嵌入式系统原理及接口复习要点及思考题答案计.docx

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嵌入式系统原理及接口复习要点及思考题答案计

各位：

根据掌握要点认真复习，后面附有作业题答案。

第1章掌握要点

1.1.1节嵌入式系统的概念

1.1．3节嵌入式系统的特点

1.3节嵌入式处理器

1.4节嵌入式系统的组成（看课件，有补充的内容）

补：

1.嵌入式系统开发过程？

2.嵌入式系统调试常用的基本方法

3.交叉编译和交叉调试

4.嵌入式操作系统

第2章掌握要点

2.1节计算机体系结构分类

2.3.1节ARM和Thumb状态

2.3.2节RISC技术

2.3.3节流水线技术

2.4.1ARM存储系统

2.4.2Cache:

写通、写回、读操作分配cache、写操作分配cache、工作原理、地址映像

2.4.3节ARM存储系统

补充:

（见课件）

1.ARM简介：

ARM的命名方式、5种变形

2.理解片内Flash的3种编程方法。

3.理解ARM7芯片存储器存储空间分布。

（8个bank，每个bank32MB）

第3章掌握要点

3.1节ARM编程模式：

处理器模式、处理器工作状态、寄存器组织、异常中断

3.2节指令格式和寻址方式

3.3节指令系统：

掌握和熟练应用课件所讲的指令、可编程序段

第5章掌握要点

5.1节键盘接口：

行扫描法原理、掌握编写驱动程序

5.2节LED显示器接口：

理解工作原理，掌握编写驱动程序

5．5.1节UART异步串行接口：

异步通信格式、接收的4种错误类型、初始化、发送程序、接收程序

第1章作业题答案：

1.什么是嵌入式系统？

∙第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：

嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。

∙第二种，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

两种定义之一即可。

2.与通用型计算机相比，嵌入式系统有哪些特点？

⏹通常是面向特定应用的；

⏹空间和各种资源相对不足，必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余；

⏹产品升级换代和具体产品同步，具有较长的生命周期；

⏹软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身；

⏹不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发

3.举例介绍嵌入式微处理器有哪几类？

（1）嵌入式微处理器（EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU）

嵌入式处理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

（2）嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit,MCU）

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。

（3）嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP）

嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola摩托罗拉的DSP56000系列。

（4）嵌入式片上系统（SystemOnChip）

4.从硬件系统来看，嵌入式系统由哪几部分组成？

画出简图。

∙嵌入式核心芯片，EMPU——嵌入式微处理器、EMCU——嵌入式微控制器、EDSP——嵌入式数字信号处理器、ESoC——嵌入式片上系统。

∙用以保存固件的ROM（非挥发性只读存储器）。

∙用以保存程序数据的RAM（挥发性的随机访问存储器）。

∙连接微控制器和开关、按钮、传感器、模/数转化器、控制器、LED（发光二极管）、显示器的I/O端口。

5.嵌入式微处理器和嵌入式微控制器分别由哪些部件组成，两者有何区别。

答：

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。

嵌入式微处理器=运算器+控制器+寄存器组+内总线，在应用中必须装配在专门设计的电路板上，在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件。

嵌入式微控制器=cpu内核+存储器+I/o接口+辅助电路（时钟、A/D、D/A等）

嵌入式微处理器与嵌入式微控制器的区别：

嵌入式微处理器只含有内核，嵌入式微控制器除含有内核外，内部还包含ROM、RAM存储器以及各种外设接口、辅助电路等。

6．嵌入式操作系统通常含有几层，主要实现何功能。

嵌入式操作系统通常包括:

（1）驱动层：

硬件相关的底层驱动软件和设备驱动接口；如：

LCD、触摸屏的驱动及接口。

（2）操作系统层：

系统内核（基本模块），扩展模块（可裁剪）。

基本模块包含内存管理、文件管理和进程调度；扩展模块包含网络模块、图形驱动、数据库驱动等。

（3）应用层：

应用程序接口。

7.嵌入式系统开发过程？

答：

嵌入式系统的开发主要分为系统总体开发、嵌入式硬件开发和嵌入式软件开发3大部分。

流程如图所示。

8.嵌入式系统调试常用的基本方法？

答：

常用的三种方法：

模拟调试（Simulator）、全仿真调试（Emulator）、BDM/JTAG调试（BDM/JTAGDebugger）。

模拟调试：

调试器和待调试的嵌入式软件都在主机上运行，由主机提供一个模拟的目标运行环境，可以进行语法和逻辑上的调试。

全仿真调试（Emulator）：

这种方式用仿真器完全取代目标板上的MCU，仿真器是仿照目标机上的CPU而专门设计的硬件。

仿真器与目标板通过仿真头连接，与主机有串口、并口、网口或USB口等连接方式。

BDM/JTAG调试：

这种方式有一个硬件调试体。

该硬件调试体与目标板通过BDM、JTAG等调试接口相连，与主机通过串口、并口、网口或USB口相连。

待调试软件通过BDM/JTAG调试器下载到目标板上运行。

9.理解交叉编译和交叉调试。

答：

嵌入式软件开发所采用的编译为交叉编译。

在一种计算机环境中运行的编译程序，能编译出在另外一种环境下运行的代码，称这种编译器支持交叉编译。

简单地说，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。

要进行交叉编译，需要在主机平台上安装对应的交叉编译器，然后用这个交叉编译器编译源代码，最终生成可在目标平台上运行的代码。

在嵌入式软件开发中，调试时采用的是在宿主机和目标机之间进行的交叉调试，调试器仍然运行在宿主机的通用操作系统之上，但被调试的进程却是运行在基于特定硬件平台的嵌入式操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信，调试器可以控制、访问被调试进程，读取被调试进程的当前状态，并能够改变被调试进程的运行状态。

第二章作业答案

1．ARM处理器工作模式有几种?

各种工作模式下分别有什么特点?

答：

ARM微处理器支持用户、系统、快速中断、外部中断、管理、中止、未定义等7种工作模式。

各工作模式拥有自己的寄存器组，不同的工作模式间可以相互切换，共有两种方式。

第一种，发生异常时，处理器自动改变CPSR中M[4:

0]的值，进入相应的工作模式；第二种，当处理器处于特权模式时，用指令向CPSR的M[4:

0]字段写入特定的值，以进入相应的工作模式。

当处理器处于用户模式时，不能改变工作模式，除非发生异常。

2.ARM处理器总共有多少个寄存器，这些寄存器按其在用户编程中的功能是如何划分的?

这些寄存器在使用中各有何特殊之处?

答：

ARM处理器总共有37个寄存器，各寄存器均为32位。

31个通用寄存器，包括程序计数器PC；6个状态寄存器。

这些寄存器按其在用户编程中的功能可划分为：

通用寄存器和状态寄存器。

根据ARM处理器不同工作模式，可将全部寄存器分成7组；各工作模式拥有属于自己的寄存器组，也只能访问自己的寄存器组。

3.寄存器R13，R14，R15的专用功能各是什么？

答：

1）寄存器R13用作堆栈指针SP；2）寄存器R14用作子程序链接寄存器，也称为LR，用以保存返回地址；3）R15（PC）用作程序计数器。

4.若寄存器R1=0x01020304，分别按小端模式和大端模式存储在0x30000字单元中，试分别画出两种模式下内存存储内容，并标出内存地址。

5.试述ARM处理器对异常中断的响应过程。

答：

当一个异常出现以后，ARM微处理器执行完当前指令后（复位异常除外）会执行以下几步操作：

（1）将CPSR复制到相应到相应模式下的SPSR中，设置CPSR:

置位I位（禁止IRQ中断）

清零T位（进入ARM状态）

设置MOD位，切换处理器至相应模式

（2）将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR（R14_XXX），以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。

（3）强制PC从相关的异常向量地址取一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处。

6.如何从异常中断处理程序中返回?

需要注意哪些问题?

答：

异常处理完毕之后，ARM微处理器会执行以下几步操作从异常返回：

（1）将SPSR复制回CPSR中，恢复原处理器工作模式。

（2）将连接寄存器LR（R14_XXX）的值减去相应的偏移量后送到PC中，跳转到被中断的用户程序。

7.ARM存储器的存储周期有几种类型，对应于cache访问和存储器访问是何存储周期？

答：

（1）空闲周期I周期----内部周期，不执行存储器访问；可广播下一次访问的地址以便开始译码，与S周期配合实现总线上的突发传送。

（2）顺序周期S周期----顺序周期：

多用于实现总线上的突发传送，第一个周期必须是一个内部周期。

（cache传送）

（3）协处理器寄存器传送周期C周期----协处理器寄存器传递周期：

通过数据总线向或从协处理器传送数据；传送期间，存储系统不允许驱动数据总线。

（4）非顺序周期N周期----非顺序周期：

最简单的总线周期，存储控制器必须启动存储器访问来满足这个请求；该方式存储系统常需要长的访问时间。

（存储器读写）

cache访问：

I周期、S周期

存储器访问：

N周期

8.何谓cache？

简述cache的工作原理。

（第2版书P44）

9.何谓写通cache和写回cache，两者有何区别？

答：

（1）写回法是指CPU在执行写操作时，被写的数据只写入cache，不写入主存。

仅当需要替换时，才把已经修改的cache块写回到主存中。

采用写回法进行数据更新的cache称为写回cache。

（2）写通法是指CPU在执行写操作时，必须把数据同时写入cache和主存。

采用写通法进行数据更新的cache称为写通cache。

10.arm的MMU主要实现何功能。

答：

（1）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。

在ARM中采用了页式虚拟存储管理，通过两级页表实现虚拟地址到物理地址的映射。

（2）存储器访问权限的控制。

（3）设置虚拟存储空间的缓冲特性：

Cache/writebuffer

11.协处理器cp15主要实现的功能？

答：

（1）用于处理、控制ARM的特殊性能

（2）片上存储器管理单元（MMU）

（3）指令、数据缓存

（4）写缓冲器

12、简述MMU使能时存储访问过程。

答：

芯片设置为MMU使能（设置cp15寄存器）:

（1）若cache使能，根据arm输出的虚拟地址在CACHE中搜索;若cache命中,arm处理器与cache交换数据。

若cache禁止或cache未命中，首先访问TLB，参见

（2）。

（2）根据arm输出的虚拟地址在TLB中搜索，若找到，将其转换为物理地址，访问主存并把该块数据读取到cache（使能时）中。

13、ARM支