嵌入式系统课后复习答案

第一章1、式系统一般定义为以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括硬件和软件两部分。其中硬件包括嵌入式处理器/控制器/数字信号处理器（DSP）、存储器及外设器件、输入输出（I/O）端口、图形控制器等；软件部分包括嵌入式操作系统和应用程序嵌入式系统主要特征有：系统内核小；专用性强；运行环境差异大；可靠性要求高；系统精简和高实时性操作系统；部分代码固化在非易失性存储器中；系统开发需要专门的开发工具和环境嵌入式系统分类：按嵌入式微处理器的位数分类：嵌入式系统可分为4位、8位、16位、32位和64位等按软件实时性需求分类：可分为非实时系统（如PDA）、软实时系统（如消费类产品）和硬实时系统（如工业实时控制系统）。按嵌入式系统的复杂程度分类：嵌入式系统可分为小型嵌入式系统、中型嵌入式系统和复杂嵌入式系统。2、嵌入式系统自底向上包含四个部分：硬件平台、硬件抽象层（HAL）、嵌入式实时操作系统（RTOS）、和实时应用程序。3、实时多任务操作系统（RealTimemulti-taskingOperationSystem，RTOS）简称实时操作系统，主要用来完成嵌入式实时应用的任务调度和控制等核心功能。第二章1、嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储器、I/O接口电路、通信模块以及其他外部设备组成的。硬件系统的核心是嵌入式处理器。嵌入式系统中的处理器通常分为三大类，即微处理器（Micro-ProcessorUnit，MPU）、微控制器（Micro-ControllerUnit，MCU）和数字信号处理器（DSP）。存储器是构成嵌入式系统硬件的重要组成部分。存储器的物理实质是一组或多组具备数据输入/输出和数据存储功能的集成电路，用于存放计算机工作所需的数据和程序。常用的存储器类型分为3类：随机存取的RAM、只读的ROM、以及介于二者之间的混合存储器。嵌入式处理器与通用处理器的最大区别在于嵌入式处理器集成了大量的不同功能的I/O模块。用户在开发嵌入式系统时，可以根据系统需求选择合适的嵌入式处理器，而无需再另外配备I/O电路。此外，嵌入式系统通常还包括人机交互界面，用于系统与用户的交互。2、什么是嵌入式外围设备？简要说明嵌入式外围设备是如何分类的。（P22~23）答：除了处理器和存储器，嵌入式系统硬件中还包括一些相关的硬件设备，称为外围设备。外设分为：内部外设和外部外设。外围设备的功能可分为：通信接口、输入输出设备、设备扩展接口、电源及辅助设备3、嵌入式操作系统的发展经历了哪几个阶段？（P28）答：嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展，大致经历了四个阶段：无操作系统的嵌入算法阶段、以嵌人式CPU为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统阶段、通用的嵌入式实时操作系统阶段、以基于Internet为标志的嵌入式系统4、嵌入式操作系统的主要任务有哪些？（P28）答：嵌入式操作系统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。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。5、嵌入式系统的基本设计过程包括哪几个阶段？每一个阶段的主要工作有哪些？（P33）答：以自顶向下的角度来看，系统设计包括五个阶段，系统需求分析开始；规格说明，系统结构设计、系统集成。需求分析阶段可细分为四个阶段：1、需求与规格说明2、确认需求3、简单的需求表格4、需求的内部一致性。6、实时系统定义：一个能够在指定的或确定的时间内，实现系统功能和对外部或内部、同步或异步事件做出响应的系统。常见的嵌入式实时操作系统分为：商用系统、专用系统、开放系统。7、操作系统的功能：处理机管理（进程管理）；存储管理（内存）；设备管理（含外设）；文件管理；用户接口8、比较用于嵌入式系统的无线通信方法?红外：红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；蓝牙：是一种低带宽、低功耗、近距离的传输协议。其传输距离10米左右，加强信号后最高可达100米，可以绕弯，可以不对准，可以不在同一间房间，链接最大数目可达7个，同时区分硬件。较红外传输数度快，可加密。Wifi：Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，是当今使用最广的一种无线网络传输技术。Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到54mbps，符合个人和社会信息化的需求。Wi-Fi最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，并且由于发射信号功率低于100mw，低于手机发射功率，所以Wi-Fi上网相对也是最安全健康的GSM是全球移动通信系统的简称，是当前应用最为广泛的移动电话标准，GSM系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低、机卡分离。GPRS：通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS是以封包式来传输，GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。在连接建立时间方面，GSM需要10-30秒，而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求；而对于费用而言，GSM是按连接时间计费的，而GPRS只需要按数据流量计费；GPRS对于网络资源的利用率而相对远远高于GSM。第3章1、试比较RISC和CISC体系结构的异同，为什么ARM内核要采用RISC体系结构？（P47）指标ＲＩＳＣＣＩＳＣ指令集一个周期执行一条指令，通过简单指令的组合实现复杂操作；指令长度固定指令长度不固定，执行需要多个周期流水线流水线每周期前进一步指令的执行需微代码的一个微程序寄存器更多通用寄存器用于特定目的的专用寄存器Load/store结构独立的Load/store指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传输处理器能够直接处理存储器中的数据ARM体系结构总的设计思路是在不牺牲性能的同时尽可能简化处理器。同时从体系结构的层面上支持灵活的处理器扩展。这种简化和开放的思路使ARM处理器采用了很简单的结构——精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer，RISC）体系结构来进行实现。2、简述ARM的设计思想及其与单纯的RISC定义的不同。（P48~49）答：ARM内核并不是一个纯粹的RISC体系结构，这是为了使它能够更好地适应其主要应用领域——嵌入式系统。为了使ARM指令集能够更好地满足嵌入式应用的需要，ARM指令集和单纯的RISC定义有以下几个方面的不同：一些特定的指令周期数可变内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令Thumb16位指令集条件执行3、ARM体系结构版本的命名规则有哪些？简单说明ARM7TDMI的含义。（P50）答：ARM产品通常以ARM[x][y][z][T][D][M][I][E][J][F][-S]形式出现。ARM体系结构的命令规则中这些后缀的具体含义x系统，如ARM7、ARM9y存储管理/保护单元zCacheTThumb16位译码器（T变种）DJTAG调试器M长乘法指令（M变种）I嵌入式跟踪宏单元E增强DSP指令（E变种）Jjava加速器（J变种）F向量浮点单元S可综合版本。ARM7TDMI的含义即ARM7内核，增加了Thumb指令集（T变种）、JTAG调试器、长乘法指令（M变种）和嵌入式跟踪宏单元的功能。4、比较ARM9与ARM7处理器的性能特点，试说明它们有何异同。（P55~56）ARM7内核是三级流水线（取指令、译码、执行）和采用冯·诺伊曼结构，数据指令使用同一条总线；而ARM9内核是5级流水线（预取、译码、执行、存储器、写回）。RM7相比，ARM9处理器在流水线级数和指令结构上进行了改进，使得其有大约30%的提升。5、ARM微处理器有ARM和Thumb2种工作状态，并可在两种状态之间进行切换。ARM处理器有37个寄存器（31个通用，6个状态寄存器）。ARM处理器支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令为32位长度和Thumb指令为16位长度第4章ARM微处理器的编程模型与指令系统1、ARM微处理器有哪几种运行模式？其中哪些是特权模式，哪些又是异常模式？（P64）答：ARM微处理器支持7种运行模式，分别为：用户模式；快速中断模式；外部中断模式；管理模式；数据访问终止模式；系统模式；未定义指令中止模式。除用户模式以外，其余的所有6种模式称之为非用户模式，或特权模式（PrivilegedModes）；而除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式（ExceptionModes），常用于处理中断或异常。2、ARM体系结构的存储器格式有哪几种？（P64~65）答：ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式（big-endian）和小端格式（little-endian）。大端格式：字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中；小端格式：低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。3、ARM状态下和Thumb状态下寄存器的组织有何不同？（P69~70）答：Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R7～R0）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）和CPSR。同时，在每一种特权模式下都有一组SP、LR和SPSR。在Thumb状态下，高位寄存器R8～R15并不是标准寄存器集的一部分，但可使用汇编语言程序受限制的访问这些寄存器，将其用作快速的暂存器。4、简述CPSR各状态位的作用，并说明如何对其进行操作，以改变各状态位。（P67~68）答：CPSR可在任何运行模式下被访问，它包含条件码标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。条件码标志位：N当用两个补码表示的带符号数进行运算时，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；ZZ=1表示运算的结果为零；Z=0表示运算的结果为非零；C①加法（包括比较指令CMN）运算结果产生进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。②减法（包括比较指令CMP）运算产生借位（无符号数溢出），C=0，否则C=1。③对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位。V①对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出。CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，当发生异常时这些位可以被改变。状态寄存器（PSR）中的其余位为保留位，当改变PSR中的条件码标志位或者控制位时，保留位不要被改变，在程序中也不要使用保留位来存储数据。5、ARM体系结构所支持的异常类型有哪些？具体描述各类异常，在应用程序中应该如何处理？（P70~71）答：ARM体系结构所支持的异常类型有复位、未定义指令、软件中断、指令预取中止、数据中止、外部中断请求、快速中断请求。具体地：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；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。软件中断异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令。若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常；若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常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