嵌入式系统原理及开发应用部分课后习题答案

复习整理所用(私人整理,仅供参考)天高任鸟飞,海阔凭鱼跃!嵌入式系统原理及应用开发技术（第二版）第一章嵌入式系统概论1、什么是嵌入式系统？答：嵌入式系统是“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的专用系统，所用的计算机为嵌入式计算机”；这类系统一般包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序四个部分；用于实现对其他设备的控制、监视、管理等功能。2、请举例说明“实时”与“实时系统”这两个概念。答：对“实时”概念的理解：是否满足时间约束：实时不等于快！它是一个相对的概念，确切定义应该是“及时”对“实时系统”概念的理解：它是对外来事件在限定时间内能做出反应的系统包括实时控制系统和实时信息处理系统实时系统的三个指标：响应时间、吞吐量、生存时间它更强调实时性和可靠性速度只是它的一个重要参数：从系统需求角度，折中考虑实时应用范围很广，主要有两类：嵌入式应用和在线应用3、举例说明嵌入式系统有哪些特点。技术密集多门学科技术交叉、融合；面向特定应用的软硬件综合体，软硬件结合、缺一不可；�嵌入式硬件系统的设计，除了基本的微处理器、存储器以外，越来越需要FPGA、CPLD技术，以及专用芯片设计技术；不同对象领域的嵌入式软件难以通用；嵌入式软硬件资源日益丰富，嵌入式系统的功能日趋复杂。专用紧凑用途固定、软硬件够用即可，需要满足应用约束，如体积、功耗、配置、处理能力、电磁兼容性等；设计高效、量体裁衣、去除冗余。安全可靠系统不出错地连续运行，或出现系统错误可以自我修复；网络时代，嵌入式设备连网、接入Internet时的安全问题。多样性应用广泛（无处不在）、品种繁多；由嵌入式系统4个组成部分的多样性决定。及时响应嵌入式系统是某种技术过程的核心处理环节，必须满足该技术过程的约束，例如时间、可靠、可用等；软件代码的长度、执行速度需要满足实时性要求；嵌入式处理的多任务分布和并发的特点，要求系统软件具有高实时性。复习整理所用(私人整理,仅供参考)天高任鸟飞,海阔凭鱼跃!成本敏感产品量大；成本已成为嵌入式产品竞争的关键因素之一。开发困难交叉开发（见右图）；芯片厂商的配套工具简陋、效率低下，而专业工具价格昂贵；高质量的嵌入式软件开发是相当困难的。不可垄断通用计算机行业的“Wintel”垄断局面；嵌入式应用的行业分散，充满了竞争、机遇与创新；微处理器、操作系统在体系结构上存在主流，但没有形成垄断；应用领域不断向前发展，嵌入式系统4个组成部分也在同步发展。确定性保证系统的实时性和可预测性；系统静态配置：任务的数目、执行时序、所占资源、阻塞、通信延迟等都是确定的。4、简述嵌入式系统的发展历程。1946年2月14日，世界第一台计算机诞生，人类信息时代到来20世纪60年代初，嵌入式系统开始萌芽标志：以晶体管、磁芯存储为基础的计算机被应用于航空、航天、工业控制等领域。典型应用：美国海军舰载轰炸机用多功能数字分析仪、导弹发射控制、美国某乙烯厂DDC工业装置、ApolloGuidance、控制电话的电子式机械交换机等。特点：价格昂贵、系统结构简单、功能单一、处理效率低、存储容量小、用户接口很少。20世纪70年代初至80年代中期，嵌入式系统进入简单系统阶段标志：相继出现Intel4004、4084、8051，Motorola公司68HC05，Zilog公司的Z80等嵌入式微处理器，系统中无或具有简单操作系统。典型应用：被广泛应用于家用电器、医疗仪器、仪器仪表、交通运输等领域，例如：电算机(日本Busicom公司基于4004)、微控制器取代旋钮控制的电位计和可变电容器、1982年出现首枚多媒体应用的DSP芯片等。特点：微处理器种类繁多、通用性差、价格便宜；系统开销小、效率高等。20世纪80年代中期至90年代末，嵌入式系统进入RTOS阶段标志：嵌入式操作系统被广泛使用，嵌入式应用开始普及。典型应用：应用领域进一步扩大，例如：手机、数码产品、路由器、交换机、汽车电子产品等。特点：嵌入式操作系统内核小、效率高、高度模块化、可扩展；微处理器兼容性好；为应用程序的开发提供了大量的API和IDE工具等。20世纪90年代末至今，嵌入式系统进入网络化阶段标志：嵌入式设备的网络化和Internet接入，正在蓬勃发展……典型应用：Internet技术与嵌入式应用产品的结合，例如：无线终端、平板电脑、智能手机、智能家电、智能汽车……特点：32bit微处理器占主导地位、嵌入式操作系统从简单走向成熟、与网络复习整理所用(私人整理,仅供参考)天高任鸟飞,海阔凭鱼跃!和Internet结合日益紧密等第二章ARM嵌入式微处理器1、试叙述冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构的区别。答：冯·诺依曼结构：数据和指令保存在同一个存储器上。哈佛结构：数据和指令分开存储，PC指针仅指向程序存储器而不指向数据存储器。比较：①冯·诺依曼结构比哈佛结构简单；②哈佛结构的系统运行效率比冯·诺依曼结构要高。2、试叙述RISC的优点以及与CISC相比有何特点。复杂指令系统(ComplexInstructionSetComputer,CISC)精简指令系统(ReducedInstructionSetComputer,RISC)RISC指令集：1979年美国加州大学伯克利分校提出；目的：如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度。特点：①选择使用频率高的简单指令；②指令长度固定，减少指令格式和寻址方式；③简易的译码指令格式；④在单周期完成指令等CISC指令集的缺点：计算机技术发展不断引入新的复杂的指令集，造成计算机体系结构越来越复杂；指令使用频率相差悬殊：约20%被反复使用，占整个程序代码的80%；而剩余的80%的指令不经常使用，在程序中只占20%3、查阅相关资料，目前采用的ARM技术的芯片有哪些？它们主要应用在哪些领域？4、分别指出以下指令序列的含义：ADDR0,R1,#256例子：ADDR0,R0,#1;R0←R0+1ANDR0,R0,#3ANDR0,R0,#3;保持R0的0、1位，其余位清零MRSR0,SPSRMRSR0,SPSR;传送SPSR的内容到R0LDMFDR13!,{R0,R4-R12,PC};将堆栈内容恢复到寄存器(R0,R4~R12,PC)第三章基于ARM的嵌入式系统外围硬件设计1、简述嵌入式微处理器的选型原则。3.3V1.8V答：对系统进行需求分析后，从微处理器内核结构、系统时钟、外围设备等几方面进行综合选择：微处理器内核的选择：ARM公司推出的ARM内核是针对不同应用领域的。例如，是否支持系统软件设计时所使用的嵌入式操作系统？系统的工作频率：系统时钟频率在很大程度上决定了ARM微处理器的处理能力。例如，芯片是仅有一个主时钟频率，还是能够提供不同频率时钟？芯片存储器容量：考虑是采取外扩存储器方案，还是直接选择片上集成有足够大存储器的芯片？片内外围电路的选择：应尽量结合系统需求，采用片内外围电路完成所需功能的设计，简化系统硬件的复杂度，提高系统的可靠性。2、NANDFlash和NORFlash各自的特点是什么？NORFlash特点：1988年由Intel首先开发出NORFlash技术；芯片内执行(XIP,eXecuteInPlace)，不必把代码读到系统RAM中；写入和擦除速度低，擦写次数约十万次；复习整理所用(私人整理,仅供参考)天高任鸟飞,海阔凭鱼跃!传输效率高，在1~16MB小容量时具有很高的成本效益；�带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节占据了容量为1~16MB闪存市场的大部分，主要用作代码存储介质。NANDFlash特点：1989年东芝公司提出了NANDflash结构；具有极高的单元密度，可以达到高存储密度；�写入和擦除速度快，擦除单元更小，相应的擦除电路更少，每个块的最大擦写次数是一百万次；使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各产品或厂商方法可能不同，存在较严重的位反转问题，必须有错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法；用在8MB~2GB产品中，适合于数据存储，在CompactFlash、SecureDigital、PCCards和MMC存储卡市场上所占份额最大。第四章嵌入式软件体系结构1、什么是软件体系结构？软件体系结构有哪些作用？答：软件体系结构是具有一定形式的结构化元素，即构件的集合，包括处理构件、数据构件和连接构件。处理构件负责对数据进行加工，数据构件是被加工的信息，连接构件把体系结构的不同部分组组合连接起来。这一定义注重区分处理构件、数据构件和连接构件，这一方法在其他的定义和方法中基本上得到保持。它是一个系统的设计计划；是一个结构性计划，用于描述系统由那些元素组成、元素之间如何相互适应、协同工作以完成系统的需求目标。�系统设计计划是项目计划的输入参数；介于需求与详细设计之间，可以是一个独立阶段，也可以作为概要设计或总体设计的一部分；通过规划各个设计元素内部及其之间关系，获得系统的软件体系结构(一个设计计划)，用于指导详细设计。它是帮助管理复杂系统的抽象框架。软件体系结构对管理的辅助作用嵌入式软件的体系结构表示了一个嵌入式软件系统的高层框架，是系统整体结构的一部分：2、整体结构、层次结构、客户机/服务器结构各自有哪些特点？比较它们的差异。答：整体结构下开发嵌入式软件的特点：系统中每个函数有唯一定义好的接口，函数间调用不受限制；�软件开发是设计、函数编码/调试、连接成系统的反复过程，所有函数相互可见，不存在任何的信息隐藏；函数调用可以有简单的分类，如核心调用、系统调用、用户调用等，用以简化编程，也可以不严格划分；系统有唯一的主程序入口，如C程序的main函数。层次结构的特点：可在现有抽象层基础上增加新的抽象层，便于简化复杂问题的设计实现；每层功能、接口的改变仅影响相邻层；�每层接口都是抽象的，内部实现不受限制，很容易支持软件的重用；实际软件设计很难完全按照层次系统的定义进行实现，经常是软件系统中的一复习整理所用(私人整理,仅供参考)天高任鸟飞,海阔凭鱼跃!部分采用层次结构。客户机/服务器结构：即Client/ServerArchitecture,C/S，是现代软件常用体系结构之一。3、举例说明轮询结构的优点和缺点。轮询系统的工作特点：典型应用：多路采样系统、实时监控系统等。系统完成一个轮询的时间取决于轮询环中需要执行的函数个数；轮询的次序是静态固定的，在运行时是不能进行动态调整的。轮询系统的缺点：所有函数必须顺序执行，不区分各自的重要程度；系统无法根据实际需要灵活调整函数执行的粒度。4、在前后台系统中，前台与后台的交互是如何完成的？前后台系统中，前台中断级事务与后台的务之间的信息或数据的交互，简称前后台交互(InteractionBetweenLevels)。前后台交互的两种方式：同步信号(SynchronizationSemaphore)�基本思想：前台中断向后台任务发送同步信号(1bit)。�多中断请求时的处理方法：借助计数器(整型信号量)和标志位共同实现同步。数据交互(DataInteraction)基本思想：通过共享存储区的方式实现。5、什么是任务？什么是实时任务？任务：在软件设计时抽象出来的具有相互作用的程序集合或软件实体。实时任务：带有实时性约束的任务称为实时任务(Real-TimeTask)。6、实时多任务系统的基本结构，说明各组成部分的功能。实时多任务系统�由多个并发执行的实时任务构成的系统称为实时多任务系统(Real-TimeMultitaskSystem)。每一层对其上层而言好像是一个虚拟机(VirtualMachine)；下层为上次提供服务，上层利用下层提供的服务；层与层之间定义有良好的接口，之间通过接口进行交换与通信；每层划分为一个或多个模块(或称组件)。第五章嵌入