嵌入式(刘洪涛孙天泽)人民邮电_课后习题答案and复习重点

第一章1-1.简述嵌入式系统的定义。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。1-2.简述嵌入式系统的组成。从体系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。其中嵌入式处理器通常是单片机或微控制器，支撑硬件主要包括存储介质、通信部件和显示部件等，嵌入式软件则包括支撑硬件的驱动程序、操作系统、支撑软件及应用中间件等。嵌入式系统的组成部分是嵌入式系统硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入式系统应用。嵌入式系统硬件平台为各种嵌入式器件、设备（如ARM、PowerPC、Xscale、MIPS等）；嵌入式操作系统是指在嵌入式Linux、uCLinux、WinCE等。1-3.ARM7处理器使用的是（ARMv4）指令集。ARM7内核采用冯·诺依曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核有一条3级流水线，执行ARMv4指令集。1.4.Cortex-M3主要应用在哪些方向？主要用在平衡ARM的产品的性能和功耗，提高ARM的性能,降低其功耗1.5.简述StrongARM处理器和ARM处理器的关系StrongARM是第一个包含5级流水线的高性能ARM处理器，但它不支持Thumb指令集1-6.ARM9采用的是（5）级流水线设计。存储器系统根据哈佛体系结构（程序和数据空间独立的体系结构）重新设计，区分数据总线和指令总线。1.7.简述ARM9和ARM9E的不同点ARM9微处理器系列ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：－5级整数流水线,指令执行效率更高。－提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。－支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。－支持32位的高速AMBA总线接口。－全性能的MMU,支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。－MPU支持实时操作系统。－支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力。ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型,以适用于不同的应用场合。ARM9E微处理器系列ARM9E系列微处理器为可综合处理器,使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案,极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力,很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。ARM9E系列微处理器的主要特点如下：－支持DSP指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。－5级整数流水线,指令执行效率更高。－支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。－支持32位的高速AMBA总线接口。－支持VFP9浮点处理协处理器。－全性能的MMU,支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。－MPU支持实时操作系统。－支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力。－主频最高可达300MIPS。ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型,以适用于不同的应用场合。1.8.ARM11采用的是什么架构的指令ARMv6嵌入式操作系统的特点嵌入式操作系统完成系统初始化及嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能，其内核精简，具有课配置特性，并与高层应用紧密关联。嵌入式操作系统具有相对不变性。主要特点如下（1）体积小有别于一般的计算机处理系统，不具备想硬盘那样大容量的存储介质，大多使用闪存作为存储介质。这就要求只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系统必须结构紧凑，体积微小。（2）实时性大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统，因此要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统。实时操作系统作为操作系统的一个重要分支已成为一个热点研究领域，主要包括探讨实时多任务调度算法和可调度性、死锁接触等问题（3）特殊的开发调试环境完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整的嵌入式系统的集成开发环境，一般需要提供的工具是编译/链接器、内核调试/跟踪器和集成图形界面开发平台。其中集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等SecureCore处理器系列的特点SecureCore提供了基于高性能的32为RESC技术的安全解决方案。除了具有体积小、功耗低、代码密度高等特点外，还具有自己的特别优势，即提供安全解决方案支持。主要特点有（1）支持ARM指令集和Thumb指令集，以提高代码密度和系统性能（2）采用软内核技术一提供最大限度的灵活性，可以防止外部对其进行扫描探测（3）提供了安全特性，可以抵制攻击（4）提供面向智能卡和低成本的存储保护单元MPU（5）可以集成用户自己的安全特性和其它的协处理器SecureCore包含SC100、SC110、SC200和SC210四种类型SecureCore系列处理器主要应用于一些安全产品及应用系统，包括电子商务、电子银行业务、网络、移动媒体和认证系统等第二章2-1.简述ARM可以工作在几种模式。ARM处理器共有7种工作模式：用户模式（User）、快速终端模式（FIQ）、外部中断模式（IRQ）、特权模式（svc）、数据访问中止模式（Abort）、未定义指令中止模式（Undef）、系统模式（System）。除用户模式外其他6种模式称为特权模式。在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式切换。再除去系统模式，其余5种模式又称为异常模式。2-2.ARM核有多少个寄存器？ARM处理器有如下37个32位长的寄存器：（1）30个通用寄存器；（2）6个状态寄存器：1个CPSR（CurrentProgramStatusRegister，当前程序状态寄存器），5个SPSR（SavedProgramStatusRegister，备份程序状态寄存器）；（3）1个PC（ProgramCounter，程序计数器）。2-3.什么寄存器用于存储PC和LR寄存器？寄存器R15称为程序计数器（ProgramCounter，PC），寄存器R14又被称为连接寄存器（LinkRegister，LR）。2-4.R13通常用来存储什么？R13（theStackPoint，SP，栈指向），用于存储堆栈指针。2-5.哪种模式使用的寄存器最少用户模式和系统模式2-6.CPSR的（第5位T位）反映了处理器的状态。P152-7.ARM有哪几个异常类型？P20ARM体系结构中，存在7种异常处理。复位异常、未定义指令异常、软中断、预取指令异常、数据访问中止异常、外部中断请求、快速中断请求。2-8.复位后,ARM处理器处于何种模式、何种状态？管理模式（svc），软中断和系统复位后进入管理模式，ARM状态（异常中断(Exception)处理。在进入异常中断后，内核自动切换到ARM状态。即在异常中断处理程序入口的一些指令是ARM指令，然后根据需要程序可以切换到Thumb状态，在异常中断处理程序返回前，程序再切换到ARM状态。ARM处理器总是从ARM状态开始执行。因而，如果要在调试器中运行Thumb程序，必须为该Thumb程序添加一个ARM程序头，然后再切换到Thumb状态，调用该Thumb程序。）2-9.BIC指令有什么作用？BIC（BitClear）位清零指令，将寄存器Rn的值与第2个源操作数shifter_operand的值的反码按位做“逻辑与”操作，结果保存到Rd中。指令的语法格式BIC{cond}{S}Rd,Rn,shifter_operand2-10.当指令SWI指令时，会发生什么？软件中断指令（SoftwareInterrupt，SWI）用于产生软中断，从而实现从用户模式变换到管理模式，CPSR保存到管理模式的SPSR中，执行转移到SWI向量，在其他模式下也可以使用SWI指令，处理器同样切换到管理模式。流水线的概念和原理处理器按照一系列步骤来执行每一条指令，典型步骤如下（1）从存储器读取指令（fetch）（2）译码鉴别他是属于哪一条指令（decode）；（3）从指令中提取指令的操作数（这些操作数往往存在于寄存器中）（reg）（4）将操作数进行组合以得到结果或存储器地址（ALU）（5）如果需要，则访问存储器一存储数据（mem）（6）将结果写回到寄存器堆（res）并不是所有的指令都需要上述每一个步骤，但是，多数指令需要其中的多个步骤。这些步骤往往使用不同的硬件功能，如ALU可能只在第4步中用到。因此，如果一条指令不是在前一条指令结束之前开始，那么在每一步骤内处理器只有少部分硬件在使用。有一种方法可以明显改善硬件资源的使用率和处理器的吞吐量，这就是当前一条指令结束之前就开始下一条指令，即通常所说的流水线技术。流水线是RISC处理器执行指令时采用的机制。使用流水线，可在取下一条指令的同时译码和执行其他指令，从而加快执行的速度。可以把流水线看作是汽车生产线，每个阶段只完成专门的处理器任务。采用上述操作顺序，处理器可以这样来着组织：当一条指令刚刚执行完步骤（1）并转向步骤（2）时，下一条指令就开始执行步骤（1）。从原理上说，这样的流水线应该比没有重叠的指令执行快6倍，但由于硬件结构本身的一些限制，实际情况会比理想情况差一些。流水线的分类3级流水线ARM组织取指令译码执行5级流水线ARM组织取指令译码执行缓冲/数据回写5级流水线ARM组织取指令发射译码执行存储回写影响流水线性能的因素：1互锁：一条指令的结果被用作下一条指令的操作数2跳转指令存储管理单元（MMU）在创建多任务嵌入式系统时，最好有一个简单的方式来编写、装在及运行各自独立的任务。目前大多数的嵌入式系统不再使用自己定制的控制系统，而使用操作系统来简化这个过程。较高级的操作系统采用基于硬件的存储管理单元（MMU）来实现管理操作。MMU提欧诺个的一个关键服务是使各个任务作为各自独立的程序在其自己的私有存储空间中运行。在带MMU的操作系统下，运行的任务无需知道其他与之无关的任务的存储需求情况，这就简化了各个任务的设计。MMU提供了一些资源以允许使用虚拟存储器（将系统物理存储器重新编址，可将其看成一个独立于系统物理存储器的存储空间）。MMU作为转换器，将程序和数据的虚拟地址（编译时的连接地址）转换成实际的五物理地址，即在物理主存中的地址。这个转换过程允许运行的多个程序使用相同的虚拟地址，而各自存储在物理存储器的不同位置。这样存储器就有两种类型的地址：虚拟地址和物理地址。虚拟地址由编译器和链接器在定位程序时分配；物理地址用来访问实际的主存硬件模块（物理上程序存在的区域）高速缓冲存储器（Cache）Cache是一个容量小但存取速度非常快的存储器，它保存最近用到的存储器数据副本。对于程序员来说，Cache是透明的。它自动决定保存哪些数据、覆盖哪些数据。现在Cache通常与处理器在同一芯片上实现。Cache能够发挥作用是因为程序具有局部性特性。所谓局部性就是只在任何特定的时间，处理器趋于对相同区域的数据（如堆栈）多次执行相同的指令（如循环）。Cache经常与写缓存器（writebuffer）一起使用。写缓存器是一个非常小的先进先出（FIFO）存储器，谓语处理器核与主存之间。使用写缓存的目的是，将处理器核和Cache从较慢的主存写操作中解脱出来。当CPU想主存储器做写入操作时，它先将数据写入到写缓存区中，由于写缓存器的速度很高，这种写入操作的速度也将很高。写缓存区在CPU空闲时，以较低的速度将数据写入到主存储器中相应的位置。通过引入Cache和写缓存区，存储系统的性能得到了很大的提高，同时也带来了一些问题。例如，由于数据将存在系统中不同的物理位置，