在数据编码时增加冗余编码是为了提高信息系统的()。

2023年上半年上午试卷综合知识

第 8 题


知识点	编码数据编码

A. 有效性

B. 可靠性

C. 精准性

D. 安全性

知识点讲解

· 编码

· 数据编码

编码

编码过程

在给定了软件设计规格说明书后，下一步的工作就是编写代码。一般来说，编码工作可以分为四个步骤：

（1）确定源程序的标准格式，制订编程规范。

（2）准备编程环境，包括软硬件平台的选择，包括操作系统、编程语言、集成开发环境等。

（3）编写代码。

（4）进行代码审查，以提高编码质量。为提高审查的效率，在代码审查前需要准备一份检查清单，并设定此次审查须找到的bug数量。在审查时，要检查软件规格说明书与编码内容是否一致；代码对硬件和操作系统资源的访问是否正确；中断控制模块是否正确等。

编码准则

在嵌入式系统中，由于资源有限，且实时性和可靠性要求较高，因此，在开发嵌入式软件时，要注意对执行时间、存储空间和开发／维护时间这三种资源的使用进行优化。也就是说，代码的执行速度要越快越好，系统占用的存储空间要越小越好，软件开发和维护的时间要越少越好。

具体来说，在编写代码时，需要做到以下几点：

.保持函数短小精悍。一个函数应该只实现一个功能，如果函数的代码过于复杂，将多个功能混杂在一起，就很难具备可靠性和可维护性。另外，要限制函数的长度，一般来说，一个函数的长度最好不要超过100行。

.封装代码。将数据以及对其进行操作的代码封装在一个实体中，其他代码不能直接访问这些数据。例如，全局变量必须在使用该变量的函数或模块内定义。对代码进行封装的结果就是消除了代码之间的依赖性，提高了对象的内聚性，使封装后的代码对其他行为的依赖性较小。

.消除冗余代码。例如，将一个变量赋给它自己，初始化或设置一个变量后却从不使用它，等等。研究表明，即使是无害的冗余也往往和程序的缺陷高度关联。

.减少实时代码。实时代码不但容易出错、编写成本较高，而且调试成本可能更高。如果可能，最好将对执行时间要求严格的代码转移到一个单独的任务或者程序段中。

.编写优雅流畅的代码。

.遵守代码编写标准并借助检查工具。用自动检验工具寻找缺陷比人工调试便宜，而且能捕捉到通过传统测试检查不到的各种问题。

编码技术

编程规范

在嵌入式软件开发过程中，遵守编程规范，养成良好的编程习惯，这是非常重要的，将直接影响到所编写代码的质量。

编程规范主要涉及的三方面内容：

.命名规则。从编译器的角度，一个合法的变量名由字母、数字和下画线三种字符组成，且第一个字符必须为字母或下画线。但是从程序员的角度，一个好的名字不仅要合法，还要载有足够的信息，做到“见名知意”，并且在语意清晰、不含歧义的前提下，尽可能地简短。

.编码格式。在程序布局时，要使用缩进规则，例如变量的定义和可执行语句要缩进一级，当函数的参数过长时，也要缩进。另外，括弧的使用要整齐配对，要善于使用空格和空行来美化代码。例如，在二元运算符与其运算对象之间，要留有空格；在变量定义和代码之间要留有空行；在不同功能的代码段之间也要用空行隔开。

.注释的书写。注释的典型内容包括：函数的功能描述；设计过程中的决策，如数据结构和算法的选择；错误的处理方式；复杂代码的设计思想等。在书写注释时要注意，注释的内容应该与相应的代码保持一致，同时要避免不必要的注释，过犹不及。

性能优化

由于嵌入式系统对实时性的要求较高，因此一般要求对代码的性能进行优化，使代码的执行速度越快越好。以算术运算为例，在编写代码时，需要仔细地选择和使用算术运算符。一般来说，整数的算术运算最快，其次是带有硬件支持的浮点运算，而用软件来实现的浮点运算是非常慢的。因此，在编码时要遵守以下准则：

.尽量使用整数（char、short、int和long）的加法和减法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用乘法。

.尽量避免使用除法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用浮点数。

下图是一个例子，其中两段代码的功能完全一样，都是对一个结构体数组的各个元素进行初始化，但采用两种不同的方法来实现。下图（a）采用数组下标的方法，在定位第i个数组元素时，需要将i乘以结构体元素的大小，再加上数组的起始地址。下图（b）采用的是指针访问的方法，先把指针fp初始化为数组的起始地址，然后每访问完一个数组元素，就把fp加1，指向下一个元素。在一个奔腾4的PC上，将这两段代码分别重复10 700次，右边这段代码需要1ms，而左边这段代码需要2.13ms。

算术运算性能优化的例子

数据编码

通信信道有两种类型，即模拟信道和数字信道。计算机数据在不同的信道中传输，要采用不同的编码方式。

数字数据的模拟信号编码

将计算机中的数字数据变换成网络中的模拟信号，必须要进行调制，即进行频谱变换。模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素，即幅度、频率和相位。数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。

将数字数据调制为模拟信号的基本方式有3种：即调幅、调频和调相，如下图所示。

1）调幅

调幅（Amplitude Modulation, AM）即载波的振幅随着基带数字信号而变化，又称幅移键控（ASK）。在调幅（幅移键控）方式中，用载波的两个不同振幅来表示两个二进制值。例如，用振幅恒定的载波的存在表示一个二进制数字1，载波不存在表示一个二进制数字0，如下图所示。其特点是实现容易，抗干扰能力差。

2）调频

调频（Frequency Modulation, FM）即载波的频率随着基带数字信号而变化，又称频移键控（FSK）。例如，用频率f₁表示一个二进制数字1，频率f₂表示一个二进制数字0，如下图所示。其特点是实现容易，抗干扰能力强。

3）调相

调相（Phase Modulation, PM）即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，又称相移键控（PSK）。在调相方式（相移键控）中，数字0和1的载波起始相位不同。例如，可以用θ= 0°代表0,θ=180°代表1，如下图所示，这种方法称为两相调制；如果以θ为0°、90°、180°、270°，分别表示二进制数00、01、10、11，这种方法称为四相调制。每个调制时间间隔包含两个比特的信息，因此，使信息传输速率增加一倍。其特点是实现复杂、抗干扰能力强。

数字数据调制方式

由PSK和ASK结合的相位幅度调制（PAM），是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。相位幅度调制，即采用相位调制和幅度调制结合的方法来提高传输速率（不提高调制速率）。它采用16个不同的相位和幅度电平，可以使1200b/s的Modem传送19 200b/s的数据信号。

数字数据编码

在数字信道中传输计算机数据时，要对计算机中的数字信号重新编码并进行基带传输。

对于数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

在基带传输中，数字信号的编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如下图所示。

1）不归零编码

不归零编码（Non-Return-Zero, NRZ）用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1。不归零编码有单极型不归零编码和双极型不归零编码两种。

单极型不归零编码，无电压表示0，恒定正电压表示1，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平，如下图所示。

双极型不归零编码，1码和0码都有电压，1为正电压，0为负电压，正负电压的幅度相等，判决门限为零电平，如下图所示。

2）曼彻斯特编码

曼彻斯特编码（Manchester Encoding），用电平的跳变表示二进制，电平由从高到低的跳变表示二进制1，从低到高的跳变表示二进制0，如下图所示。

3）差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding），每比特的开始无跳变表示二进制1，有跳变表示二进制0，如下图所示。

常用编码方案

两种曼彻斯特编码的最大优点是将时钟和数据包含在信号数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传送给对方，所以这种编码也称为自同步码。但缺点也很明显，那就是编码效率低。例如，要传送10Mb/s的数据，需要20MHz的脉冲。曼彻斯特编码常用在以太网中，而差分曼彻斯特编码常用在令牌环网中。

模拟数据的数字信号编码

将模拟数据编码为数字信号的最常见方法是脉冲编码调制，简称脉码调制（Pulse Code Modulation, PCM）。脉码调制是以采样定理为基础的。从数学上可以这样说明采样定理：若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率等于或大于有效信号最高频率的两倍，则采样信息包含原信号的全部信息。再利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。

采样定理表达公式为

F_s≥2F_max或F_s≥2B_s

式中：F_s（即1/T_s）为采样频率；F_max为原始信号的最高频率；B_s（=F_max-F_min）为原始信号的带宽。

PCM编码过程包括采样、量化和编码3个步骤，如下图所示。

1）采样

每隔一定的时间对连续模拟信号进行采样，得到的信号就成为一组"离散"的脉冲信号序列，这种方式称为脉冲幅值调制（Pulse Amplitude Modulation, PAM）。

PCM原理

2）量化

量化是一个分级过程，把采样所得到的PAM脉冲按量级比较，并且"取整"，这样脉冲序列就成为数字信号了。

3）编码

表示采样序列量化后的量化幅度，它用一定位数的二进制码表示。如果有N个量化级，那么就应当有log₂N位二进制数码。

例如，声音数据频率一般在4000Hz以下，那么只要8000次/s的采样就可以完整地表示声音信号的特征。目前，在语音数字化脉冲调制系统中，通常分为128个量级，即用7位二进制数码表示。PCM编码的数据率为8000×7=56kb/s。

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