嵌入式系统原理与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

2.4.1 ARM存储系统

2.4.2 Cache: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devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。

?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(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式处理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。

（2）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, 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(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

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

（4）嵌入式片上系统(System On Chip)

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。

嵌入式系统开发流程图

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/JTAG Debugger）。

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0x30000 0x30001 0x30002 0x30003 小端模式

0x30000

0x30001

0x30002

0x30003 大端模式

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/write buffer

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支持的物理页有几种类型，其容量为何值？答：ARM支持的存储块：

（1）段（section）：由1MB 的存储器块构成

（2）大页（large page）：由64KB 的存储器块构成（3）小页（small page）：由4KB 的存储器块构成（4）微页（tiny page）：由1KB 的存储器块构成14、简述基于段的地址变换过程。

15、简述使用粗页表和4k页的二级虚实地址转换过程。

补充题:

1.理解片内Flash的3种编程方法。

答：通过内置JTAG接口编程、通过在系统编程（ISP）、通过在应用编程（IAP）

2.理解LPC2000系列存储器存储空间分布。

见课件。

3．S3C44BOX的存储空间的分布，由哪几部分组成？

答：S3C44B0X的存储空间分成8组，每组容量为32MB，bank0---bank5起始地址固定，容量固定为32MB，bank6起始地址也固定，其容量和bank7的容量可编程改变，可以是2、4、8、16、32MB，并且bank7的起始地址与bank6的结束地址相连接。

第3章作业题答案

1、ARM的寻址方式有哪些？各写一条说明。

答：1）立即寻址（1）ADD R0，R0，＃1 /*R0←R0＋1*/

（2）ADD R0，R0，＃0x3f /*R0←R0＋0x3f*/；

2）寄存器寻址（ADD R0，R1，R2 /*R0←R1＋R2*/）；

3）寄存器间接寻址（1）LDR R0，[R1] /*R0←[R1]*/；

（2）STR R0，[R1] /*[R1]←R0*/；

4）基址加偏址寻址（1）、LDR R0，[R1，＃4]；R0←[R1＋4]；

（2）、LDR R0，[R1，＃4]！；R0←[R1＋4]、R1←R1＋4；

（3）、LDR R0，[R1] ，＃4；R0←[R1]、R1←R1＋4 5）堆栈寻址（1）、STMFD SP! {R1-R7,LR}；

（2）、LDMFD SP! {R1-R7,LR}；

6）块拷贝寻址（1）、LDMIA R0!, {R2-R9}；

（2）、STMIA R1,{R2,R9}；

2. 存储器生长堆栈可分为哪几种？

4种，满递增堆栈，满递减堆栈，空递增堆栈，空递减堆栈。

第5章作业题答案

1. S3C44B0X具有多少通用I/O口？它们具有哪些功能？(第2版P143)

2.简述矩阵式键盘线扫描检测法的工作原理。(第2版P145)

3.（1）假设要将S3C44B0X的UART1设置为：波特率9600b/s，8位数据位，1个停止位，无校验位，并采用非自动流控制方式工作，禁止超时中断、回送模式、发中止信号,允许产生错误状态中断，传送、接收模式都为中断请求模式，发送、接收中断为边沿方式，该如何初始

化？给出完成该设置功能的代码段。（2）利用串口1实现两个开发平台间的双机通信，试给出发送子程序和接收子程序。

答：（1）

rFCON0=0X00; 不使用FIFO

rUMCON0=0X10; 自动流控制

rULCON0=0X3；

rUCON0=0X45 ; //禁止超时中断、回送模式、发中止信号,允许产生错误状态中断，//发送、接收中断都为边沿方式，传送、接收模式都为中断请求模式

rUBRDIVO =（（int）MCLK/16/baud＋0.5）-1）;//根据波特率计算UBRDIVO的值

（2）发送子程序：

void Uart_SendByte(char ch)

{

while(！(rUTRSTAT1 &0x2))；

Delay(10)；

WrUTXHO(ch)；

}

接收子程序：

char Uart_GetByte(void)

{

while(! (rUTRSTATO & 0x1)); //等待，接收缓冲区接收数据

return RdUTXH0()；//返回接收的数据

}

4.现有两种简单的外设，一组3位开关，一组1位LED指示灯，要求：（1）利用PF端口的低3位连接开关，PG端口驱动LED的段码，PF4驱动位控段，试画出接口电路。

（2）编制驱动程序，使开关的组合值在LED上显示出来。

答：（1）

(2) 驱动程序：

Unsigned char led_dis[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8};

Unsigned char val,key;

rPCONG=0x5555;

rPCONF=0x0100;

key = rPDATF & 0x07; rPDATG = led_dis[key] ; rPDATF = rPDATF |0x10;