微控制器系统设计复习题.docx

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微控制器系统设计复习题

1.通过PA口控制PB口，PA口作为输入口与开关K0～K7相连，PB口作为输出口与小灯L0～L7相连。

设计硬件电路，且编程控制，在拨动开关时控制小灯的亮灭。

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0770H

MAIN:

MOVDPTR,#OFF2BH

MOVA,#90H

MOVX@DPTR,A

LOOP1:

MOVDPTR,#OFF28H

MOVXA,@DPTR

INCDPTR

MOVX@DPTR,A

SJMPLOOP1

END

例题用6264（8K×8位）给8051单片机的外围扩展8K的片外数据存储器，画出与单片机相连地址线、数据线和控制线，并注明信号名称。

例题给8051单片机的外围扩展一片16K×8位片外程序存储器，画出与单片机相连地址线、数据线和控制线，并注明信号名称。

LED显示器有静态显示和动态显示两种方式，显示原理是什么

静态显示就是在同一时刻只显示一种字符，或者说被显示的字符在同一时刻是稳定不变的。

其显示方法比较简单，只要将显示段码送至段码口，并把位控字送至位控口即可。

动态显示是同一时刻只有被选通位的数码管能显示相应的字符，而其他所有位都是熄灭的。

利用人眼对视觉的残留效应，采用动态扫描显示的方法，逐个循环的点亮各位数码管，每位显示1ms左右。

使人感觉就好像在同时显示不同的字符一样。

LED数码显示器有两种连接方法共阳极接法或共阴极接法

常用键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。

一般按键较少时采用独立式键盘，在按键较多时采用矩阵式键盘。

他们的工作原理是什么

独立式键盘是指用I/O口线构成的单个键盘电路。

每个独立式键盘单独占有一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O线的工作状态。

在独立式按键电路中，按键输入一般采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平

无按键按下时，常态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。

列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平亦为高。

消抖和按键释放怎么理解

在第一次检测到有按键按下时，该键所对应的行线为低点平，之行一段延时10ms的子程序后，确认该行线电平是否为低电平，如果仍为低电平，则认为该行确实有按键按下。

通常在检测到一次有效的按键操作后，并不立即执行该键的功能程序，而是继续检测该键是否被释放，当检测到该键被释放后立即执行该键的功能程序，这样就可以保证一次按键操作，只执行一次键功能程序。

A/D转换是把连续的模拟电信号转换成时间和数值离散的数字信号的过程。

A/D转换过程主要包括采样、量化和编码。

如当满量程电压为5V，采用10位A/D转换器的量化间隔、绝对量化误差、相对量化误差分别为：

D/A转换器与A/D转换器的功能是什么各在什么场合下使用

A/D转换是把连续的模拟电信号转换成时间和数值连续的数字信号的过程实现转换的器件称为模数转换器

低速A/D转换器件：

双积分型

中速A/D转换器件：

逐次逼近型

高速A/D转换器件：

并行比较型

逐次逼近型是目前使用最广泛的一种，其性价比适中，适合一般的应用；双积分型具有转换精度高、抗干扰性好的优点，但是转换速度慢，常用于各类仪器仪表中；并行式是一种通过编码技术实现高速A/D转换的器件，其速度可以达到几十ns，但是价格很高。

D/A转换的目的是把输入的数字信号转换成与此数字量大小成正比的模拟量

D/A转换器的主要性能指标有哪些设某DAC有二进制12位，满量程输出电压为5V，请问它的分辨率是多少

主要性能指标：

D/A建立时间、分辨率、D/A转化精度分辨率为5/4096

判断下列说法是否正确

（1）“转换速度”这一指标仅适于A/D转换器，D/A转换其可以忽略不计转换时间。

（w）

（2）ADC0809可以利用“转换结束”信号EOC向8051单片机发出中断请求。

（r）

（3）输出模拟量的最小变化量称为A/D转换器的分辨率。

（w）

（4）输出的数字量变化一个相邻的值所对应的输入模拟量的变化称为D/A转换器的分辨率。

（w）

请分析A/D转换器产生量化误差的原因，具有8位分辨率的A/D转换器，当输入0～5V电压时，其最大量化误差是多少

把电压值分成有限的数值区间，使某个区间的所有电压值都对应一个数字量，这个过程称为量化，量化导致的误差称为量化误差。

8051单片机与DAC0832接口时，有那三种工作方式各有什么特点适合在什么场合使用

方式：

直通式、单缓冲、双缓冲

直通：

当DAC0832的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接+5V时，DAC0832工作于直通方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。

但由于直通方式不能直接与系统的数据总线相连，需另加锁存器，故较少应用。

单缓冲：

单缓冲方式是指内部的一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控状态，当然也可以使两个寄存器同时选通及锁存。

因此，单缓冲方式有三种不同的连接方法；在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。

双缓冲：

就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。

由于芯片中有两个数据寄存器，这样就可以将8位输入数据先保存在“输入寄存器”中，当需要D/A转换时，再将此数据从输入寄存器送至“DAC寄存器”中锁存并进行D/A转换输出。

采用这种方式，可以克服在输入数据更新期间输出模拟量随之出现的不稳定。

这时，可以在上一次模拟量输出的同时，将下一次要转换的数据事先存入“输入寄存器”中，一方面克服了不稳定现象，另一方面出提高了数据的转换速度；用这种方式还可以同时更新多个D/A转换器的输出；此外，采用两级缓冲方式也可以使位数较多的DAC器件用于数据位数较少的系统中；在多路D/A转换需要同步的时候，双缓冲方式是非常有用的，比如数字式示波器

RS-232、RS-485、CAN为外总线，它们是系统之间的通信用总线；I2C、SPI是内总线，主要用于系统内芯片之间的数据传输。

SPI只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通信，这四条线是：

串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线（/CS　）。

工作原理：

当SPI工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。

发送一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。

主SPI的时钟信号（SCK）用来保证传输的同步。

I2C总线只有两根双向信号线。

一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。

工作原理：

I2C总线通过上拉电阻接正电源。

当总线空闲时，两根线均为高电平。

连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系；SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。

1.填空题

（1）干扰窜入单片机系统的主要途径有空间干扰、供电系统干扰、过程通道干扰

其他干扰。

（2）干扰的耦合方式主要有：

光电耦合器、隔离变压器、滤波器

等几种形式。

（3）常用的数字滤波方法有、、、、

、和等几种。

（4）常用的软件抗干扰技术有：

软件滤波、指令冗余技术、软件陷阱技术、“看门狗”技术

2.选择题

（1）可以使PC摆脱“死循环”困境的是C。

A．NOP指令冗余B．软件陷阱技术

C．Watchdog技术D．数字滤波

（2）可以抑制空间干扰的是D。

A．光电隔离B．双绞线传输

C．可靠接地D．屏蔽技术

（4）Watchdog定时间隔tw以满足最好为A。

A．

C．

（5）单片机系统受到干扰后，容易使程序计数器PC发生改变，则不能使程序纳入正轨的是。

D

A．软件陷阱B．Watchdog技术

C．指令冗余技术D．数字滤波技术

习题1

1.什么是嵌入式系统嵌入式系统的特点是什么

我国通常定义：

嵌入式系统（EmbeddedSystem）就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，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。

嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的3个基本要素

嵌入式系统的特点：

1．嵌入式系统是专用的计算机系统

2．嵌入式系统须满足系统应用环境的要求

3．嵌入式系统需满足对象系统的控制要求

4．嵌入式系统是一个知识集成应用系统

5．嵌入式系统具有较长的应用生命周期

6．嵌入式系统软件固化在非易失性存储器中

7．多数嵌入式系统具有实时性要求

8．嵌入式系统设计需专用的开发环境和工具

4．嵌入式系统有哪些组成部分各部分的功能和作用是什么

硬件层由嵌入式微处理器、存储系统、通信模块、人机接口、其他I/O接口（A/D、D/A、通用I/O等）以及电源等组成。

嵌入式系统的硬件层以嵌入式微处理器为核心，在嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路（RAM，ROM等），这就构成了一个嵌入式核心控制模块，操作系统和应用程序都可以固化在ROM中

中间层程序主要为上层软件提供了设备的操作接口，它包括硬件抽象层（HardwareAbstractionLayer，HAL）、板级支持包（BoardSupportPackage，BSP）以及设备驱动程序

应用软件是在嵌入式操作系统支持下通过调用API函数，结合实际应用编制的用户软件

5．简述嵌入式处理器的分类及各自的主要特点。

写出EMPU、EMCU、EDSP、SOC和SOPC的全称，并解释其含义

嵌入式处理器的种类

嵌入式微处理器（EmbeddedMicrocomputerUnit，EMPU）、

嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMCU）

嵌入式数字信号处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）

嵌入式片上系统（SystemOnChip，SOC）

嵌入式可编程片上系统（SystemOnaProgrammableChip，SOPC）。

嵌入式微处理器是由PC中的CPU演变而来的，与通用PC的微处理器不同的是，它只保留了与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，ARM是应用最广、最具代表性的嵌入式微处理器。

嵌入式微控制器的典型代表是单片机，其内部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、总线、总线逻辑、定时器、看门狗、I/O接口等各种必要的功能部件。

嵌入式数字信号处理器（DSP）是专门用于数字信号处理的微处理器，在系统结构和指令算法方面经过特殊设计，因而具有很高的编译效率和指令执行速度

SOC是一个集成的复杂系统，它一般将一个完整的产品的各功能集成在一个芯片上或芯片组上SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器的片内嵌入了操作系统，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性和设计生产效率。

可编程片上系统SOPC是一种基于FPGA的可重构SOC，它集成了硬IP核或软IP核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑，是更加灵活、高效的SOC解决方案。

SOC与SOPC的区别：

SOC是专用集成系统，设计周期长，设计成本高，SOPC是基于FPGA的可重构SOC，是一种通用系统，设计周期短，设计成本低

7．简述典型的嵌入式微处理器和微控制器的系列及应用领域。

ARM处理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列以及Cortex-A8系列等。

ARM7、ARM9、ARM9E及ARM10E为4个通用嵌入式微处理器系列，每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的要求，有多个厂家生产；SecurCore系列则是专门为安全性要求较高的场合而设计的；StrongARM是Intel公司生产的用于便携式通信产品和消费电子产品的理想嵌入式微处理器，应用于多家掌上电脑系列产品；Xscale是Intel公司推出的基于ARMv5TE体系结构的全性能、高性价比、低功耗的嵌入式微处理器，应用于数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。

Cortex-A8处理器是第一款基于下一代ARMv7架构的应用处理器，使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb®-2技术

8．简单分析几种嵌入式操作系统的主要特点，包括嵌入式Linux，WindowsCE，μC/OS-II及VxWorks。

1．Linux

Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统，目前存在着许多不同的Linux，，但它们都使用了Linux内核。

Linux可安装在各种计算机硬件设备中，Linux是一个领先的操作系统，世界上运算最快的10台超级计算机运行的都是Linux操作系统。

2．WindowsCE

MicrosoftWindowsCE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。

它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。

该操作系统的基本内核至少需要200KB的ROM。

，其缺点是系统软件价格过高，影响整个产品的成本控制。

3.μC/OS-II

μC/OS-II是一个可裁剪、源代码开放、结构小巧、抢先式的实时嵌入式操作系统，主要用于中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能好和可扩展性强等优点。

4．VxWorks

VxWorks操作系统是一种实时操作系统。

VxWorks拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高、精、尖技术及实时性要求极高的领域中，。

但大多数的VxWorksAPI是专用的，VxWorks的价格昂贵。

5．苹果iOS

iOS是由苹果公司为iPhone开发的操作系统。

它是以Darwin为基础的，主要是给iPhone、iPodtouch以及iPad使用。

Android是一种以Linux为基础的开放源码操作系统，主要使用于便携设备。

Android操作系统最初由AndyRubin开发，最初主要支持手机。

9．嵌入式系统的应用模式有哪几种各有什么有缺点

1．非操作系统层次的应用

非操作系统层次的应用，主要是在一些结构简单的系统中或在实时性要求非常高的系统中，许多时候用于代替原来8位/16位单片机的应用。

随着32位单片机成本的不断降低，其成本已与8位单片机相差无几。

因此，非操作系统层次的应用也越来越广泛。

2．操作系统非GUI层次的应用

操作系统非GUI层次的应用，主要是指其应用程序建立在操作系统基础上，是为了实现程序的多任务及实时性，此类应用在人机交互方面没有很高的要求，可选择的操作系统有许多。

3．操作系统GUI层次的应用

操作系统GUI层次的应用，主要是为了方便实现人机交互功能、网络功能、数据库功能以及其它更复杂的应用。

GUI层次的开发，除了借助于操作系统及GUI库强大的功能，更重要的是可以让程序开发人员把关注点集中在高层的目标与任务的实现中，使嵌入式系统应用的开发更简单，让开发速度及开发效率更高

10．简述嵌入式系统的总体设计应考虑哪些因素。

1．嵌入式微处理器及操作系统的选择

嵌入式微处理器可谓多种多样，品种繁多，而且都在一定领域应用广泛

2．开发工具的选择

目前用于嵌入式系统设计的开发工具种类繁多，不仅各种操作系统有各自的开发工具，在同一系统下开发的不同阶段也使用不同的开发工具。

3．对目标系统的观察与控制

要使系统能正常工作，软件开发者必须要对目标系统具有完全的观察和控制能力，如硬件的各种寄存器、内存空间，操作系统的信号量、消息队列、任务、堆栈等。

11．简述嵌入式系统的开发环境的组成，解释其中的基本概念。

嵌入式系统的开发环境一般由三个部分组成：

宿主机、调试仿真器和目标机。

其中宿主机用来完成源代码编辑、编译、显示一部分运行结果等。

目标机就是用户嵌入式程序的运行环境，通过调试仿真器可以在PC上实现对应用软件的调试；再使用烧写软件，将开发成功的应用系统从宿主机向目标机下载移植，从而完成整个开发过程。

12．简述嵌入式系统的调试方法。

1．指令集模拟器

方便用户在PC上完成一部分简单的调试工作，与真实的硬件环境相差很大，因此即使用户调试通过的程序也有可能无法在真实的硬件环境下运行，

2．驻留监控软件

驻留监控软件（ResidentMonitors）是一段运行在目标板上的程序，集成开发环境中的调试软件通过以太网口、并行端口、串行端口等通信端口与驻留监控软件进行交互，由调试软件发布命令，通知驻留监控软件控制程序执行、读/写储存器、读/写寄存器和设置断点等。

是一种比较低廉有效的调节方式，不需要任何其它的硬件调试和仿真设备。

对硬件设备的要求比较高。

3．JTAG仿真器

也称为JTAG调试器，是通过ARM芯片的JTAG边界扫描口进行调试的设备。

JTAG仿真器比较便宜，连接比较方便，它无需目标储存器，不占用目标端口的任何端口。

另外，由JTAG调试的目标程序是在目标板上执行的仿真，许多接口问题被最小化了。

是目前采用最多的一种调节方式

4．在线仿真器

在线仿真器使用仿真头完全取代目标板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行为，提供更加深入的调试功能。

但全速仿真时钟速度高于100MHz，价格比较昂贵。

在线仿真器常用在ARM的硬件开发中，在软件的开发中使用较少，其价格昂贵也是在线仿真器难以普及的因素。

13．简述嵌入式系统的设计方法和嵌入式系统的设计步骤。

软硬件协同设计方法与传统设计相比有2个显著的特点：

①描述软、硬件使用统一的表示形式；②硬、软件划分可以选择多种方案，直到满足要求。

14．简述嵌入式应用软件的开发的特点。

1．需要交叉编译工具

由于嵌入式系统目标机上的资源较为有限，不能直接在目标机上开发和调试应用软件。

因此，需要放在高性能计算机上的集成开发环境上进行嵌入式应用软件开发，另一个原因是嵌入式系统处理器与PC处理器的指令系统不同

2．通过仿真手段进行调试

在目标机上调试排错是非常困难的。

原因是输入输出方式较少，多数嵌入式系统显示面积小，甚至没有显示屏，从而无法显示调试信息；调试工具需要较大存储空间，对嵌入式系统来说，比较困难。

因此，通常的调试也是在PC上完成的，方式就是仿真调试。

3．目标机是最终的运行环境

嵌入式应用程序开发、调试往往是在PC上完成的，最终的运行环境是目标机。

嵌入式应用程序开发调试完成后，到目标机上运行，正确运行后才表示成功。

如果不成功或需要完善，则需重新回到PC上运行修改调试。

4．执行应用程序的指令通常写入操作系统

在常用的嵌入式系统中，应用程序的启动执行指令通常需要预先写入操作系统的任务调度程序里，编辑在目标程序中。

因此，嵌入式应用程序与操作系统有一定联系，开发者不仅要了解应用程序，也要了解操作系统，

5．系统资源有限

必须考虑可用资源问题。

以存储容量为例，嵌入式系统的ROM容量少，对目标程序有长度限制，在编程时必须考虑这个限制。

6．控制特定部件

在嵌入式应用软件开发过程中，程序员往往需要针对特定的部件做更加细致的编写作业。

1．目前世界上流行的四种嵌入式处理器是哪几种

PowerPC、MIPS、MC68000、i386EX、AMDK62E以及ARM

2．具体说明ARM7TDMI的含义，其中的T、D、M、I分别代表什么

ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{-S}

其中花括号的内容表示可有可无。

前三个参数含义在下面说明：

{x}表示系列号，例如：

ARM7，ARM9，ARM10

{y}表示内部存储管理和保护单元，例如：

ARM72，ARM92

{z}表示含有高速缓存（Cache），例如：

ARM720，ARM940

TThumb指令集，Thumb指令的长度为16位。

目前Thumb有两个版本。

Thumb1用于ARM4的T变种，Thumb2用于ARM5以上的T变种。

D含JTAG调试器，支持片上调试。

M提供用于进行长乘法操作的ARM指令，产生全64位结果。

I嵌入式跟踪宏单元（EmbeddedICEmacrocell）硬件部件，提供片上断点和调试点支持。

E增强型DSP指令，增加了几条16位乘法和加法指令，加减法指令可以完成饱和带符号算术运算。

JJAVA加速器Jazelle，与普通的JAVA虚拟机相比较，Jazelle使Java代码运行速度提高了8倍，而功耗降低了80%。

F向量浮点单元

S可综合版本，以源代码形式提供的，可以被EDA工具使用。

3．简述CISC与RISC体系结构的特点。

CISC（ComplexInstructionSetComputer）复杂指令集计算机：

指令复杂，开发成本高、指令长度不等，大量微码、不利于VLSI实现

统计发现，20%的简单指令（取数、运算、转移等）占CPU动态执行时间的80%~90%；80%的复杂指令只占CPU动态执行时间的20%

RISC（ReducedInstructionSetComputer）精简指令集计算机：

精简指令集的复杂度，简化指令实现的硬件设计，硬件只执行使用频度最高的那部分简单指令，大部分复杂的操作则由简单指令的组合完成

RISC与CISC比较

RISC指令格式和长度固定，类型少，功能简单、寻址简单方式少；CISC指令长度不等、类型多、功能复杂。

RISC使用硬连线指令译码逻辑，易于流水线实现；CISC采用微码ROM译码。

RISC大多数指令单周期完成；CISC指令多为多周期完成。

RISC除Load/Store指令外，所有指令只对寄存器操作；大多数CISC指令皆可对主存及寄存器器操作。

RICS的不足：

RISC代码密度没有CISC高，CISC中的一条指令在RISC中有时要用一段子程序来实现。

RISC不能执行x86代码

RISC给优化编译程序带来了困难

4．什么是ARM处理器的ARM状态和Thumb状态ARM处理器的七种基本工作模式是哪些

ARM状态：

ARM状态下指令长度为32位，ARM指令，字对准

Thumb状态：

Thumb状态下长度为16位，Thumb指令，半字对准。

ARM处理器可以在ARM和Thumb两种状态之间进行切换，状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容

进入Thumb状态：

执行BXRm指令进入Thumb状态。

当操作数寄存器Rm的bit［0］为1时，执行该指令进入Thumb状态。

异常处理返回时，自动切换到Thumb状态（若在Thumb状态进