嵌入式系统原理与接口技术作业2013

辽宁科技大学电信学院 曲强 email：askdqq@163.com

嵌入式系统设计与应用复习题

辽宁科技大学

辽宁科技大学电信学院 曲强 email：askdqq@163.com

第1章 嵌入式系统概论

1.1 什么是嵌入式系统？

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁减，功能可靠，成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统。

1.2在嵌入式系统中，操作系统具有怎样主要功能和特点？

方便用户使用，操作系统应该使计算机系统使用起来十分方便。

扩展机器功能，操作系统应该对系统硬件功能进行充分融合利用，扩充机器功能。 管理系统资源，操作系统应该管理好系统中的所有硬件软、件资源。

提高系统效率，操作系统应该充分利用计算机系统的资源，提高计算机系统的效率。 构筑开放环境，操作系统应该构筑出一个开放环境。

支持体系结构的可伸缩性和可扩展性，支持应用程序在不同平台上的可移植性。

1.3在设计嵌入式系统时，在选择嵌入式处理器和实时操作系统时，分别考虑哪些主要因素？

在嵌入式系统设计时，以满足系统要求为依据。在选择处理器时，主要考虑功能、功耗、体积、可靠性等因素，在选择操作系统时，主要考虑操作系统的实时性，可靠性，可裁剪性等。

1.4常见微处理器有哪些类型，各有什么特点。

微控制器：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。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。

数字信号处理器：在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，数字信号处理器在数字滤波、快速傅里叶变换（FFT）、谱分析等各种仪器上获得了大规模的应用。

嵌入式微处理器：以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、低功耗、可靠性高的优点。

片上系统是基于FPGA技术的系统。

1.5 与通用计算机相比，嵌入式系统有哪些特点？

嵌入式系统通常是面向特定应用的；

嵌入式系统是将计算机技术，半导体技术和电子技术与各行各业的具体应用相结合的产物，是一门综合技术学科；

嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行的，因此嵌入式产品一旦进入市场，就有较长的生命周期；

为了提高执行速度和可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中；

嵌入式系统本身不具有自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

1.6 嵌入式系统与传统的单片机系统在软件和硬件上有哪些主要的不同？

在硬件上，嵌入式系统至少拥有一个高性能处理器作为硬件平台，而单片机系统一般为8位处理器和16位处理器。 在软件上，嵌入式系统拥有一个多任务操作系统为软件系统平台，单片机系统则一般为单任务软件。

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1.7 常见的实时操作系统有哪些？

Vxworks操作系统、WinCE操作系统、Symbian操作系统、Linux操作系统、μC/OS操作系统。

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第2章 ARM微处理器硬件结构

2.1 在ARM内核处理器命名上，T、D、M、I、E、S和J各代表什么意义？

T表示支持16位Thumb指令集； D表示支持在线Debug；

M表示内嵌乘法器Multiplier；

I表示嵌入式ICE，支持在线断点和调试；

E表示DSP指令，支持DSP的特定指令，主要是16bit；

S表示具有可综合功能，提供VHDL或者Verilog语言设计，可以实现自己特定的硬件； J表示支持新的JAVA功能。

2.2 常用的CPU架构有哪两类？这两类架构主要有哪些不同？

冯诺依曼结构：采用冯诺依曼结构的微处理器的程序空间和数据是合在一起的，即取指令和取操作数都是在同一条总线上，通过时分复用的方式进行的。

哈佛结构：采用哈佛总线结构的芯片内部程序空间和地址空间是分开的，这就允许同时取指令（来自程序空间）和同时取操作数（来自数据空间）。

2.3 通用计算机与嵌入式处理器各采用哪种指令集，这两类指令集有哪些不同？

通用计算机一般采用复杂指令系统（CISC）包含一个丰富的微代码系统，简化了处理器上运行程序的编制。主要有以下几个特点：具有大量的指令和寻址方式； 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。

绝大多数嵌入式处理器采用精简指令系统（RISC）。从而提高了微理器的效率，但需要更复杂的外部程序，也就是把在处理器层没有完成的工作放到了上层进行，而处理器层少的这些成本可以用于物理器件速度的提高上去。 RISC有下特点：

1、8/2原则：80%的程序只使用20%的指令；

2、采用Load/store指令模式，凡数据由外存到内存、内存到寄存器方向的流动统一用Load指令，而对于反方向的操作，都用store；

3、用小指令集、多寄存器、指令执行简单快速；

4、统一用单周期指令，从根本上克服了CISC指令周期数有长有短、偶发性不确定、运行失常的缺点。

2.4 ARM7、ARM9内核处理器各采用几级流水线，分别是哪几级流水线结构？

ARM7TDMI采用三级流水线，分另为取指令、解码指令和执行操作。

ARM9TDMI采用5级流水线结构，分别为取指令、译码、执行、存储、写操作五级。

2.5 从内部结构来看ARM9内核处理器主要是由哪些部件组成的？

ARM9TDMI处理器内核采用ARM V4T架构，增加了可用的存储器宽度、指令存储器接口以及数据存储器接口，可以支持16位Thumb指令集和32位ARM指令，ARM9作为高性能的32位RISC处理器内核，可以实现对指令和数据存储器的同时访问。

2.6 试列举ARM处理器工作模式，各工作模式主要完成什么功能？

用户模式（User）。绝大部分的任务执行都在这种操作模式下，此为正常的程序执行模式。 快速中断模式（FIQ）。当一个高优先级中断产生时，系统将会进入这种操作模式，用于高速数据传输和通道处理，由FIQ请求位发出请求信号。

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普通中断模式（IRQ）。当一个低优先级中断产生时将会进入这种操作模式，本模式用于通常的中断处理，由IRQ请求位发出请求信号。

管理模式（Supervisor）。当复位或软中断指令执行时将会进入这种操作模式，是一种可以供操作系统使用的保护模式。

中止模式（Abort）。当存取异常时将会进入这种操作模式，此模式可以被用作虚拟存储及存储保护，可由ABORT请求位发出请求信号。

未定义模式（Undef）。当执行未定义指令时会进入这种操作模式，多被用于软件仿真硬件协处理器时。

2.7 试列举ARM处理器各寄存器功能？

1个寄存器用作PC即程序寄存器，指向程序执行位置。

1个寄存器用作CPSR即当前状态寄存器，保存当前CPU状态。 5个寄存器用作SPSR，备份不同模式下CPSR的值。 30个寄存器作为通用寄存器，存储数据使用。

2.8 试说明CPSR寄存器各位功能。

N位结果为负数标志位。N=1表示运算的结果为负数；N=0表示运算的结果为正数或零。 Z位结果为零标志位。Z=1表示运算的结果为零；Z=0表示运算的结果为非零。 C位为进位标志位。C=1表示有进位，C=0表示没有进位。

V溢出标志位。V=1表示符号位溢出，V=0表示结果没有溢出。

Q位DSP指令溢出标志位。在ARM vTE/J架构支持，指示DSP指令是否溢出。

J位为Jazelle支持标志位。仅ARM 5TE/J架构支持，J=1表示处理器处于Jazelle状态。 I位为IRQ中断禁止位。I=1表示禁止IRQ，I=0表示允许IRQ中断。 F位为FIQ中断禁止位。F=1表示禁止FIQ，F=0表示允许FIQ中断。

T为为Thumb状态标志位。仅ARM xT架构支持，T = 0表示处理器处于ARM状态，T=1表示处理器处于Thumb状态。

2.9 试列出ARM处理器常见异常方式及其含义。

快速中断（FIQ）：当处理器的快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常

中断请求信号（IRQ）：当处理器的外部中断请求引脚有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常

中止异常：当外部的ABORT输入产生时，发生此异常。 软件中断（SWI）： 该异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令，可使用该异常机制实现系统功能调用。

复位：当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异常处理程序处执行。 未定义异常：当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿真。

2.10为什么说ARM处理器是32位处理器

数据线32位，寄存器32位，编码32位。

2.11 在ARM9中如何保证FIQ相应速度快于IRQ的相应速度。

FIQ异常模式下有足够的私有寄存器，且支持数据传输和通道处理方式，从而避免了对寄存器保护的要求，提高响应速度。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j8vv.html