11级研究生嵌入系统复习题终版报告

《嵌 入 式 硬 件 系 统 原 理》复 习 题

1. NAND Flash 与NOR Flash 的区别是什么？

答：NOR 和NAND 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。

区别：（1）NAND Flash 用于高数据密度的数据存储，便宜，功耗低，NAND 的写入速度比NOR 快很多；以8-32KB 的块进行操作，执行一个写入/擦除的操作最多仅需要4ms ；但应用NAND 的困难在于flash 的管理和需要特殊的系统接口。

（2）NOR Flash 用于存储少量的代码，NOR 的读速度比NAND 稍快一些。NOR 是芯片内执行，即应用程序可以直接在Flash 闪存中运行，不必把代码读到系统RAM 中，传输效率高；以64-128KB 的块操作，执行一个写入/擦除操作的时间为5s ，写入和擦除速度大大影响了它的性能。

2. 杂散电容和杂散电感在一起会有什么后果？

答：由于杂散电容的存在，根据i c =C

dt du 当有电压变化时,电路中会产生杂散电流，由于电路中杂散电感的存在，根据u l =L dt di 当有开关电流时会产生电压的变化；因此，杂散电容和杂散电感在一起会引起电路谐振现象，即地跳。由于线路的阻性，将会引起电路的发热，落是超过器件的额定电压电路等指数，将会烧毁器件

3. 设备驱动程序在嵌入式系统中的作用是什么？

答：驱动程序是指系统内核与系统硬件之间的接口。嵌入式操作系统下的设备驱动程序是内核的一部分，运行在内核模式下，即设备驱动程序为内核提供一个I/O 接口，用户使用这个接口实现对设备的控制，并完成用户应用程序和外部设备间的数据传输和控制。设备驱动程序用于屏蔽硬件设备的特殊性，使用户可以像对待文件一定操作硬件设备，这些操作由函数调用接口来完成。主要作用有：

1) 读/ 写。几乎所有设备都有数据的输入和输出。每个驱动程序都要负责本设备的读/ 写操作,而读/ 写都由驱动程序完成。操作系统定义好读/写接口,由驱动程序完成具体的功能。当驱动程序初始化时,需要将接口的读/ 写函数注册到操作系统。

2) 中断。中断在计算机中有非常重要的作用,操作系统必须提供响应驱动程序中断的能力。先需要把中断处理程序注册到系统中,在硬件中断发生后,操作系统调用驱动程序的处理程序。

3) 时钟。在开发设备驱动程序时,很多地方会用到时钟,操作系统必须为驱动程序提供定时机制,一般是在预定的时间过了以后,回调注册的时钟函数

4. Cortex 系列单片机具有哪些成员？各自的特点及应用领域是什么？

答：（1）Cortex-M3应用领域主要为企业应用、汽车系统、家庭网络、无线技术、数据通信以及工业控制等。特点为：功耗低；内核的门数少，具有优异的性价比；终端延迟短；调试成本低：具有嵌套向量中断控制器（NVIC ），与处理器内核紧密结合实现低延迟的中断处理；具有可裁剪的存储器保护单元（MPU ），用于对存储器进行保护。

（2）Cortex-M0：主要应用领域为电子测量、智能控制、紧凑型电源、精密模拟系统。Cortex-M0处理器还适合拥有诸如智能传感器和调节器的可编程混合信号市场。特点为： 体积小、能耗非常低、门数量少、代

码占用空间小，使得MCU开发人员能够以8位处理器的价位，获得32位处理器的性能。超低门数还使其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及MCU应用中，可望明显节约系统成本.

（3）Cortex-A8:应用领域主要为多媒体和信号处理技术、高效地进行支持预编译和即时编译、运行时间编译目标技术。特点为：是有史以来ARM开发的性能最高、最具功率效率的处理器。支持大型嵌入式操作系统。需要很高的处理性能，并且需要硬件MMU实现的完整而强大的虚拟内存机制。

（4）Cortex-R4:应用领域主要为高档轿车的组件，大型发电机控制器等。特点为：带有实时要求的高端的嵌入式系统，很好很强大而且还要及其可靠，对事件的反应也要及其敏感。

5.为什么应该将程序和数据划分为函数、数据类型和数据结构，并且将它们放置在不同的存储器块或者段中？说明下列的数据结构在存储器中如何存储：堆栈、循环队列、链表。

答：这样的划分可以使处理器根据分类有效地组织地址分配，实现存储器的映射

（1）堆栈：堆栈是一个按照LIFO规则使用的内存块。每个堆栈都有自己的堆栈指针，该指针总是指向栈顶。（2）循环队列：队列是一个物理地址连续的存储器块，其中的数据元素总是以FIFO的模式取回。队列有两个指针。一个称为队尾指针，另一个称为队首指针，两个指针的差值是队列的当前长度。元素从队尾指针指向的位置插入(写操作)，每次增加元素后这个指针都应该增加；队首指针用来完成元素的删除(读操作)。每次删除元素后这个指针都应该增加。两个指针开始的时候都指向存储器块中的起始地址。

（3）链表：是一个具有多个存储器块的数据结构，每一个元素都有一个存储器块(物理地址不连续，但逻辑地址连续)。链表具有顶(头)指针，指向链表开始处的存储器地址。存储器中的每一个链表元素也保存了指向下一个元素的指针。最后一个元素不指向任何地方。链表用来保存存储器中不连续存储的对象。

6.什么是Cortex中的“尾链中断”，什么是“迟到中断”，在实际工程应用中有何优点？答：尾链中断：如果在异常的处理过程中有较低优先级或相同抢占优先级的异常发生，这个新发生的异常必须等待正在进行的异常处理结束才能得到响应。在这种情况下，Cortex-M3 在结束前一个异常处理和开始新的异常处理过程中省略了出栈和再入栈的操作，直接读取下一个异常向量，开始新的异常处理，这个动作只需 6 个周期。两个或多个异常处理首尾相连，只有一次入栈和出栈操作。

中断迟到：如果在入栈过程中，有另一个更高优先级的中断发生，则处理器在完成入栈后读取新的异常向量，执行新的异常的服务程序。这种优先级处理方式称为中断的迟到机制。

7.什么条件下需要DMA操作？优点是什么？试举一个例子，并给出系统框图、操作步骤及相应的时序示意图。

（1）条件：当多字节数据或者一个数据块需要在两个系统之间、在CPU不干预(除了传送的开始和结束之外)的情况下进行传送时，需要直接存储器访问(Direct Memory Access，DMA)。

（2）优点：DMA传送是在DMAC(DMA控制器)的协助下进行的。由于DMAC只需要很少的处理器干预，因而提高了I/O设备和系统存储器之间的数据传送效率。

系统框图：

操作步骤：DMA控制器向CPU提出DMA请求，请求信号加到CPU的HOID引脚上。CPU响应DMA请求后，DMA 控制器从CPU那获得对总线的控制权。

时序示意图：微机原理447页

8.解释三级流水线、分支预测、超标连处理、分支代价、数据依赖代价的含义。

答：三级流水线：指在同一周期内，在第一条指令执行的同时，第二条指令已经在译码了，第三条指令已经在取指了，如此循环来提高效率。

分支预测：是一种解决处理分支指令导致流水线失败的数据处理方法，由CPU来判断程序分支的进行方向，以此来提高运算速度。

超标量处理：在一个时钟周期同时分派多条指令在不同的执行单元中被执行，实现指令级的并行处理。

分支代价：如果在一多级流水线中碰到一分支指令，则在流水线前边几级中执行的指令就是冗余的，当循环结束或者从历程返回后，这些指令必须重新执行，重新执行的这些指令所需的时间就是分支代价。

数据依赖代价：假设在一超标量操作中，有两个指令分别在来两路中进行，并且有一条指令依赖另一条指令的运算结果，这条指令必须等待另一条指令执行完才能执行，等待的时间就是数据依赖代价。

9. CM3的内存管理与MCS-51的内存管理有何不同？MPA单元的采用有何意义？

答：CM3的存储器与MCS-51相比，Cortex-M3规定了的存储器空间的粗线条使用分区映射，这有利于软件在各种Cortex-M3芯片间的移植。另外，Cortex-M3的存储器映射中包含两个位带（Bit-Banding）区，分别为内部SRAM和内部外设区域的最低1MB，在这两个区的32MB地址偏移量处还有对应的位别名区。位带区里每一个比特都对应别名区里的一个字。读写别名区中的一个字就可以改变位带区里对应的一个比特，从而实现原子性的位操作。

MPU，即内存保护单元(Memory Protection Unit)，MPU中一个域就是一些属性值及其对应的一片内存。这些属性包括：起始地址、长度、读写权限以及缓存等。它是CM3的一个可选器件，是一种安全保护机制，保护关键的存储区域，如SFR配置寄存器和控制寄存器等。

10.请简述CM3的寄存器组的结构并说明各寄存器（组）的用途。

答：CM3处理器内部有17个通用寄存器，其中R0~R12为通用寄存器（General_Purpose Register）.

R13是堆叠的堆栈指针，即在不同的处理器工作模式下，可以访问的寄存器R13不同。

R14是连接寄存器（The Link Register），保存子程序返回地址。

R15为程序计数器（The program Counter），即PC，用于存放下一条待执行指令的地址。

在CM3处理器内部还有若干特殊寄存器。其中：

xPSR程序状态寄存器（Program Status Registers），即提供ALU的状态、程序运行状态、当前中断号。

中断屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register）：用于存放对各级中断请求的屏蔽信息。

控制寄存器（Control Register ）：控制寄存器用于定义特权级，及选择当前的堆栈指针。

11. CM3的处理器操作模式和特权级有哪些？各自有何用途？

答：（1）CM3支持两种处理器的操作模式：用户模式（handler mode）、线程模式（thread mode）：

引入两个模式的本意，是用于区别普通应用程序的代码和异常服务例程的代码的代码（包括中断服务例程的代码）（2）支持两级特权操作：特权级和用户级

引入两级特权的本意是提供一种存储器访问机制，使得普通的用户程序不能意外的、设置恶意的执行涉及要害的操作。

12.CM3的异常管理与MCS-51的中断有哪些异同点（可以STM32F10X系列单片机为例）？说明CM3的采取了哪些措施加速了异常响应速度？

答：MCS-51单片机的中断系统提供了五个中断源：外部中断0、定时/计数器0中断、外部中断1、定时/计数器1中断和串行口中断。中断允许或禁止由片内可进行位寻址的8位中断允许寄存器IE来控制。分为两个中断优先级：高级中断和低级中断。中断优先级由中断优先级寄存器IP来设置，但出于同一优先级的中断源只能按自然优先顺序排队。

CM3支持3个固定的高优先级（复位，NMI 以及硬fault），256 个可编程的优先级（抢占优先级和次优先级），其中包括128各抢占级。并且，CM3使用了一种称为NVIC的异常响应系统，即可嵌套的中断优先级管理，该系统支持11 个内部异常源，可以实现fault 管理机制；另外支持最多240 个外部中断输入（IRQs）；同时还支持一个不可屏蔽中断（NMI）输入。

采取措施：尾链中断和晚到中断两项技术来优化中断响应。

13.详细描述CM3中的中断优先级和中断抢占级。

答：中断优先级：在CM3中，优先级对于异常来说会影响一个异常是否能被响应，以及何时被响应。优先级的数值越小，则优先级越高。CM3支持中断嵌套，使得高优先级异常会抢占低优先级异常。有3个系统异常：复位，NMI 以及硬fault，它们有固定的优先级，并且它们的优先级号是负数，从而高于所有其它异常。所有其它异常的优先级则都是可编程的（但不能编程为负数）。

中断抢占级：CM3支持256 个可编程的优先级，但只有128 个抢占级。即256 个优先级按位分成高低两段，分别是抢占优先级和次优先级，以便使抢占机能变得更可控。抢占优先级决定了抢占行为，当系统正在响应某异常L 时，如果来了抢占优先级更高的异常H，则H可以抢占L。亚优先级则挂起；当抢占优先级相同的异常有不止一个挂起时，优先响应亚优先级最高的异常。

14.假设有多个MCU通过I2C总线连接，请详细描述一次I2C总线主从通讯建立、总线仲裁、寻址、数据通讯、停止的过程。从机地址为3位，欲传送的数据为2个字节（画出时序图）。

答：（1）通讯建立：在SCL 线是高电平时SDA 线从高电平向低电平切换这个情况表示起始条件S。

（2）总线仲裁：依靠线与连接所有I2C总线接口的数据。如果两个以上主机尝试发送信息到总线时，在其他主机都产生0的情况下首先产生一个1的主机将丢失仲裁。仲裁时的时钟信号SCL线的主机产生的时钟同步。

（3）寻址：地址共有7位，而第8位是数据方向位（R/ W），“0”表示发送（写），“1”表示请求数据（读）。数据传输一般由主机产生的停止位P 终止。

（4）数据通讯：当主机发送了一个地址后，系统中的每个器件都在起始条件后将7位地址与它自己的地址比较，相同则做好通讯准备；至于是接收器还是发送器都由R/ W 位决定。从机地址由一个固定和一个可编程的部分构成。

由于在一个系统中可能有若干相同器件，从机地址的可编程部分可使若干同类器件同时连接到I2C总线上。由响应和握手协议来协调数据的传输。

（5）停止条件：当SCL 是高电平时SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件P。

（6）时序图：

注意：把1-7改成1-3

15.给出一个1主2从的SPI总线通讯系统框图，并详细说明通信的建立过程及信号的时序，并说明SPI总线与I2C总线的异同。

答：（1）系统框图：

（2）通信建立过程：主片在访问某一从片时，必须使该从片的片选信号有效；主片在SCK信号的同步下，通过SI 线发出指令、地址信息；如需将数据输出，则接着写指令，由SCK同步在SI线上发出数据；如需读回数据，则接着读指令，由主片发出SCK，从片根据SCK的节拍通过SO发回数据。

（3）信号时序：如果CPOL="0"，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行

同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。

（4）SPI与I2C的比较：SPI协议没有握手机制，数据传输效率高，速率也更快，此外SPI 是全双工通信，可同时发送和接收数据，因此，SPI比较适合用于需要较大批量数据传输的场合（比如MMC/SD卡的数据传输就支持SPI 模式），或者无需寻址传输的场合。

而I2C 协议功能较丰富，但也相对复杂，多用在传输一些控制命令字等有意义数据的场合。

16.对嵌入式系统而言，工业现场存在哪些干扰源，常用的抗干扰措施有哪些？

答：嵌入式系统的干扰源一般有三个渠道: 一是空间干扰,电磁信号通过空间辐射进入系统; 二是过程通道干扰, 干扰信号通过与系统相连的前、后通道及与其它系统的连接通道进入, 它叠加在有用信号之上, 扰乱信号传输, 使有效信号产生畸变。使得数据采集误差加大, 导致控制状态失灵, 导致程序运行失常; 三是系统干扰, 电磁信号通过供电通道进入系统或系统本身产生干扰。

抗干扰措施主要从硬件和软件两方面进行：

（1）电源干扰及其抑制：用压敏电阻抑制尖峰、浪涌电压；用滤波器抑制高频干扰；设计电源电压监视电路。（2）抑制空间电磁干扰：采取屏蔽技术。静电屏蔽, 即电场屏蔽, 防止电场的耦合干扰; 电磁屏蔽, 即利用导电性良好的金属在电磁场内产生涡流效应, 防止高频电磁场的干扰; 磁屏蔽, 采用高导材料, 防止低频磁通的干扰。（3）信号传输通道抗干扰：利用光电耦合器及滤波器对输入、输出信号采用光电隔离措施；采用负载阻抗匹配的措施, 减小信号传输中的畸变；采用双绞线传输减少传输线特性阻抗影响；（4）印制电路板可靠性和抗干扰设计：设计时应合理走线、合理接地, 三总线分开走线.。（5）元器件提高可靠性的措施和方法：选择质量好\ 合适的微处理器、电源、存储器等元器件。

17.异步总线通信还需要同步吗？请给出三种以上实现同步的技术手段。

需要同步。异步传输同样需要获得同步信号，实现通信的开始与结束。

自同步法：是指接收方能从数据信号波形中提取同步信号的方法。自同步就是自己跟自己同步，即从接收到的信号自身提取时钟分量，与之对应的是外同步。

（1）曼切斯特编码和差分曼切斯特编码

曼切斯特编码是一种自同步的编码方式，即时钟同步信号就隐藏在数据波形中。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高跳变表示"0"。还有一种是差分曼切斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为"1"。

（2）IRIG编码：IRIG（inter range instrumentation group）时间编码作为一种精确对时的方式首先是由美国靶场间仪器组提出来的，IRIG编码主要有“A、B、C、D、E、G、H”，其中以IRIG-B（简称B码）最为常用。基于GPS卫星同步时钟的IRIG-B编码，码格式的时间码是国际通用是一种时间编码，具有对时精度高，包含信息量大的优点，广泛应用于各种授时系统，码要求严格与秒脉冲的上升沿同步。

（3）FM0编码：FM0（Bi-Phase Space）编码的全称为双相间隔码编码，工作原理是在一个位窗内采用电平

变化来表示逻辑。如果电平从位窗的起始处翻转，则表示逻辑“1”。如果电平除了在位窗的起始处翻转，还在位窗中间翻转则表示逻辑“0”。一个位窗的持续时间是25μs。根据FM0编码的规则可以发现无论传送的数据是0还是1，在位窗的起始处都需要发生跳变。

18.SPI总线是嵌入式系统设计中常用的一种总线方式。现有一个可编程器件，其与CPU 的通信采用三线SPI总线通信，其时序如下图所示。请用你所熟悉的一款单片机及相应的粘合逻辑实现通信，要求给出硬件电路连线图及软件框图。

第18题图

19.节能是当前嵌入式系统设计的一个重要考核指标，请结合键盘设计说明如何实现降低系统功耗。要求给出系统连线图，并说明系统的工作流程。

答：触摸式按键，工作原理都是检测手指触摸引起的电路微小变化量，进而将其转化为逻辑上的按键开关操作。重要是以电容式检测居多。电容式触摸按键，手指的触摸会改变感应电容Cx，当检测电路对Cx充放电时，Cx值的变化会引起电路信号变化，通过一定的检测电路可以测量出该变化，从而判断手指是否存在。此技术可以用更快的时间扫描大量按键，从而降低系统功耗。

20.设计一个温室大棚的温湿度监控与调整系统，要求：

1)能监测三个温室大棚

2)每个大棚均具有本地显示及输入功能，并能对所有大棚完成参数设置和查看功

能

3)每个大棚均设有独立的通风及加温设备（开关控制），并具有本地报警功能

4)各子系统之间要求采用I2C总线连接，传感器亦采用I2C总线，每个大棚不超

过6个温度或湿度传感器

5)要求画出系统连线框图，并给出所有器件的型号及参数

答：主要的器件选型及参数：

1、单片机：控制系统采用A VR系列的Atmega16的单片机，工作电压2.7~5.5V，工作温度在0~+55度，存

储温度-20~60度，具有IIC接口。

2、温度控制器：选择Dalllas的DS1621，温度控制范围-55~+125度，以0.5度为一刻度上升。电压适用范围

为2.7V~5.0V，可转化为9位数字量输入。可自行设置温度的编程范围，通过Tout的电平变化来控制报警和加热及通风控制系统。每个大棚各2个温度传感器。

3、LCD显示器：选择12864液晶显示器，它的温度范围从0度到+55度，存储温度为-20度到60度。内置汉

字模块，内置DC_DC转换电路，无需外接负电压，且为低电压供电，电压范围为+3.0V~+5.5V。

4、电源的选择：选取+3.3伏的电压

5、中继器的选择：选择PCA9517，其工作条件为VCCA>0.8V并且VCCB>2.5V，使能端（EN）用来使能或禁

止PCA9517。