嵌入式系统课程考试题型和答案.docx

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嵌入式系统课程考试题型和答案

第一章绪论

1．什么是嵌入式系统嵌入式系统的特点是什么 

答：

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、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。

特点：

1.嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持；

2.嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的；

3.嵌入式系统通常极其关注成本；

4.嵌入式系统有实时性和可靠性的要求；

5.嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统；

6.嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法。

2．请说出嵌入式系统与其它商用计算机系统的区别。

答：

特征

通用计算机

嵌入式系统

形式和类型

看得见的计算机。

按其体系结构、运算速度和结构规模等分为大、中、小型机和微机

看不见的计算机。

形式多样，应用领域广泛，按应用来分

组成

通用处理器、标准总线和外设。

软件和硬件相对独立

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其内部。

软件和硬件紧密集成在一起

开发方式

开发平台和运行平台都是通用计算机

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

二次开发性

应用程序可重新编制

一般不能再编程

3.嵌入式的关键技术有哪些

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．请说明嵌入式系统技术的发展及开发应用的趋势。

答：

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。

开发应用的趋势：

向经济性、小型化、可靠性、高速、低功耗、低成本、高精度方向发展

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是什么采用的哪一个嵌入式操作系统 

答：

设备

处理器

操作系统

开发环境

ipad4

AppleA6X

ios6

Xcode

三星GalaxyS5

高通骁龙801（2560MHz）

AndroidOS

PDA

PXA25X

Palm OS/Windous CE

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主要有哪几种分别用在什么场合

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

JAVA应用在JSP开发网页等大型应用

7、在项目开发中，采用嵌入式和专用集成电路进行设计各有什么优缺点

答：

嵌入式控制器可以设计成用户专用集成电路。

把微处理器看成电路库元件中的一个标准单元，微控制器就成了专用集成电路。

嵌入式系统可以编程，专用集成电路也可以编程。

专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit）指为某种用途专门设计制造的集成电路。

其中所谓半定制ASIC设计指用户根据半导体集成电路制造商提供的单元电路库来设计自己的asic。

把微处理器看成电路库元件中的一个标准单元，微处理器就成了ASIC。

（嵌入式系统设计是以单片计算机为核心的系统，集成电路设计是芯片设计）

第二章嵌入式系统设计方法

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开发法即软硬件综合开发的方法。

设计流程参考PPT

需要进行的工作：

1系统总体框架

2软硬件划分

3处理器选定

4操作系统选定

5开发环境选定

2．嵌入式硬件调试的主要方法及技术手段有哪些

答：

硬件调试（交叉）包括：

1.直接测试法：

在宿主机上编写代码编译成可执行程序下载到目标机，观察结果

监控器：

监控目标机上被调试程序的运行

仿真器：

替代目标机上的ROM芯片的设备

3.在线仿真器（ICE）：

替代目标机上的CPU芯片的设备

4.片上调试（OCD）：

CPU芯片提供的一种调试功能

技术手段：

JTAG（边界扫描技术）、BDM（背景调试模式）、基于主机的调试、远程调试等

软件调试（非交叉）：

模拟器方式：

一种软件仿真器，在宿主机上创建一个虚拟的目标机环境，再将应用系统下载到这个虚拟目标机上运行/调试

3．什么是构件式开发方法 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：

嵌入式构件式开发方法是指在开发嵌入式系统时，对系统的开发进行总体规划，设计成模块化和构件化结构。

意义：

1.提高开发效率；

2.提高开发的可靠性；

3.提高软件的可移植性；

4.适合于并行开发

5节省资源

6提高软件复用性

举例：

在已有的硬件和软件构件的基础上构造自己的系统

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。

同时需求分析也能为系统的开发提供一些指导，决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，如性能、价格功耗等【2】确定硬件和软件。

【3】确定项目的约束条件。

【3】明白系统必须做什么，作一份需求分析报告

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：

系统概要设计主要涉及系统的总体构架，对软硬件进行划分，选定处理器、操作系统及开发平台，大概是确定设计的总体流程，包括功能模块图设计等。

详细设计主要涉及到硬件和软件的详细设计，包括逻辑电路图设计、PCB设计以及模块详细算法等

概要设计）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。

基本任务是：

建立系统结构（划分模块、定义模块功能、模块间的调用关系、定义模块的接口、评价模块的质量）、数据结构和数据库的设计（数据结构设计、概念设计、逻辑设计、物理设计）、编写概要设计文档（概要设计说明书、用户手册、数据库设计说明书、修订测试计划）。

（详细设计）的基本任务是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、其它（代码设计、输入/输出格式设计、人机对话设计）、编写详细设计说明书、评申。

6．在嵌入式系统实现阶段，需要选择开发平台，通常开发平台的选择包括哪些内容

 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】使用构件式开发方法。

【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”测试并指出专业测试工具软件名称 

答：

黑盒测试又名功能测试，它是已知产品所应具有的功能，通过测试来检测每个功能是否能正常使用，在测试时，把程序看作一个不能打开的黑盒子，在完全不考虑程序内部结构和内部特性的情况下，测试者在程序接口进行测试Performance Pak

   白盒测试又名代码遍历覆盖测试，它是知道产品内部工作过程，可通过测试来检测产品内部结构是否按照规格说明书的规定正常进行，主要用于软件验证CodeTest

灰盒测试，仅仅知道部分程序细节的测试方法。

它是介于前面二者之间的，其关注输出对输入的正确性，同时也关注内部表现，通过一些表征性的现象来判断内部的运行状态Visual Slick Edit for Tornado

9．嵌入式操作系统开发中，使用软件组件技术有什么好处 

答：

1.提高开发效率；

2.提高开发的可靠性；

3.提高软件的可移植性；

4.适合于并行开发

5节省资源

6提高软件复用性

10．什么是知识产权核（Intellectual Property Core,简称IP Core）指出“软知识产权核（Soft IP Core）”、“硬知识产权核（Hard IP Core）”、“固知识产权核（Firm IP Core）”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

软核：

主要描述功能，以 HDL（硬件描述语言）文本形式提交给用户 

固核：

主要描述结构，介于软核和硬核之间，以门电路级网表的形式提供给用户

硬核：

基于物理描述，并已经过工艺验证，以电路物理结构掩模版图和全套工艺文件提供给用户 

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.与嵌入式OS相关的开发工具，用于开发基于嵌入式OS的应用和部分的驱动程序等； 

2.与嵌入式OS无关的开发工具，用于开发基本的驱动程序、辅助硬件调试，系统软件的开发等。

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：

1、编写简单的板级测试软件，辅助硬件调试系统

2、开发基本的驱动程序

3、开发特定嵌入式操作系统的驱动程序

4、开发嵌入式系统软件，如：

嵌入式操作系统

5、开发应用软件

13.什么是“由上而下”和“由下而上”研究方法在嵌入式系统研制中各有什么特点

答：

由上而下：

所有设计遵循系统工程的流程进行，确定需求、制定系统规格、设计、实现、测试都是一步一步、按部就班地进行；

由下而上：

一个系统由已有的基础为起点，开始往上延伸，最后将系统完成

特点：

一个是由上而下，一个是由下而上

14．什么是交叉开发环境什么是OCD测试方法指出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：

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。

OCD：

指的是CPU芯片提供的一种调试功能（片上调试），可以认为是一种廉价的ICE功能：

OCD的价格只有ICE的20%，但提供了ICE80%的功能 

JTAG特点：

4个引脚。

优：

1可通过边界扫描操作测试整个板的电气连接

2各个引脚信号的采样，并可强调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，为复杂的实时跟踪调试提供路径；

4可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。

缺：

1通过串口一次传递数据，速度比较慢；

2只能进行软件断点级别的调试；

3不能完成实时跟踪额多种事件触发等复杂调试功能。

BDM：

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，是JTAG的增强版本；缺点：

引脚比JTAG多，使用厂家少 

调试功能上的差异：

JTAG只能进行软件断点级别的调试，而BDM在硬件设计仅仅需要将处理器的调试引脚连接到专用剪接器与调试工具上，通常这种连接器叫做n-wire。

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：

1.代码定位不同

2.初始化部分不同

16.嵌入式系统仿真开发方法主要有哪两种类型其中，硬件仿真开发有哪些方式

答：

包括硬件仿真开发和软件仿真开发

硬件仿真开发包括ROM仿真器、在线仿真（ICE）、片上调试（OCD）

17.软件模拟仿真方法主要有什么特点模拟仿真结果和真实系统有何不同

答：

特点：

可以不用真正的目标机，可以在目标机环境不存在的条件下开发目标机上的应用系统，并且在调试时可以利用Host资源提供更详细的错误诊断信息.

不同：

1和实际的运行环境差别很大

2设备模拟的局限性较大

3实时特性较差

4对Host的资源要求较高

18．综合思考题：

选择一个嵌入式系统产品（如手机、数码相机、路由器、机顶盒、GPS导航仪、车载视频记录仪、微波炉及各种智能家用电器），利用本章学过的知识，进行系统的总体方案和硬件与软件系统设计。

提示：

嵌入式系统开发包括需求分析、设计、实现、测试等方面。

应当有设计指标及功能要求。

在实现方面，不需要把产品硬件电路图、程序代码设计出来，只需要概括地说明软件硬件的结构，写出软硬件需要完成的工作或画出相应地框图、程序流程图即可）。

答：

第三章嵌入式系统的硬件基础

1．按照原理和功能不同，嵌入式处理器分为哪几种类型简要说明它们各自不同的主要性能特点。

答：

1嵌入式微处理器（ EMPU）：

具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点； 

2微控制器（ MCU） ：

又称单片机。

和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高

3DSP处理器（EDSP） ：

适合于执行DSP算法，编译效果高，指令执行速度快。

在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法正在大量进入嵌入式领域

4嵌入式片上系统（SOC） ：

整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

2．举出在嵌入式系统开发应用最主流的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：

1、Intel体系的MCS51，工业标准/可工作在空闲、掉电模式，keil C ，各种工业控制领域；

2、Motorola 68HCXX单片机，高频噪声低、抗干扰能力强、含内监控ROM/片上集成Flash，CodeWarrior，汽车电子等领域；

3、TI MSP430低功耗单片机，超低功耗和功能集成，IAR ICE集成开发环境，手持设备和安全领域的；

4、Sunplus 单片机SPCE061A，数字信号处理、语音处理方面，u’nSP IDE，智能玩具。

5、Atmel AVR 单片机 AT90Sx系列，增强RISC结构/片上集成Flash， ICCAVR 宇航设备/仪器仪表/通讯设备； 

6、Philips LPC系列 P87LPC76X，IO端口功能多/ 提供OPT（一次编程）/EMC很好，ADS，高集成/低成本工控领域；

7、 Microchip PIC 单片机 PIC16C5X（速度最快），提供OPT（一次编程）、低电压、低功耗的选择，MPLAB C18 C编译器、MPLAB ICD 2在线调试器及MPLAB PM3通用器件编程器，最佳性价比；

3．简要介绍CPLD与FPGA的工作原理及主要区别，指出为什么FPGA在掉电后期内部结构将会发生变化FPGA最常用的芯片配置方式有哪些

答：

工作原理：

CPLD：

FPGA:

区别：

1:

FPGA的逻辑块扇入小，CPLD的逻辑块扇入大

2:

互联方式：

FPGA是分布式的，延时与系统布局有关，CPLD是集总式的开关元件，等延时

3:

FPGA逻辑能力较弱而寄存器多——数据密集型

CPLD逻辑能力强但寄存器少——控制密集型

4:

 大规模地设计还是选择FPGA，但他的芯片价格一般比CPLD贵

5:

当芯片工作电源掉电后，CPLD编程后的电路结构不变，FPGA将丢失数据使电路结构发生变化，因此每次加电后要重新对芯片进行配置。

原因：

因为掉电后FPGA将丢失数据

FPGA常用芯片配置方式：

A、FPGA配置接口1、被动串行模式2、主动串行模式3、被动并行同步模式4、被动并行异步5、被动串行异步6、快速被动并行7、JTAG模式

B、使用单片机配置FPGA

C、利用FLASH结构的EPC2配置FPGA

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中的应用。

答：

ISP技术（In Ststem Programmability）：

系统内编程技术，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可用ISP方式擦出或再编程。

JTAG（Joint Test Action Group联合测试小组）技术是一种国家标准测试协议，主要用于芯片内部测试。

通过这个标准，可对具有JTAG接口的芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。

两技术特点及区别：

ISP的实现相对简单些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来改写。

ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机可直接接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来不便。

JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP（测试访问口），通过专用的JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。

现在JTAG接口还常用语实现ISP对Flash等器件进行编程。

JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程是对芯片进行与编程再装袋板上，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。

JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程。

JTAG大致分为两类，一类用于测试芯片的电气特性；一类用于Debug；一般支持JTAG的CPU都包含了这两个模块。

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，又称单片机，是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，和嵌入式处理器相比，其最大的特点是单片化，体积小，功耗低，可靠性好。

其是目前嵌入式系统工业的主流，其片上外设资源丰富，适合控制，因此称为MCU; 

 EMPU嵌入式微处理器，其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，这样就减少系统体积和功耗。

体积小，功耗低，可靠性好

SOC 片上系统，其可分为通用和专用两类。

除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利； 

DSP 数字信号处理器，是一种独特的微处理器，DSP处理器利用哈佛结构和改进的哈佛结构，采用流水线技术。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色； 

SOPC可编程片上系统，它是一种特殊的嵌入式微处理系统。

首先，它是片上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，以FPGA为硬件基础，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备在线可编程的功能； 

ARM通用嵌入式处理器。

采用RISC架构的ARM的处理器具有如下一些典型的特点：

体积小、功耗低、成本低、性能高；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集；寄存器数量众多，指令执行速度快；绝大多数操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单

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、流水线冲突、RISC结构等。

答:

ARM处理器的主要特点:

（1）小体积、低功耗、成本低、高性能 

（2）16位/32位双指令集 （3）全球众多的合作伙伴 

ARM处理器家族的体系结构：

ARM具有多种版本，各种版本之间的体系结构略有不同，有冯诺依曼结构和哈佛结构。

N级流水线结构：

 支持N条指令同时执行，大大提高了CPU效率

超标量架构：

在超标量架构体系中，处理器或指令编译器能够判断指令是否独立于其他顺序指令执行，还是必须依赖于另一指令，跟随其顺序执行。

超标量体系结构设计又称“第二代RISC”。

RISC架构具有以下特点：

 与CISC比较中提过 

1）使用流水线，CPI（每条指令执行周期数）少

2）简单的寻址模式

3） 使用单周期指令 

3） 大量使用寄存器

4） 芯片成本低

流水线冲突：

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范围。

答：

TMS320C2000 DSP是基于320C2xLP核。

C2xLP核具有4级流水，工作在40MHz。

具有JTAG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，TMS320C2000系列是控制用DSP，具有完美的性能并综合最佳的外设接口，在这个系列的器件中，它集成了闪存、高速A/D转换器、高性能的CAN模块,PWM,CAP等。

TMS320C2000系列DSP器件具有较高的性价比，设计工程师通过 利用它可以降低开发难度，缩短面市时间，有效地降低了开发成本。

应用领域:

 工业拖动 ，家用电器 ，电源管理 ，HVAC 系统 ，光传输网络 ，手持式工具 ，制冷器具 ，灯光控制 ，日用消费品，流体泵控制 ，UPS ，智能传感器等。

TMS320C5000TM DSP 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 的这些特征使得它在INTERNET 和无线通讯市场得到了广泛的应用。

它的处理速度可以高达600MIPS ,但功耗低到 mW/MIPS。

C5000 DSP 核是针对个人便携设备而设计的。

应用领域：

有线无线通信，IP，便携式信息系统，寻呼机，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 DSP 是适合于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。

这一系列的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作了很大的改进。

具有最佳的性价比。

应用领域：

无线基站、远程数据服务、xDSL（digital subscriber loop）系统 、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、语音识别和高级图像处理等方面。

8．指出2~3种以X86为核心的PC机开发技术在嵌入式中的应用实例，请说明他们的特点及最佳用途 

答：

PC104、eBox主机系统

PC104 的应用开发特点表现为:

（1） 模块多种多样。

PC104 模块实际的配置和应用多种多样,品种齐全,用户可以选择各种不同的功能模块,如同搭积木一样设计出满足各种要求的专用系统。

其显示接口支持从单色到SVGA 的各种型号的显示器,包括液晶和平板显示器;其磁盘接口支持软盘、硬盘、SCSI、固态电子盘（SSD） 、PCMCIA等存储介质;通讯可提供调制解调器、FAX 等型号模块;网络可提供Ethernet 、Arcnet 等型号产品; 数据采集和控制模块可提供12 位、14位、16 位分辨率的A/ D、D/ A 以及多种计数器。

（2） 系统开发灵活方便。

PC104 模块最通用的开发方法是通过外接显示器、键盘、软盘、硬盘等构成一最基本的计算机系统,在此系统上自行开发、调试直至完成系统功能。

由于PC104 在硬件和软件上与普通PC 完全兼容,可利用PC 机丰富的软件和熟悉的硬件缩短开发周期降低成本。

PC104模块的另一种开发方法是利用现有的台式PC 机通过远程调试的方法来实现。

类似于单片机的开发方法,将PC 机和PC104 的CPU 模块用串口相连,通过支持远程调试的软件实现远程调试开发。

其特点是成本低、完全软件