品信息资源的方式。
8.什么是“黑盒”测试?
什么是“白盒”测试?
什么是灰盒测试?
指出专业测试工具的名称。
答:
黑盒测试将程序当成黑盒子以设计中的功能位标准在程序的接口处进行测试看它能否达到功能要求。
测试工具:
等价类划分、边界值分析、因果图、错误推测。
白盒测试将程序看成白盒字,认真分析程序的结构和功能制定测试用例来测试。
测试工具:
有逻辑覆盖、语句覆盖、判断覆盖、条件覆盖、路径覆盖等。
灰盒测试一般把某个模块或某个分系统作为测试对象,然后进行类似于黑盒的模块功能、性能等方面测试。
9.嵌入式系统开发中,使用软件组件技术有什么好处?
答:
【1】从根本上改变了软件生产的方式。
【2】提高了软件复用率,保护了已有资源。
【3】使开发者将更多的注意力放到业务流程和业务规则上去。
【4】开发的系统灵活,便于升级【5】降低了对系统开发者的要求。
【6】减少了程序员的工作量,加快产品开发进度,程序设计清楚。
10.什么是知识产权核?
指出“软知识产权核”、“硬知识产权核”、“固知识产权核”的意义和差别。
答:
知识产权核是一种预先设计好的甚至已经过验证的具有某种特定功能的集成电路、器件或部件。
软知识产权核通常以某种HDL文本提交用户。
它虽然经行为级设计优化和功能验证,但其中不包涵有任何具体的物理信息。
硬知识产权核是基于某种半导体工艺的物理设计,已有固定的拓扑结构布局和具体工艺,并已经过工艺验证,具有可保证的性能。
核所提供给用户的形式是电路物理结构掩模板图和全套工艺文件,是可以拿来就用的全套技术。
固知识产权核的设计深度则介于两者之间,除了完成软知识产权核的所有设计外,还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节。
一般以门电路级网表形式提交用户使用。
11.根据嵌入式软件开发的不同阶段,嵌入式开发工具有哪些种类?
答:
【1】协同合成工具:
POLIS/COSYMA/Chinook
【2】协同模拟工具:
PTOLEMY/TSS
12.从底层硬件到上层应用,嵌入式软件的开发可以分为哪几种?
答:
系统软件,支撑软件,应用软件三类
13.什么是交叉开发环境?
答:
交叉开发环境是指用于嵌入式软件开发的所有工具软件的集合,一般包括文本编辑器、交叉编译器、交叉调试器、仿真器、下载器等工具。
主要由宿主机和目标机组成,宿主机和目标机之间在物理连接的基础上建立起逻辑连接。
14.什么是OCD调试方法?
指出OCD的主要形式JTAG和BDM的特点和区别?
指出两者在调试性能方面的差异。
答:
OCD调试即onchipdebugging片山调试方法。
JTAG——标准测试访问与边界扫描结构,它的特点:
【1】可以通过边界扫描操作测试整个板的电气连接。
【2】各个引脚信号可以采样,并可强制引脚输出用以测试外围芯片。
【3】可以软件下载、执行、调试和控制。
为复杂的实施跟踪调试提供路径。
【4】可以进行多内核和多处理器的板级和芯片级的调试,通过串接,为芯片制造商提供芯片生产、测试的途径。
【5】不占用系统资源,能够调试没有外部总线的芯片,代价非常小。
【6】通过串口依次传递数据,速度比较慢。
【7】只能进行软件断点级别的调试。
【8】不能完成实时跟踪和多种事件触发等复杂调试功能。
BDM(backgrounddebugmode背景调试模式)特点:
硬件相对简单、集成成本低、可重用、与处理器变化无关,速度稍快。
引脚比JTAG多,使用厂家不多。
15.嵌入式软件的调试运行环境和固化运行环境的主要区别是什么?
答:
主要区别是代码定位和初始化部分不同。
调试运行环境:
程序的所有代码、数据都依次被定位在调试空间的RAM中,而固化环境程序的各逻辑代码按其不同的属性分别定位到非易失性存储空间(ROM)或RAM中。
初始化时调试运行环境不需要boot模块。
固化环境是从boot模块开始初始化的。
第三章
1.按照原理和能能不同,嵌入式处理器分为哪几类?
简单说明它们各自不同的主要性能特点?
答:
分为:
【1】嵌入式微处理器。
【2】嵌入式微控制器【3】DSP处理器【4】片上系统。
嵌入式微处理器是由通用微处理器简化而来。
在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。
嵌入式微控制器又称单片机。
顾名思义,就是将整个计算机系统的主要硬件集成在一块芯片中。
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效果较高,指令执行速度也较高。
嵌入式片上系统就是在一个硅片上实现一个更为复杂的系统,使应用系统电路板变得非常简洁。
2.举出嵌入式系统开发应用的最主流的5种以上的单片机系列及型号,介绍这些单片机的主要特点、开发工具及最佳的应用场合。
答:
Intel体系的MCS51系列工业标准,可工作在空闲、掉电模式。
开发工具:
keilC,应用在各种工业控制。
Motorola68HCXX单片机系列特点:
含内监控ROM,片上集成Flash,开发工具:
CodeWarrior,应用在汽车电子。
TI公司的MSP430单片机特点:
超低功耗和功能集成开发工具:
IAREmbeddedWorkbench。
主要应用在手持设备和安全领域。
Sunplus单片机SPCE061A特点:
数字信号处理、语音处理,开发工具u’nspIDE。
应用在智能玩具。
MicrochipPIC单片机PIC16C5X特点:
提供OPT(一次编程)、低电压、低功耗的选择,开发工具:
MPLAB开发平台。
PhilipsLPC系列P87LPC76XI/O端口功能多,提供OPT。
开发工具:
ADS。
应用在高集成/低成本工控领域。
3.简要介绍CPLD与FPGA的工作原理及主要区别,指出两者在用户PCB板上如何进行编程下载及初始化工作?
答:
4.什么是ISP技术与JTAG技术?
简述两者的主要技术特点及区别,指出它们在嵌入式系统调试的应用。
答:
ISP(insystemprogrammability)即在系统可编程技术の能对器件、电路甚至整个系统进行现场升级和功能重构的技术。
5.解释嵌入式处理器的名词MCU、EMPU、SOC、DSP、SOPC、ARM的基本概念,指出其在嵌入式系统中的应用特色。
答:
MCU:
微控制器。
EMPU:
嵌入式微处理器;SOC片上系统;DSP数字信号处理器;SOPC:
可编程片上系统;ARM:
32位微控制与处理内核。
6.介绍ARM处理器的主要特点和ARM处理器家族的体系结构、N级流水线结构、RISC结构等。
答:
特点【1】体积小、功耗低、成本低、性能高。
【2】16位/32位双指令集。
【3】大量使用寄存器,指令执行速度更快;【4】大多数数据操作都在寄存器中完成;【5】寻址方式灵活简单,执行效率高;【6】指令长度固定;。
ARM体系结构课件P45。
N级流水线结构:
把每条指令分解为多步,并让各步操作重叠,从而实现几条指令并行处理技术,大大提高了CPU效率。
RISC架构:
使用相当少的指令型别及寻址模式;微程序控制尽量采用软件架构实现;在单一执行的周期内完成指令;微处理器中拥有更多的寄存器;使用最佳化的程序代码编译;微处理器内存存取主要是用指令载入及存储;简易的解码指令格式;高度平行化处理。
RISC架构主要用于有规律并且常用的指令解码及数据处理,因此不需要使用到复杂的硬件控制线路的设计及指令集解码,所以RISC架构的微处理器中线路可以做到很精简,并且一个指令所需要的执行时间也会变得比价少。
7.讨论TI公司的TMS320C2X、TMS320C5X/TMS320C6X系列DSP的主要特点和最适合的应用场合。
答:
TMS320C2000DSP是基于320C2xLP核。
C2xLP核具有4级流水线,工作在40MHz。
具有JATG仿真模块。
它是16位定点DSP。
它的哈佛结构支持两个分开的总线结构。
应用领域:
工业拖动,家用电器,电源管理,手持式工具,灯光控制灯。
TMS320C5000TMDSP综合了多样的外设、更小的封装和低功耗等各项优势性能,是16位定点DSP。
它的处理速度可以高达600MIPS,但功耗低到0.05mW/MIPS.它是针对个人便携式设备而设计的。
应用领域:
有线无线通信,IP,便携式信息系统,助听器,音乐播放器、数码相机、高速音频设备、高精度的信号和多通道应用。
TMS320C6000TM系列DSPS是适合特定应用的高性能处理器,采用最新VLIW处理器架构,其定点DSP和浮点DSP具有软件兼容性。
这一系列DSP器件综合了世界上各种DSP器件的优势,并在处理能力和电源管理方面做了很大的该进。
具有最佳的性价比。
应用领域:
无线基站、远程数据服务、家庭安全系统、高级图像处理、工业扫描、精密仪器和多通道电话系统、专业音响设备、工业自动化和语音识别等。
8.指出2-3种以x86为核心的PC机开发技术在嵌入式系统总的应用实例,请说明它们特点及最佳用途。
答:
PC/104
9.根据模块化和复用原则,设计嵌入式微控制系统时,需要设计哪些电路?
答:
需要设计人机交互的接口电路:
键盘输入电路,显示输出电路(数码显示和LCD电路);联机所用的总线接口电路:
USB总线接口电路,RS232接口和以太网网络接口电路;用于系统扩展的通用I/O配置电路。
10.通常嵌入式微控制器和微处理器之间有什么异同?
它们分别适用于哪些方面的应用?
答:
嵌入式微处理器(EMPU)的基础是通用计算机中的CPU。
在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。
为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准处理器基本是一样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。
微处理器以其处理速度上的优势,主要应用与数据处理速度要求较高的场合。
嵌入式控制器(MCU)一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM等各种必要功能和外设。
和嵌入式微处理器相比,控制器的最大特点是但片花,体积大大减小,从而使功能和成本下降、可靠性提高。
微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制。
11.选择嵌入式系统需要考虑哪些因素?
答:
【1】够用原则通常嵌入式系统处理器很少升级,因此设计嵌入式系统时,为嵌入式处理器的处理能力留出很大的余量很不经济的,通常给出小量的余量即可。
【2】成本原则选择嵌入式处理器所考虑的成本不仅仅包括处理器本身,还包括主持电路的成本。
印刷电路的成本,特别是设计成本敏感型的产品更是如此。
【3】参数选择处理器类型、处理速度、寻址能力、总线宽度、操作系统的支持、开发工具的支持、功耗特性、行业的使用情况。
12.指出嵌入式处理器的CISC结构和RISC结构的特点及差异。
答:
打印课件的P32
13.指出NANDFlash和NORFlash存储器的主要特点、两者的区别及适用场合。
答:
NANDFlash特点:
在高密度闪速存储器中速度最快,制造更容易,提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。
管理需要特殊的系统接口。
NORFlash特点:
体积小、容量大、掉电数据不丢失、有独立的地址和数据总线,可以快速的通过总线读取数据。
写入和擦除都通过指令序列完成。
它们的区别:
【1】NAND器件执行擦除操作十分简单的,而NOR则要求在进行擦除之前将目标快内所有位都写为0.【2】NANA器件擦除/写入比NOR器件快。
相同的操作,NAND只需要4ms。
而NOR器件需要5s。
【3】接口差别,NORflash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。
【4】容量和成本:
NANDflash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。
【5】可靠性和耐用性:
NAND比NOR器件寿命长,但NAND比NOR更容易出错。
【6】软件支持:
在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持,在NAND器件上进行同样的操作是,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD)。
NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作是需要内存技术驱动程序。
14.请举例2-3种国内自主研发的嵌入式处理器的名称,指出设计单位或设计人的名称,说明产品的主要特点。
答:
方舟1号方舟2号由方舟科技有限公司设计。
龙芯1由中科院计算所设计。
15.了解几种主流的嵌入式处理器的特点和用途,包括:
IntelPXA255,PowerPC,ARM,COLDFIRE处理器,MSP430单片机及凌阳SPCE061A单片机
答:
IntelPXA255是一种十分先进的嵌入式处理器,采用XScale核心,频率为200-400Mhz,加强了微处理器速度的管理,加快了多媒体处理掉速度,并支持802.11b及蓝牙技术、USB接口,采用PBGA封装方式。
其主要针对下一代高性能的PDA市场,支持视频流、MP3、无线互联网存取以及其他边缘领先技术。
PowerPC:
双内核架构,通信处理能力强。
ARM处理器特点:
【1】体积小、功耗低、成本低、性能高。
【2】16位/32位双指令集。
【3】大量使用寄存器,指令执行速度更快;【4】大多数数据操作都在寄存器中完成;【5】寻址方式灵活简单,执行效率高;【6】指令长度固定;
COLDFIRE特点:
内存管理单元(MMU),使用户态和系统态分离,以求高可靠性和高安全性,是操作系统保护模式得到扩展,可运行各种操作系统;浮点处理单元(FPU),在复杂应用和算法方面表现极好。
增强型乘法累加器,窗口RAM,可由用户定义的地址变换,使得仅用微处理器的单一指令流,即可实现DSP的高速运算;片内多重并行处理,适用于数值密集运算也同样适用于一般过程控制。
凌阳单片机:
【1】体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展。
【2】具有较强的中断处理能力,【3】具有较强的中断处理能力。
【4】功能强、效率高的指令集系统。
【5】低功耗、低电压。
16.DSP研究与开发设计哪些算法?
DSP算法研究有什么意义和价值?
答:
算法:
【1】通用数字信号处理算法FIR滤波器、IIR滤波器、DFT变换、FFT变换。
【2】机电控制算法,电机伺服、PLC算法。
【3】通信类算法DTMF收发、调制解调算法、通信信道编解码。
【4】信号处理算法语音信号编解码算法G.723、G.729、MP3、AAC,静止图像编解码算法JPEG、JPEG2000、小波变换压缩算法。
视频编解码算法MPEG1、MPEG2、MPEG4、H.263压缩算法。
DSP芯片的特点:
【1】指令在一个周期内科完成一次乘法和一次加法。
【2】程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。
【3】片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。
【4】具有低开销或无开销循环及跳转的硬件指令。
【5】快速的中断处理和硬件I/O支持。
【6】具有在单个周期内操作的多个硬件地址产生器。
【7】可以并行执行多个操作。
【8】支持流水线操作、使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
17.指出嵌入式系统常用的数据接口有哪些?
分别采用的是什么协议?
答:
UART。
:
RS232协议。
USB:
USB1.0/1.1/2.0/3.0Ethernet:
TCP/IP,UDP。
CAN
IDE接口:
SATA/PATA接口协议。
JTAG:
IEEE-1149.1.并口、红外、蓝牙、无线、IEEE1349。
18.什么是软核处理器?
该处理器与通常所说的微处理器之间有什么区别?
答:
19.什么是SOPC技术?
该技术对现代电子设计有什么影响?
简述SOPC技术的主要特点及硬件平台(芯片)的支持情况。
答:
SOPC(systemonProgrammableChip,可编程片上系统)技术是指面向单片系统级专用集成电路设计的计算机技术它是利用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。
SOPC是片上系统即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;同时又是可编程系统,具有灵活的设计形式,可剪裁,可扩充,可升级。
主要特点:
SOPC结合了SOP和PLD、FPGA各自的优点,具备特征:
【1】至少包含一个嵌入式处理器内核【2】具有小容量片内高速RAM资源【3】丰富的IP核资源可供选择【4】足够的片上可编程逻辑资源【5】处理器调试结构和FPGA编程接口【6】可包含部分可编程模拟电路【7】单芯片,低功耗,微封装。
20.Cortex-M3内核的ARM芯片(TIStellaris(群星)系列ARM)的主要特点是什么?
它采用ARM什么版本?
该处理器最适合什么应用?
答:
21.ARM处理器目前有哪些版本,最新版本的处理器代表有哪些?
22.数码相机的照片采用的外存储器主要有哪些类型?
请举例4种以上的Flash外存储器名称。
答:
DOC(diskonchip)、NaNdflash、CompactFlash、SmartMedia、MemoryStick、MultimediaCard、SD(securedigital)。
23.模拟可编程器件有什么特点?
主要应用在什么场合?
美国Lattice公司的模拟可编程器件IspPAC10及ispPAC80有什么不同?
答:
模拟可编程器件是一种模拟集成电路。
特点:
其电路的输入、输出甚至内部状态均为随时间连续变化且幅值未经量化的模拟信号。
第四章
1.嵌入式实时操作系统RTOS与台式PC机操作系统有什么实质性的差异?
简述RTOS的主要功能和结构,列举至少5中以上的国内外著名的RTOS产品
答:
嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件,它是嵌入式系统(包括硬、软件系统)极为重要的组成部分,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等Browser。
嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点,与通用操作系统
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