嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

第1章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.什么是嵌入式系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？有何特點(diǎn)？寫出你所想到的嵌入

式系統(tǒng)。

答：(1)定義：國(guó)內(nèi)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的一般定義是：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)

為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，從而能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)功能、可靠

性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

(2)組成：嵌入式處理器、外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等兒部分

組成。

(3)特點(diǎn)：a.軟硬件一體化，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、行業(yè)技術(shù)于-?體;

b,需要操作系統(tǒng)支持，代碼小，執(zhí)行速度快；

c.專用緊湊，用途固定，成本敏感；

d.可靠性要求高；e.多樣性，應(yīng)用廣泛，種類繁多。

(4)嵌入式系統(tǒng)：個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、機(jī)頂盒(STB)、IP電話。

2.嵌入式處理器分為哪幾類？

答：(1)低端的微控制器(MicroControllerUnit,MCU)；

(2)中高端的嵌入式微處理器(EmbededMicroProcessorUnit,EMPU)；

(3)通信領(lǐng)域的DSP處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)；

(4)高度集成的片上系統(tǒng)(SystemonChip,SoOo

3.ARM英文原意是什么？它是一個(gè)怎樣的公司？其處理器有何特點(diǎn)？

答：(1)英文原意：AdvancedRISCMachines。高級(jí)精簡(jiǎn)指令集機(jī)器。

(2)公司簡(jiǎn)介：該公司是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)

供應(yīng)商，通過(guò)將其高性能、低成本、低功耗的RISC微處理器、外圍和

系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給合作伙伴來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM公司已

成為移動(dòng)通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費(fèi)嵌入式解決方案的RISC標(biāo)

準(zhǔn)。

(3)其處理器特點(diǎn)：a.小體積、低功耗、低成本而高性能；b.16/32位雙指

令集；c.全球的合作伙伴眾多。

4.什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)？它有哪些特征？如何分類？

答：(1)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義：實(shí)時(shí)系統(tǒng)(RealTimeSystem)是指產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的

時(shí)間對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要的系統(tǒng)。

(2)特征：實(shí)時(shí)性、并行性、多路性、獨(dú)立性、可預(yù)測(cè)性、可靠性。

(3)分類：根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的不同，實(shí)時(shí)系統(tǒng)可分為3種類型：強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)、

弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)、一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

根據(jù)確定性的不同，實(shí)時(shí)系統(tǒng)可分為2種類型：硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)。

5.RTOS由哪幾部分組成？它有哪些特點(diǎn)？與一般操作系統(tǒng)相比有何不同？

答：(1)組成：實(shí)時(shí)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)組件、文件系統(tǒng)、圖形用戶界面。

(2)特點(diǎn)：a.支持異步事件的響應(yīng)；b.中斷和調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先級(jí)機(jī)制；c.

支持搶占式調(diào)度；d.確定的任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間；e.支持同步。

(3)與一般OS的不同:

a.實(shí)時(shí)性：響應(yīng)速度快，只有兒微秒；執(zhí)行時(shí)間確定，可預(yù)測(cè)；

b.代碼尺寸小:只有1O~1OOKB,節(jié)省內(nèi)存空間，降低成本;

c.應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)較難；

d.需要專用開(kāi)發(fā)工具：仿真器、編譯器和調(diào)試器等。

6.單片機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和SOC系統(tǒng)三者有何區(qū)別和聯(lián)系？

答：(1)目前嵌入式系統(tǒng)的主流是以32位嵌入式微處理器為核心的硬件設(shè)計(jì)和

基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的軟件設(shè)計(jì)；

(2)單片機(jī)系統(tǒng)多為4位、8位、16位機(jī)，不適合運(yùn)行操作系統(tǒng)，難以進(jìn)行

復(fù)雜的運(yùn)算及處理功能；

(3)嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，單片機(jī)大多采用軟

硬件流水設(shè)計(jì)；

(4)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是軟件設(shè)計(jì)(占70%左右的工作量)，單片機(jī)系

統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)所占比例基本相同。

(5)SoC是嵌入式系統(tǒng)的最高實(shí)現(xiàn)形式，它集成了許多功能模塊，它的核心

技術(shù)是IP(IntellectualPropertyCore,知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)核。

第2章嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程

1.嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程分為哪幾個(gè)階段？每個(gè)階段的特點(diǎn)是什么？

答：(1)需求分析階段：a.對(duì)問(wèn)題的識(shí)別和分析；b.制定規(guī)格說(shuō)明文檔；c.

需求評(píng)審。

(2)設(shè)計(jì)階段：a.數(shù)據(jù)流分析；b.劃分任務(wù)；c.定義任務(wù)間的接口。

(3)生成代碼階段：a.代碼編程；b.交叉編譯和鏈接；c.交叉調(diào)試；d.

測(cè)試。

(4)固化階段

2.嵌入式系統(tǒng)有哪幾種調(diào)試方式？現(xiàn)在最流行的是哪種？使用什么接口？

答：(1)調(diào)試方式：源程序模擬器方式、監(jiān)控器方式、仿真器方式。

（2）現(xiàn)在最流行的是仿真器方式，使用JTAG（JointTestActionGroup,

聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組）接口。

3.什么是板級(jí)支持包？它一般應(yīng)完成哪些工作？

答：（1）定義：有些嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核明確分為兩層，上層一般稱為“內(nèi)

核”，而底層則稱為“硬件抽象層”或“硬件適配層"，縮寫為HAL,

有的廠商將硬件抽象層稱為BSP,即板級(jí)支持包（BoardSupport

Package）（＞

（2）主要完成工作：a.在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí);對(duì)硬件進(jìn)行初始化。B.為驅(qū)動(dòng)程

序提供訪問(wèn)硬件的手段。

（3）主要作用：消除硬件差異。

4.什么是交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境？為什么需要交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境？

答：（1）定義：交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境是指實(shí)現(xiàn)編譯、鏈接和調(diào)試應(yīng)用程序代碼的環(huán)

境。與運(yùn)行應(yīng)用程序的環(huán)境不同，它分散在有通信連接的宿主機(jī)與

目標(biāo)機(jī)環(huán)境中。

（2）目標(biāo)機(jī)（Target）可以是嵌入式應(yīng)用軟件的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，也可以是

能替代實(shí)際環(huán)境的仿真系統(tǒng)。但是目標(biāo)機(jī)的硬件資源有限，而宿主

機(jī)的軟硬件資源豐富，它上面的輔助開(kāi)發(fā)工具能大大提高軟件開(kāi)發(fā)

的效率和進(jìn)度。

第3章ARM體系結(jié)構(gòu)

1.ARM的英文全名是什么？ARM處理器有什么特點(diǎn)？

答：見(jiàn)第1章課后習(xí)題第3題。

2.ARM7和ARM9在流水線方面有何不同？

答:ARM7是3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，ARM9是5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。AR

]M9把3級(jí)流水線中的執(zhí)行階段的操作進(jìn)行再分配，即把執(zhí)行階段中的“寄存

器讀”插在譯碼階段中完成，把“寄存器寫”安排在另一級(jí)（即第5級(jí)）

完成，同時(shí)，在該級(jí)之前，再安排一級(jí)（存儲(chǔ)訪問(wèn)）。

ARM7TDMI取指譯碼執(zhí)行

取指譯碼執(zhí)行存儲(chǔ)器寫

3.ARM處理器支持的數(shù)據(jù)類型有哪些？

答：（1）Byte字節(jié)，8位；（2）Halfword半字，16位；（3）Word字，32位;

4.寫出ARM使用的各種工作模式和工作狀態(tài)。

答：（1）工作模式：

用戶模式

Q

FIQ

IR管

處理器模式異常模式.理

中

止

未

定

特權(quán)模式義

系統(tǒng)模式

詳見(jiàn)下表：

處理器模式說(shuō)明

用戶usr正常程序執(zhí)行模式

FIQfiq支持高速數(shù)據(jù)傳送或通道處理

IRQirq用于通用中斷處理

管理SVC操作系統(tǒng)保護(hù)模式

中止abt實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器和/或存儲(chǔ)器保護(hù)

未定義und支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真

系統(tǒng)sys運(yùn)行特權(quán)操作系統(tǒng)任務(wù)

(2)工作狀態(tài)：a.ARM：32位，這種狀態(tài)下執(zhí)行字對(duì)齊的ARM指令；

b.Thumb：16位，這種狀態(tài)下執(zhí)行半字對(duì)齊的Thumb指令。

5.ARM處理器總共有多少個(gè)寄存器？其中哪個(gè)用做PC?哪個(gè)用做LR?

答：(1)ARM處理器總共有37個(gè)寄存器：31個(gè)通用寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器。

(2)R15用做程序計(jì)數(shù)器PC,R14用做子程序鏈接寄存器LRo

6.假設(shè)R0=0xl2345678,使用將R0存儲(chǔ)到0x4000的指令存到存儲(chǔ)器中，若存儲(chǔ)

器為大端組織，寫出從存儲(chǔ)器0x4000處加載一個(gè)字節(jié)到R2的指令執(zhí)行后R2

的值。

答：由于0x4000是大端組織，所以R0存進(jìn)后，0x4000中有數(shù)0x56781234,

從0x4000加載一個(gè)字節(jié)到R2后(由地位到高位加載)，R2的值為0x34。

7.ARM920T處理器加入了哪兩個(gè)協(xié)處理器？各自的主要功能是什么？

答：ARM920T處理器加入了兩個(gè)協(xié)處理器：

(DCP14,允許軟件訪問(wèn)調(diào)試通信通道；

(2)系統(tǒng)控制協(xié)處理器CP15,提供了一些附加寄存器用于配置和控制

Caches、MMU、保護(hù)系統(tǒng)、時(shí)鐘模式和其他系統(tǒng)選項(xiàng)。

8.ARM920T支持哪些時(shí)鐘模式？

答：快速總線模式、同步模式、異步模式。

9.什么是寫直達(dá)和寫回Cache操作，各有何特點(diǎn)？

答：（1）寫直達(dá)：當(dāng)CPU對(duì)Cache寫命中時(shí)，Cache與主存同時(shí)發(fā)生寫修改。

優(yōu)點(diǎn)：一致性好；缺點(diǎn)：耗時(shí)。

（2）寫回：當(dāng)CPU對(duì)Cache寫命中時(shí)，只修改Cache的內(nèi)容而不立即寫

入主存，只當(dāng)此執(zhí)行被換出時(shí)才寫回主存。優(yōu)點(diǎn)：減少訪問(wèn)主存次

數(shù)，提高效率。缺點(diǎn)：一致性差點(diǎn)。

10.ARM為何集成了32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集？（即它的好處）

答：可提供長(zhǎng)的轉(zhuǎn)移范圍、強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算能力和大的尋址空間。

11.什么是big-endian和little-endian,編寫一段程序測(cè)試你所用的計(jì)算機(jī)體

系結(jié)構(gòu)采用哪種存儲(chǔ)機(jī)制？

答：（1）大端存儲(chǔ)系統(tǒng)（big-endian）：低地址存放高字節(jié)，高地址存放低字

節(jié)。小端存儲(chǔ)系統(tǒng)（little-endian）:低地址存放低字節(jié)，高地址

存放高字節(jié)。

（2）intx=0x12345678;

int*p=&x;

if（*（char*）p=0x78）

??,littleendian

else

??,bigendian

第4章ARM系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.一個(gè)典型的可執(zhí)行映像由哪幾部分組成？

答：

ZI（初始化為。的可讀寫數(shù)據(jù)）只定義了變量名的全局變量

RW（可讀寫數(shù)據(jù)）定義時(shí)帶初