嵌入式系统设计

湖北工业大学

2012 年在职攻读硕士学位课程考试（考查）试题

考试（考查）科目嵌入式系统设计学位类别工程硕士

说明：1.试题版面为标准A4，各题标题字号为黑体5号字，题干字号为标准宋体5号字

2.答案必须写在答题纸上，写在试卷上无效。

一：概念题（10分，每小题2分）

1．嵌入式计算机

嵌入式计算机一般指非pc 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于pc 中bios 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。

2．嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等Browser 。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

3．SOPC

System-on-a-Programmable-Chip，即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），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，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

4．RISC

RISC的英文全称是Reduced Instruction Set Computer，中文是精简指令集计算机。特点是所有指令的格式都是一致的，所有指令的指令周期也是相同的，并且采用流水线技术。精简指令集，是计算机中央处理器的一种设计模式，也被称为RISC。这种设计思路对指令数目和寻址方式都做了精简，使其实现更容易，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。

5．ARM流水线

ARM流水线设计就是将组合逻辑系统地分割，并在各个部分（分级）之间插入寄存器，并暂存中间数据的方法。目的是提高数据吞吐率（提高处理速度）。流水线缩短了在一个时钟周期内给的那个信号必须通过的通路长度，从而可以提高时钟频率。ARM流水线技术通过多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间，提高处理器的效率和吞吐率。ARM7是冯·诺依曼结构，采用了典型的三级流水线，而ARM9则是哈佛结构，采用五级流水线技术，而ARM11则更是使用了7级流水线。通过增加流水线级数，简化了流水线的各级逻辑，进一步提高了处理器的性能。在ARM7中，执行单元完成了大量的工作，包括与操作数相关的寄存器和存储器的读写操作、ALU操作和相关器件之间的数据传输，因此占用了多个时钟周期。ARM9增加了两个功能部件，分别访问存储器并写回结果，同时，ARM9将读寄存器的操作转移到译码部件上，使得流水线各部件的功能更平衡。

二：简述题（每小题3分，共45分）

1. ARM状态和THUMB状态有什么不同？写出相互切换程序。

答：

ARM状态此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令，Thumb状态此时处理器执行16位的，半字对齐的THUMB指令。切换程序：从ARM到Thumb: LDR R0,=lable+1 BX R0 从ARM到Thumb: LDR R0,=lable BX R0

2. 简述ARM的7种模式及寄存器划分，如此划分的优点。

答：

⑴、用户模式（User,usr）

⑵、系统模式（System,sys）

⑶、快中断模式（Fast Interrupt Request，FIR）

⑷、一般中断模式（IRQ，Interrupt ReQuest）

⑸、管理模式（Supervisor，SVC）

⑹、中止（abort）

⑺、未定义（undefine）

划分优点说明：1、用户模式外，其它6种模式称为特权模式。所谓特权模式，即具有如下权利：a.MRS （把状态寄存器的内容放到通用寄存器）；b.MSR（把通用寄存器的内容放到状态寄存器中）。由于状态寄存器中的内容不能够改变，因此要先把内容复制到通用寄存器中，然后修改通用寄存器中的内容，再把通用寄存器中的内容复制给状态寄存器中即可完成“修改状态寄存器”的任务。

寄存器的划分及划分优点：ARM处理器共有37个寄存器，其中包括：31个通用寄存器，包括程序计数器(PC)在内，这些寄存器都是32位寄存器，以及6个32位状态寄存器。但目前只使用了其中12位。ARM 处理器共有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。任意时刻(也就是任意的处理器模式下)，可见的寄存器包括15个通用寄存器(R0～R14)、一个或两个状态寄存器及程序计数器(PC)。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一个物理寄存器；有一些寄存器是各模式自己拥有的独

立的物理寄存器。系统模式和用户模式共享相同的寄存器。用户、系统模式没有“保存的程序状态寄存器（SPSR）”，而其他5种模式分别有一个对应的“保存的状态寄存器（SPSR）”，即共五个SPSR，七个模式共用一个“当时程序状态寄存器（CPSR）”，即共六个状态寄存器，还有31个通用寄存器。通用寄存器包括R0～R15，可以分为三类：

1 未分组寄存器R0～R7

2 分组寄存器R8～R14

3 程序计数器PC(R15)

3. 简述R14寄存器的作用及子程序调用过程。

答：

R14也称作子程序连接寄存器（Subroutine Link Register）或连接寄存器LR。当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15（程序计数器PC）的备份。其他情况下，R14用作通用寄存器。与之类似，当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und 用来保存R15的返回值。

寄存器R14常用在如下的情况：在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，当用BL 或BLX指令调用子程序时，将PC的当前值拷贝给R14，执行完子程序后，又将R14的值拷贝回PC，即可完成子程序的调用返回。以上的描述可用指令完成：

1、执行以下任意一条指令：

MOV PC，LR

BX LR

2、在子程序入口处使用以下指令将R14存入堆栈：

STMFD SP！,{,LR}

对应的，使用以下指令可以完成子程序返回：

LDMFD SP！,{,PC}

R14也可作为通用寄存器。

4. 简述ARM7的3级流水线，并说明对程序设计的影响。

ARM指令是三级流水线，取指，译指，执行时同时执行的。ARM7处理器采用3级流水线来增加处理器指令流的速度，能提供0.9MIPS/MHz的指令处理速度。MIPS（Million Instruction Per Second）表示每秒多少百万条指令。比如0.9MIPS，表示每秒九十万条指令。MIPS/MHz表示CPU在每MHz 的运行速度下可以执行多少个MIPS，如0.9MIPS/MHz则表示如果CPU运行在1MHz的频率下，每秒可执行90万条指令。如果CPU在20MHz的频率下，每秒可运行1800万条指令。MIPS/MHz可以很好的反映CPU的速度。

3级流水线如上图所示（PC为程序计数器），流水线使用3个阶段，因此指令分3个阶段执行。

⑴取指从存储器装载一条指令

⑵译码识别将要被执行的指令

⑶执行处理指令并将结果写会寄存器

对程序设计的影响：主要表现在循环程序的设计上可以起到优化程序的作用

5. 每种模式下均有SP寄存器，解决什么问题？

答：

ARM处理器在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。寄存器R13通常用作堆栈指针，称作SP。每种异常模式都有自己的分组R13。通常R13应当被初始化成指向异常模式分配的堆栈。在入口处，异常处理程序将用到的其他寄存器的值保存到堆栈中；返回时，重新将这些值加载到寄存器。这种异常处理方法保证了异常出现后不会导致执行程序的状态不可靠。

6. 存储器映射作用。

答：

存储器映射作用是指把芯片中或芯片外的FLASH，RAM，外设，BOOTBLOCK等进行统一编址。即用地址来表示对象。这个地址绝大多数是由厂家规定好的，用户只能用而不能改。用户只能在挂外部RAM 或FLASH的情况下可进行自定义。

7. VIC控制器的作用。

答：

VIC是处于芯片外设和ARM内核之间的一个模块，对芯片所有外设中断进行管理，决定哪些中断源可以产生中断、产生哪种类型的中断以及中断后执行哪段服务程序。VIC控制器的作用：ARM处理器内核本身只有FIQ和IRQ这2条中断输入信号线，只能接受2个中断源，而向量中断控制器就使LPC2000系列ARM具有正确快速处理多个外部中断事件的能力的模块。快速中断请求具有最高优先级。向量IRQ 具有可编程的中断优先级

8. cpsr和spsr寄存器作用，在异常处理时其中的内容是如何变化的？

答：

CPSR:程序状态寄存器(current program status register) ，cpsr在用户级编程时用于存储条件码。CPSR 包含条件码标志，中断禁止位，当前处理器模式以及其他状态和控制信息。

SPSR:程序状态保存寄存器。SPSR用于保存CPSR的状态，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。CPSR(当前程序状态寄存器)在任何处理器模式下被访问。它包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。每一种处理器模式下都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（备份程序状态寄存器）。当特定的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断退出时，可以用SPSR来恢复CPSR。由于用户模式和系统模式不是异常中断模式，所以他没有SPSR。当用户在用户模式或系统模式访问SPSR，将产生不可预知的后果。

9. 异常处理过程。

答：

异常处理作为实现嵌入式软件容错的一种机制,对嵌入式系统的可靠性具有十分重要的作用。当异常中断发生时，系统执行完当前指令后，将跳转到相应的异常中断处理程序处执行。当异常中断处理程序执行完成后，程序返回到发生中断指令的下条指令处执行。在进入异常中断处理程序时，要保存被中断程序的执行现场，从异常中断处理程序退出时，要恢复被中断程序的执行现场。

10. 什么是存储器映射IO？

答：

将存储器的地址分出一部分做I/O，每个控制寄存器被分配唯一的一个内存地址。

11. WATCHDOG的作用及实现机理。

答：

看门狗，又叫watchdog timer，从本质上来说就是一个定时器电路，一般有一个输入和一个输出，其中的输入叫做喂狗，输出一般连接到另外一个部分的复位端，另外一个部分就是所要处理的部分，暂且称之为MCU。

在MCU正常工作的时候，每隔一段时间输出一个信号到喂狗端，给看门狗电路清零，如果在超过规定的时间不喂狗，WDT定时超时，就会回给一个复位信号到达MCU，使MCU复位，防止MCU 死机。总的来说，看门狗电路的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。

WDT的基本工作原理如下：在整个系统运行以后就启动了看门狗的计数器，此时看门狗就开始自动计时，如果到达了一定的时间还不去给它清零，看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统的复位。

硬件看门狗就是利用了一个定时电路，来监控主程序的运行。在主程序的运行中，我们要在定时时间到达之前对定时器进行复位。

看门狗的作用就是防止程序无限制的运行，造成死循环。它可以用在接收和发送数据时对接受和发送超时的处理，起到保护数据，保护电路的作用。

12. 异常向量表的作用，如何判断LPC22系列芯片是否被编程？

答：

异常向量表就是cpu硬性规定处理某重异常的固定一组地址，异常向量表的作用就相当于一个中断处理函数的入口，通过它跳转到异常处理的函数以解决问题。可以读取里面Flash的程序代码看看有没有烧写进去来判断LPC22系列芯片是否被编程

13. 交叉编译。

答：

交叉编译就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。

14. 嵌入式系统

答：

嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。

15. 简述冯?诺依曼结构与哈佛结构.

答：

冯诺依曼结构的计算机由CPU和存储器构成，其程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。处理器执行指令时，先从储存器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。

哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。系统中具有程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器）从而提高执行速度，提高数据的吞吐率。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠，具有较高的执行效率

三：分析程序，加注释，说明其功能，程序执行到NEXT时，R0和R2中的值是多少？(题分10分) MOV R0，#2 把2写入寄存器R0中

MOV R2，#0 把0写入寄存器R2中

L1 CMP R2，#5 比较R2是否小于5

BHS NEXT R2>=5,退出循环

MOV R0，R0，LSL #1 寄存器移位寻址，将R0的值右移一位后传递给R0

ADD R2，R2，#1 循环体，R2++

B L1

NEXT NOP

四：采用ARM汇编写一程序，完成64位加法。（5分）

答：

假定低32位数存放在r0和r1里面，高32位数存放在r2和r3里面。

加法：

ADDS r0, r0, r1 //加S是因为要让这个操作影响标志位

ADC r2, r2, r3 //ADC是带进位的加法，如果上一条指令产生进位则一起加进来

五：用ARM汇编语言编写一函数sum(n)=1+2+3+…+n；在C中编写一程序，调用汇编中的函数sum(n)，完成1到100累加和。（题分10分）

答：

汇编文件中增加的代码：

.globl sum

sum_loop:

cmp r0,#0

add r1,r1,r0

sub r0, r0, #1

bne sum_loop

bl shuchu

c文件程序：

void sum(int count); //函数声明

static int ans;

int shuchu(int a, int b) //a,b 分别对应寄存器r0和r1

{ ans=b;

return 0;

}

int main(int start)

{

__asm("mov r1,#0"); //先清0寄存器r1

sum(100); //参数通过r0传递

return 0;

}

六：嵌入式发展到今天，对应于各种微处理器的硬件平台都是通用的、固定的；各种相应的软件比较成熟，模块化程度比较高；因此，当今的开发过程更多的注重开发流程，合理、科学的开发流程往往可以达到事半功倍的效果。假设你现在某从事嵌入式产品开发的公司工作，被要求开发一款行车记录仪，请你结合嵌入式系统的设计流程叙述一下将采取的设计开发流程。（整个流程需包括从产品定义到产品测试和发布）(20分)

答

本次设计选择具有高性能、低成本、低功耗的，为嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核的STM32F107VCT6作为行车记录仪系统的中央处理单元，其内置256K 的闪存，时钟频率达到72MHz 。并应用具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2KB 的UCOSII 嵌入式操作系统。使用具有30万像素的OV7670图像传感器采集信息，运用USB 传输到STM32中，将图像信息显示在TFT 上并存储在外部SD 卡中。该系统主要由OV7670摄像头模块，TFT 显示模块，SD 卡存储模块及USB 传输模块组成。

USB

传

输

各部分功能实现

1.信息采集模块

OV7670，图像传感器，体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB 总线控制，可以输入整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmmiVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尼、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。

OV7670的特点有：高灵敏度、低电压适合嵌入式应用，标准的SCCB接口，兼容IIC接口，支持RawRGB、RGB(GBR4:2:2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4:2:2)和YCbCr（4:2：2）输出格式，支持VGA、CIF，和从CIF到40*30的各种尺寸输出，支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等自动控制功能。同时支持色饱和度、色相、伽马、锐度等设置。，支持闪光灯，支持图像缩放。

2.信息传输模块

USB,是英文UniversalSerialBUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。SB发展到现在已经有USB1.0/1.1/2.0/3.0等多个版本。目前用的最多的就是USB1.1和USB2.0，USB3.0目前已经开始普及。

3.显示模块

TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。其英文全称为：ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay。TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象

素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器

4.信息存储模块

SD卡（SecureDigitalMemoryCard）中文翻译为安全数码卡，它是在MMC的基础上发展而来，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理(PDA)和多媒体播放器等。

SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。按容量分类，可以将SD卡分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡。

SD卡和SDHC卡协议基本兼容，但是SDXC卡，同这两者区别就比较大了，本章我们讨论的主要是SD/SDHC卡（简称SD卡）。