ARM9嵌入式系统设计基础课后答案全解

******************************************************************************************第一章1.简述嵌入式的定义以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。2.举例说明嵌入式系统的“嵌入性”、“专用性”、“计算机系统”的基本特征。按照嵌入式系统的定义，嵌入式系统有3个基本特点，即“嵌入性”、“专用性”与“计算机”。“嵌入性”由早期微型机时代的嵌入式计算机应用而来，专指计算机嵌入到对象体系中，实现对象体系的智能控制。当嵌入式系统变成一个独立应用产品时，可将嵌入性理解为内部嵌有微处理器或计算机。“计算机”是对象系统智能化控制的根本保证。随着单片机向MCU、SoC发展，片内计算机外围电路、接口电路、控制单元日益增多，“专用计算机系统”演变成为“内含微处理器”的现代电子系统。与传统的电子系统相比较，现代电子系统由于内含微处理器，能实现对象系统的计算机智能化控制能力。“专用性”是指在满足对象控制要求及环境要求下的软硬件裁剪性。嵌入式系统的软、硬件配置必须依据嵌入对象的要求，设计成专用的嵌入式应用系统。3.简述嵌入式系统发展各阶段的特点。（1）无操作系统阶段：使用简便、价格低廉；（2）简单操作系统阶段：初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。（3）实时操作系统阶段：系统能够运行在各种不同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面GraphicUserInterface，GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口ApplicationProgrammingInterface，API），从而使应用软件的开发变得更加简单。（4）面向Internet阶段：进入21世纪，Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展4.简述嵌入式系统的发展趋势。（1）新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。（2）Linux、WindowsCE、PalmOS等嵌入式操作系统迅速发展。（3）嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。5.简述SOC和IP核的区别。SOC是指在单芯片上集成数字信号处理器、微控制器、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块，可以直接实现信号采集、转换、存储、处理等功能。IP核是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（SOC）的基本构件。6.简述嵌入式计算机系统硬件层的组成和功能。硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。（1）嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于系统设计趋于小型化、高效率和高可靠性（2）嵌入式系统的存储器包含Cache、主存储器和辅助存储器，用来存放和执行代码。（3）与外界交互所需要的通用设备接口7.简述cache的功能与分类。（1）Cache是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的快速存储器阵列，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，提高微处理器和主存之间的数据传输速率，使处理速度更快，实时性更强（2）Cache一般集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的存储容量大小依不同处理器而定。8.简述嵌入式计算机系统中间层的组成和功能。中间层也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer，HAL）或板级支持包（BoardSupportPackage，BSP），位于硬件层和软件层之间，将系统上层软件与底层硬件分离开来。BSP作为上层软件与硬件平台之间的接口，需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。不同的操作系统具有各自的软件层次结构，BSP需要为不同的操作系统提供特定的硬件接口形式。BSP使上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。BSP一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入／输出操作和硬件设备的配置等功能。9.简述嵌入式计算机系统系统软件层的组成和功能。系统软件层通常包含有实时多任务操作系统（Real-timeOperationSystem，RTOS）、文件系统、图形用户接口（GraphicUserInterface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。（1）嵌入式操作系统（EmbeddedOperatingSystem，EOS）EOS负责嵌入式系统的软件、硬件的资源分配、任务调度，控制协调。（2）文件系统嵌入式文件系统与通用操作系统的文件系统不完全相同，主要提供文件存储、检索和更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。(3）图形用户接口（GUI）GUI使用户可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便地操作计算机或者嵌入式系统。10.简述RTOS的定义与特点。RTOS是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统，系统能够处理和存储控制系统所需要的大量数据。特点：（1）约束性RTOS任务的约束包括时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能约束。（2）可预测性可预测性是指RTOS完成实时任务所需要的执行时间应是可知的。（3）可靠性（4）交互性11.常用的RTOS调度技术有哪些？各有什么特点？（1）抢占式调度和非抢占式调度抢占式调度通常是优先级驱动的调度。每个任务都有优先级，任何时候具有最高优先级且已启动的任务先执行。抢占式调度实时性好、反应快，调度算法相对简单，可优先保证高优先级任务的时间约束，其缺点是上下文切换多。而非抢占式调度是指不允许任务在执行期间被中断，任务一旦占用微处理器就必须执行完毕或自愿放弃，其优点是上下文切换少，缺点是微处理器有效资源利用率低，可调度性不好。(2）静态表驱动策略和优先级驱动策略静态表驱动策略是一种离线调度策略，指在系统运行前根据各任务的时间约束及关联关系，采用某种搜索策略生成一张运行时刻表。在系统运行时，调度器只需根据这张时刻表启动相应的任务即可。优先级驱动策略指按照任务优先级的高低确定任务的执行顺序。优先级驱动策略又分为静态优先级调度策略和动态优先级调度策略。静态优先级调度是指任务的优先级分配好之后，在任务的运行过程中，优先级不会发生改变。静态优先级调度又称为固定优先级调度。动态优先级调度是指任务的优先级可以随着时间或系统状态的变化而发生变化。12.冯诺依曼结构与哈佛结构各有什么特点？（1）哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。（2）冯·诺依曼结构的计算机由CPU和存储器构成，其程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。程序计数器（PC）是CPU内部指示指令和数据的存储位置的寄存器13.RISC架构与CISC架构相比有什么优点？复杂指令集计算机（ComplexInstructionSetComputer，CISC）；精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer，RISC）RISC优点:(1)结构更加简单合理，从而提高运算效率;(2)优先选取使用频率最高的、很有用但不复杂的指令，避免使用复杂指令;(3)固定指令长度，减少指令格式和寻址方式种类；(4)指令之间各字段的划分比较一致，各字段的功能也比较规整；(5)采用Load/Store指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；(6)增加CPU中通用寄存器数量，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存取；(7)大部分指令控制在一个或小于一个机器周期内完成；(8)以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码控制；(9)采用高级语言编程，重视编译优化工作，以减少程序执行时间。14.简述流水线技术的基本概念。流水线技术的基本概念是将一个重复的时序分解成若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。15.试说明指令流水线的执行过程。在流水线技术中，流水线要求可分成若干相互联系的子过程，实现子过程的功能所需时间尽可能相等。形成流水处理，需要一段准备时间。指令流发生不能顺序执行时，会使流水线过程中断，再形成流水线过程则需要时间。（执行、取操作数、指令译码、取指令）16.大端存储法与小端存储法有什么不同？对存储数据有什么要求与影响？小端：较高的有效字节存放在较高的的存储器地址，较低的有效字节存放在较低的存储器地址。大端：较高的有效字节存放在较低的存储器地址，较低的有效字节存放在较高的存储器地址。第二章1、ARM微处理器的特点A体积小、低功耗、低成本、高性能；B支持Thumb(16位)/ARM（犯位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；C大量使用寄存器，指令执行速度更快；D大多数数据操作都在寄存器中完成；E寻址方式灵活简单、执行效率高。2、画出ARM体系结构方框图，并说明各部分功能（23）1．ALUARM体系结构的ALU与常用的ALU逻辑结构基本相同，由两个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果及零检测逻辑构成。ALU的最小数据通路周期包含寄存器读时间、移位器延迟、ALU延迟、寄存器写建立时间、双相时钟间非重叠时间等几部分。2．桶形移位寄存器ARM采用了32×32位桶形移位寄存器，左移／右移n位、环移n位和算术右移n位等都可以一次完成，可以有效的减少移位的延迟时间。在桶形移位寄存器中，所有的输入端通过交叉开关（Crossbar）与所有的输出端相连。交叉开关采用NMOS晶体管来实现。3．高速乘法器ARM为了提高运算速度，采用两位乘法的方法，2位乘法可根据乘数的2位来实现“加－移位”运算。ARM的高速乘法器采用32×8位的结构，完成32×2位乘法也只需5个时钟周期4．浮点部件在ARM体系结构中，浮点部件作为选件可根据需要选用，FPA10浮点加速器以协处理器方式与ARM相连，并通过协处理器指令的解释来执行。浮点的Load/Store指令使用频度要达到67％，故FPA10内部也采用Load/Store结构，有8个80位浮点寄存器组，指令执行也采用流水线结构。5．控制器ARM的控制器采用硬接线的可编程逻辑阵列PLA，其输入端有14根、输出端有40根，分散控制Load/Store多路、乘法器、协处理器以及地址、寄存器ALU和移位器。6．寄存器ARM内含37个寄存器，包括31个通用32位寄存器和6个状态寄存器7、分析ARM11的内核结构（P26）8、分析cortex-M4处理器内部结构(P33)14、ARM微处理器支持哪几种运行模式？各运行模式有什么特点？答：1)用户模式：ARM处理器正常程序执行模式;2)快速中断模式：用于高速数据传输或通道处理;3)外部中断模式：用于通用的中断处理;4)管理模式：操作系统使用的保护模式;5)数据访问终止模式：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护;6)系统模式：运行具有特权的操作系统任务;7)未定义指令中止模式：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。15、RM微处理器有哪几种工作状态？各工作状态有什么特点答：ARM处理器有32位ARM和16位Thumb两种工作状态。在32位ARM状