哈尔滨工业大学嵌入式系统课程考试知识点整理

2011年秋季嵌入式系统课程复习提纲整理人：工大A02-6068寝FuriO.CChapter11、嵌入式系统的定义，嵌入式系统的体系结构，嵌入式系统的组成，嵌入式系统的特点。定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、重量、功耗严格要求的专用计算机系统。简而言之，就是含有处理器的专用软硬件系统，具有自主信息处理能力。体系结构：硬件层-中间层-操作系统层-应用层硬件层：嵌入式处理器、储存器系统、中断控制器、定时/计时器、DMAC、UART、USB控制器、LCD控制器中间层：板级支持包操作系统层：嵌入式操作系统（文件子系统、图形子系统、网络子系统、其他应用模块）应用层：用户应用程序组成：嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统、用户应用软件系统四部分组成。特点：嵌入专用、综合性强、设计高效、程序固化、需要独立开发系统、生命周期长、可靠性高、成本低、资源受限、功耗低。2、嵌入式处理器的结构：哈佛结构Vs冯诺依曼结构。哈佛结构：将程序指令和数据分开储存结构；存储器地址独立编址、独立访问；四总线制提高吞吐率（程序、数据分别有相对独立的数据和地址总线）；取值与执行能力并行。冯诺依曼结构：指令存储器与数据存储器一体化设计；指令地址和数据地址统一编制；高速运算时，存储传输通道有瓶颈。3、信息存储中的大端模式，小端模式。ARM处理器支持哪种模式？大端储存：低地址储存字数据的高字节。小端储存：低地址储存字数据的低字节。arm处理器支持这两种储存模式。4、嵌入式处理器的分类及性能特点。分类：嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统～微处理器：嵌入式处理器保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。～微控制器（单片机）：和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。～DSP处理器：DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。～片上系统：SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。5、常见的嵌入式操作系统。哪种应用最广泛？常见嵌入式操作系统：嵌入式Linux,WindowsCE,VxWorks目前应用最广泛的是Linux6、嵌入式系统性能评价有何特点。流行的测试基准有哪些。性能评价特点：评价没有统一规范，不同目的、不同人员、采取不同的度量项目和测试方法，对测试结果会有不同的解释。流行的测试基准：MIPS测试基准、Dhrystone测试基准，EEMBC测试向量Chapter21、嵌入式系统设计方法，嵌入式系统设计特点。嵌入式系统设计方法：基于EDA(PCB)和ICE的设计方法基于EDA(PLD)和EOS的设计方法基于IP核的系统级设计方法嵌入式系统设计特点（与通用系统设计相比）：嵌入式系统通常是面向特定应用的系统软/硬件协同并行开发需要交叉开发环境可利用的系统资源相对较少实时嵌入式操作系统的多样性程序需要固化到硬件系统中嵌入式软件开发难度较大2、嵌入式硬件设计需要考虑哪些方面，处理器选择时需要考虑哪些方面。嵌入式硬件设计：体系结构设计、硬件选择、硬件布局处理器选择：应用领域与用户需求，性能，工具链，开发难度，I/O接口，处理器储存系统选择（MMU，容量，SDRAM），市场因素（价格、是否易购买，技术支持与售后）3、什么是交叉编译，为什么需要交叉编译。交叉编译：简单的说，就是在一个平台上生成另一平台所运行的代码。由于嵌入式系统的可用资源有限，嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的宿主机完成。4、解释jtag。JTAG：JTAG(JointTestActionGroup;联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。5、嵌入式系统软件调试方法有哪几种。嵌入式系统软件调试方法：1,插桩调试法（stub,在目标操作系统和调试器内分别加入某些功能模块，二者互通信息来进行调试）;2,直接调试法;3,ROM仿真调试法(运行在目标机的Flash或ROM的一段程序负责监控目标机上被调试程序的运行情况通过和宿主机的配合，完成嵌入式系统的调试);4,模拟器法(是一组应用程序运行于一个OS之上（Linux或windows）提供对目标板功能的模拟);Chapter31、ARM处理器特点。功耗低、成本低、性能高支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集指令长度固定(32位/16位)大量使用寄存器，指令执行速度更快寻址方式灵活简单，执行效率高2、ARM处理器的各系列情况。通用系列ARM7系列极低的功耗（0.28mW/MHz），适合对功耗要求较高的应用;具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便;能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构;支持的操作系统：uC/OS-II、uCLinux等;性能最高可达130MIPS;ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式处理器，属低端ARM处理器核;ARM9系列5级整数流水线，指令执行效率更高;提供1.1MIPS/MHz的加速能力;全性能的MMU，支持WindowsCE、EmbeddedLinux等;支持数据Cache和指令Cache;性能最高可达300MIPS;ARM9E系列支持DSP指令集（MAC）;5级整数流水线，指令执行效率更高;支持VFP9浮点处理协处理器;全性能的MMU，支持WindowsCE、EmbeddedLinux等;支持数据Cache和指令Cache;性能最高可达300MIPS;ARM10E系列支持DSP指令集（MAC）;6级整数流水线，指令执行效率更高;支持VFP10浮点处理协处理器;全性能的MMU，支持WindowsCE、EmbeddedLinux;支持数据Cache和指令Cache;性能最高可达400MIPS;ARM11系列高性能8级流水;增强的ARMv6体系结构;与同等的ARM10相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50％;时钟频率达到500~750MHz;低功耗ARM11系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低;0.6mW/MHz(0.13µm,1.2V);Cortex系列ARMCortex-ASeries——高性能应用ApplicationsprocessorsforcomplexOSanduserapplications支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集带MMU，运行Linux、WindowsCE等操作系统TIOMAP35xx，ST（意法半导体）ARMCortex-RSeries——实时性应用Embeddedprocessorsforreal-timesystems支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集ARMCortex-MSeries——低成本应用EmbeddedprocessorsoptimizedforcostsensitiveapplicationsSupportstheThumb-2instructionsetonly不带MMU，不加载或者加载简单嵌入式操作系统不带MMU，运行Vxworks等实时操作系统安全系列SecurCore系列SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点;提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案;SecurCore系列微处理器在系统安全方面的特点带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全;采用软处理器内核技术（处理器布局随机化），防止外部对其进行扫描探测;可集成用户自己的安全特性和其他协处理器;3、ARM处理器的工作模式及模式转换，ARM处理器的工作状态及状态转换。ARM微处理器支持7种工作模式：User用户、System系统、IRQ外部中断、FIQ快速中断、Supervisor管理、Abort中止、Undefined未定义（详见附录）ARM处理器工作模式的转换：1、通过软件改变（系统调用）；2、通过外部中断或异常处理改变（外部中断-IRQ、FIQ，异常处理-来自CPU内部）ARM微处理器有两种工作状态：ARM状态、Thumb状态（详见附录）ARM微处理器工作状态转换：在程序执行过程中，可以随时两种工作状态间切换。4、ARM处理器的异常类型及异常响应和返回过程。异常类型：异常类型具体含义复位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未定义指令当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。可使用该异常机制进行软件仿真软件中断该异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用指令预取中止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数据中止若处理器数据访问的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常IRQ（外部中断请求）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异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务FIQ（快速中断请求）当处理器的快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常异常响应：当出现异常后，ARM处理器会执行以下操作1将CPSR复制到相应的SPSR中2对CPSR进行设置根据异常类型，强制设置CPSR的工作模式位设置中断禁止位，以禁止中断发生如果处理器处于Thumb状态，则切换到ARM状态3将下一条指令的地址存入相应链接寄存器LRLR中保存的是下一条指令的地址（当前执行指令地址＋4或＋8，与异常类型有关）4强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处异常返回：异常响应处理完毕，处理器将从异常返回：1、将SPSR复制回CPSR；2、将链寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中。另外，复位异常处理程序不需要返回。5、ARM处理器的寄存器组织的用途。ARM处理器的寄存器：37个32位寄存器(31个通用寄存器,6个状态寄存器);这些寄存器不能被同时访问,取决于处理器的工作状态、工作模式。（详见附录）6、ARM处理器的寻址方式。ARM寻址方式：1-立即寻址操作数本身就在指令中给出，只要取出指令也就取到了操作数；2-寄存器寻址利用寄存器中的数值作为操作数,这种寻址方式是各类微处理器经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式；3-寄存器间接寻址以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器;4-基址寻址将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加;5-相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量;6-多寄存器寻址一条指令可以完成多个寄存器值的传送