嵌入式课后题答案

1、第一章1、什么是嵌入式系统？嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，可满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功能有严格要求的专用计算机系统。2、请举例说明“实时”与“实时系统”这两个概念。(P9)答:实时: 事物发生过程中的实际时间; 实时系统能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。3、举例说明嵌入式系统有哪些特点。（P11-14）答：（1）、技术密集：（2）、专用紧凑：（3）、安全可靠：（4）、多种多样：（5）、及时响应：（6）、成本敏感：（7）、开发困难：（8）不可弄断：（9）其他：4、简述嵌入式系统的发展历程。(P16图

2、1.10)大致经历四个阶段：第一阶段大致在20世纪70年代之前，可看成嵌入式系统的萌芽阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、侍服、指示设备相配合的功能。第二阶段是之后的十多年，是以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统，大多数嵌入式系统使用8位微处理器，不需要嵌入式操作系统支持。第三阶段大致是20世纪80年代末到90年代后，以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，主要特点：嵌入式操作系统内核小、效率高，具有高度的模块化和扩展性。第四阶段从20世纪90年代末开始，是以网络化和Internet为标志的嵌入式系统。 5、嵌入式系统的硬件由哪些基本部分组成？各部分的功

3、能如何？（P19-20）答：嵌入式系统的硬件部分可以分成三部分：处理器核、外围电路和外设与扩展。（1）处理器核：包括负责控制整个嵌入式系统执行的核心处理器、时钟分频定时器、中断控制、I/O端口等，也可能直接包含了A/D和D/A转换处理端口；（2）外围电路：包括嵌入式系统所需要的基本存储管理，晶振、复位、电源等控制电路及接口。与处理器核一起构成一个完整的嵌入式微处理器。对32位以上的微处理器，一般还带有专门的调试接口（JTAG或BDM）。（3）外设与扩展：是嵌入式系统与真实环境交互的接口，可以提供包括扩展存储、I/O接口和打印机等设备的控制电路，或直接使用相关的控制芯片。根据实际应用的需要，还可

4、以扩展一些专用芯片，如加密解密、现场总路线、移动通信等专用芯片。6、嵌入式软件体系包含哪几层？概述各层的功能。(P20-21)答：嵌入式软件体系包含四个层次：板级支持包、嵌入式实时操作系统、应用编程接口API和嵌入式应用系统。（1）板级支持包：它是介于嵌入式硬件和上层软件之间的一个底层软件开发包，主要目的是屏蔽下层硬件。（2）嵌入式实时操作系统：它可以分成基本内核和扩展内核两部分。基本内核提供操作系统的核心功能，负责整个系统的任务调度、存储分配、时钟管理、中断管理，也可提供文件、GUI、网络等通用服务。而扩展内核根据应用领域的需要，为用户提供面向领域或面向具体行业的操作系统扩展功能。（3）应用

5、编程接口：由为编制嵌入式应用程序提供的各种编程接口库或组件组成，可以针对不同应用领域、不同安全要求分别构建，减轻应用开发者的负担。（4）嵌入式应用系统：是最终运行在目标机上的应用软件，如嵌入式文本编辑、游戏、读写卡系统、家电控制软件、多媒体播放软件等。实际构建嵌入式系统时，并不一定需要RTOS和应用编程接口API。7、描述嵌入式系统的基本开发过程。(P22-23)答：开发一个嵌入式系统就意味着软件与硬件的同时开发，其过程包括产品定义、系统总体设计、软硬件设计、软硬件集成、产品测试、产品发布、产品维护等阶段。（1）产品定义：确定开发任务和设计目标，并提炼出需求规格说明书，作为设计指导和验收标准。

6、（2）系统总体设计：描述系统如何实现需求规格说明书中定义的各类指标，包括硬件、软件和执行装置的功能划分，嵌入式微处理器、各类芯片的选择，系统软件和开发工具的选择等。（3）软硬件设计：传统的嵌入式系统开发中，软硬件设计各自独立进行，依据是系统总体设计的软硬件划分及功能性能要求。（4）软硬件集成与测试：在估计软硬件无单独错误的前提下，可以将它们按预先确定的接口集成起来，进行联调，发现并改进独立设计过程中的错误。（5）产品发布：依据产品定义，对集成好的嵌入式系统进行测试，检查是否满足规格说明书中给定的各项指标要求，由此决定产品是否可以发布。11、嵌入式软件测试有哪些难点？需要进行哪些常规测试？(P2

7、5-26)答：其测试的难点如下：1）、软件功能的测试依赖不需要编码的硬件功能，快速定位软硬件错误困难。2）、健壮性测试、可用性测试很难编码实现。3）、交叉测试平台的测试用例、测试结果上载困难，而且有可能与实际目标环境不完全一致。4）、对实时多任务的嵌入式系，难以测试线程、任务、子系统之间的交互、并发和容错能力，也难以确定时间约束是否满足。5）、于多任务系统，特别是网络系统的不确定性，对嵌入式系统性能测试、确定性测试造成严重的瓶颈。6）、嵌入式系统的多样性同样造成测试自动化技术难以实施。需要的常规测试有：芯片测试、黑盒白盒测试、覆盖测试、状态测试、集成测试、可靠性测试。定期的测试微处理器、存储器

8、以及嵌入式程序占用的存储空间；外设的测试；电源测试；耗材的测试；安全测试；通信电缆测试。第二章1、 查阅相关资料，谈谈你对嵌入式硬件系统基本架构的认识。嵌入式硬件系统是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入输出接口和外围设备组成。嵌入式系统的硬件可分为核心微处理器、控制电路以及外设与扩展嵌入式微处理器是各种面向用户、面向产品、面向应用的嵌入式系统的核心部件，是控制系统运行的硬件单元。特点有体积小，集成度高，对实时多任务有很强的支持能力，具有很强的功能保护功能，可扩展。嵌入式存储系统由高速缓冲区，主存储器和辅助存储器组成。2、试叙述冯.诺依曼体系结构和哈佛体系结构的区别

9、。(P30-31)答： （1）冯?诺依曼体系结构： 计算机系统一般由中央处理单元（CPU）、存储器系统和输入、输出设备组成，存储器系统负责存储全部数据和指令，并可以根据所给的地址对其进行读、写操作。数据和指令存在同一存储器中的计算机称为冯?诺依曼体系结构计算机。CPU有若干个可以存放内部使用值的内部寄存器，其中典型的寄存器是程序计数器（PC）。CPU根据PC中的内容从存储器中取出指令，然后对指令进行译码，执行。（2） 哈佛体系结构：特点是程序存储器和数据存储器分开，程序计数器（PC）只值向程序存储器而不值向数据存储器，这样，即使数据总线被占用，CPU也可以继续从程序内存中取指令执行，直到遇到访

10、问内存的指令才不得不停下来等待DMA结束。这样就是在CPU的操作和外设DMA的操作之间引入了某种并行度，从而可以提高系统的效率。独立的程序存储器和数据存储器提高了数字处理的性能，让两个存储器有不同的端口，可提供较大的存储器宽度。这样，数据和程序不必再竞争同一个端口，加快了机器的运行时间。3、试叙述RISC的优点以及与CISC相比有何特点？(P31表2.1)答: 答:RISC并非只是简单地减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。RISC结构的特点包括优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；简易的译码指令格式，在

11、单周期内完成指令等。 表2.1 CISC和RISC的对比如下：类别 CISC RISC指令系统指令数量很多相对较少执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存储器 多为单周期指令编码长度编码长度可变，115个字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样寻址方式较简单操作可以对存储器和寄存器进行运算和操作仅load/store指令可以对存储器进行操作，其余指令只能对寄存器进行运算和操作编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序采用优化编码技术，生成高效的目标代码程序5、ARM9TDMI中T、D、M、I的含义是什么？（P34）答：TDMI的基本含义如下：

12、T-支持16位压缩指令集Thumb；D-支持片上Debug；M-内嵌硬件乘法器Multiplier；I-嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。6、ARM微处理器的运算模式有那几种？各种运行模式下分别有什么特点？(P36 表2.2)答：ARM微处理器支持7种运行模式，运行模式可以通过软件控制改变，外部中断或异常处理也可以引起模式发生改变。其运行模式如下：模式 模式描述用户（user） ARM微处理器正常的程序执行状态快速中断（FIQ） 用于高速数据传输或通道处理外部中断（IRQ） 用于通用的中断处理管理（supervision） 操作系统保护模式数据访问中断（abort） 实现虚拟存储器和存储器保

13、护系统（system） 运行特权操作系统任务未定义（undifined） 支持硬件协处理器的软件仿真7、ARM有哪几种异常类型？ARM的异常是如何响应和返回的？(P41表2.5)答：ARM内核支持7种中断和异常。不同的中断处于不同的处理模式，具有不同的优先级，而且每个中断都有固定的中断入口地址。当一个中断发生时，相应的R14存储中断返回地址，SPSR存储状态寄存器CPSR的值。异常类型微处理器模式入口地址优先级描述复位 管理 0x00 1当微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 未定义 0x04 7当ARM微处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生

14、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 管理 0x08 6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预取中止数据访问中止 0x0c 5 若微处理器预读指令的地址不存在或该地址不允许当前指令访问，存储器向微处理器发出中止信号，但当预读的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常数据中止数据访问中止 0x10 2若微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，产生数据中止异常外部中断外部中断 0x18 4当ARM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快

15、速中断快速中断 0x1c 3当ARM快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生IRQ异常8、试简述ARM指令的寻址方式。（P44-46）答：ARM指令的寻址方式如下：寻址方式含义立即（数）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，即立即数寄存器 利用寄存器中的数值作为操作数寄存器间接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中变址 将基址寄存器的内容与指令给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址，用于访问基址附近的存储单元多寄存器一条指令可以完成多个寄存器值的传送相对 以程序计算器pc的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将二者相加之后得到操作数的有

16、效地址堆栈 “先进先出”顺序进行存取的存储区，使用一个称作堆栈指针（sp）的专用寄存器指示当前操作位置，堆栈指针总是指向栈顶10、Thumb指令集和ARM指令集相比有哪些优势？(P58)答: thumb指令包括基本的加减循环移位及跳转指令。大部分arm指令可以用一条thumb指令来完成相同的操作，在应用程序的编写过程中，只要遵循一定调用的规则，thumb子程序和arm子程序可以相互调用。大多数thumb指令是无条件执行的，而几乎所有的arm指令都是有条件执行的；大多数thumb数据处理指令的目的寄存器与其中一个源寄存器相同11、 试叙述S3C2410X微处理器有哪些外围资源？ 答：S3C241

17、0X采用ARM920T内核和AMBA总线。其结构包括; 1、1个LCD控制器，支持SNT/TFT液晶显示屏。 2、外部存储器管理（SDRAM控制器和芯片选择逻辑）。3、3个通道的UART.。4个通道的DAM，支持存储器和I/O口之间的传输。5、4个具有PWM功能的16位定时/计数器和1个16位内部定时器，支持外部时钟源。6、8通道的10位ADC，10位分辨率。7、触摸屏接口8、IIS总线接口。9、2个USB主机接口，1个USB设备接口。10、2个SPI接口。11、SD卡接口和MMC卡接口。12、16位看门狗定时器。13、117位通用I/O口和24位外部中断源。14、8通道10 位AD控制器。1

18、5、电源管理 12、S3C2410X存储控制器支持哪两种模式答：S3C2410X 存储控制器支持大端、小端模式存储13、 简述S3C2410X复位后存储器映射和地址空间分配情况。 答: S3C2410X存储器为片外存储器提供控制信号，1、支持大端、小端模式（可由编程选择）。2、地址空间：每Bank 128 MB,分为8Bank(共1GB) 。3、Bank0-Bank6起始地址固定，Bank7起始地址可变，Bank0支持16/32位数据存储器Bank1-Bank7支持8/16/32位数据存取；其中，Bank7起始地址可。 存储器的映射Bank 0的数据总线宽度只能是16位或者32位，由复位时OM

19、1:0决定。Bank0作为启动ROMBank(映射地址0X00000000，因此在对ROM进行第一次存取前就必须决定Bank0的总线宽度。14、S3C2410X的时钟和电源管理模块包含哪几个部分？试叙述各个模块的功能。(P61-64)答：包含以下3个部分：1）时钟管理逻辑：产生三种时钟信号：FCLK、HCLK、PCLK。同时时钟管理逻辑还包含二个锁相环：MPLL(用于FCLK,HCLK,PCLK)、UPLL（用于USB）。2）USB时钟控制：USB主机和USB设备接口要求48MHz时钟，S3C2410X内部包含了为USB产生48MHZ时钟的专用锁相环（UPLL）。3）电源管理：电源管理模块可以

20、通过软件的方式控制系统时钟，从而达到降低功耗的目的，这种机制和锁相环、控制逻辑等相关。四种模式：Normal，Slow，Idle和Power-Off模式。17、 S3C2410X有多少个I/O端口？提供多少I/O引脚？有哪些重要的端口寄存器？ S3C2410X 芯片上共有 71 个多功能的输入/输出引脚,它们分为 7 组 I/O 端口。重要的寄存器有：端口数据寄存器，端口上拉寄存器，I/O端口控制器。18、简述S3C2410X的通用异步收发器工作原理。(P69)答：S3C2410X的通用异步收发器（UART）提供三路独立的异步串行I/O口，可运行在中断模式或者DMA模式，换句话说，UART可以

21、产生中断或DMA请求进行CPU和UART之间的数据传送。UART可以支持高达230.4Kbps的数据速率，如果由外设提供时钟，UART还可以运行在更高的频率。每个UART通道都包含两个16Byte用于接收、发送数据的FIFOs.S3C2410X UART具有可编程的波特率、1-2位停止位、5-8位的数据宽度和奇偶效验。每个UART包含一个波特率发生器、传送单元、发送单元和控制单元。通过数据发送、数据接收、自动流控制、RS-232C接口、中断、DMA请求、波特率发生器。第三章1、简述嵌入式微处理器的选型原则。(P80)答：设计人员要求根据不同的应用来有针对性地进行选型，在完成需求分析之后，主要从

22、微处理器内核结构、系统时钟（工作频率）、内存储器的容量、外围设备等方面来综合选择。3、NAND Flash和NOR Flash各自的特点是什么？(P85)答：NAND的特点是：极高的单元密度，可以达到高存储密度；写入和檫除的速度也很快，但NAND需要特殊的系统接口来串行地存取数据，对NAND的管理比较复杂。NOR的特点是：芯片内执行，即应用的程序可以不必把代码读到系统RAM中而直接在Flash内运用；传输效率很高，在1-16MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和檫除的速度大大影响了它的性能。4、简述在电源模块的控制下微处理器的几种工作方式。(P81 a,b,c) 答：下面是电源管理

23、可控制微处理器的几种不同耗电的工作方式：A、运行方式：属于正常方式，允许所有电源和时钟输出。在系统复位后就进入了运行方式。B、空闲方式：允许用户停止cpu核时钟，但仍继续监视片内外中断请求。这时系统单元模块（中断控制器、lcd控制器、时钟和电源管理器等）及存储器仍处于运行状态。C、睡眠方式：微处理器内核停止供电，仅电源管理器继续工作。使用唤醒信号和复位信号等才能触发微处理器工作。5、为S3C2410X微处理器设计一个具有串口、从USB接口的最小系统？答：由于只用S3C2410X设计一个具有串口、从USB接口的最小系统，所以只画出了S3C2410X的部分针脚，整个设计图如下 最小系统6、如何为S

24、3C2410X微处理器扩展SDRAM接口电路。答：由于SDRAM的运行速度比较高，因此在进行电路神经时需要注意所以的地址总线和控制信号线长度相等、所有的数据走线等长的问题，其电路设计图如下图所示。地址总线和控制总线在输出端上可串入小电阻以使系统更稳定等，在电路时序允许的前提下，为了抑制信号反射，可以在关键信号输出端串入小阻值的电阻，通常采用22-23的电阻。7、S3C2410X微处理器是怎样连接NAND Flash的？答：以K9F1208为例，其存储容量为64MB，数据总线宽度为8位，工作电压为2.7-3.6仅需要3.3v电源便可完成在系统的编程与檫除操作，K9F1208的I/O口即可以接收和

25、发送数据，也可以接收地址信息和控制命令。在CLE有效时，锁存在I/O口上的是控制命令字；在ALE有效时，锁存在I/O口上的是地址；RE和WE有效时，锁存的是数据。其电路设计图如下第四章1、 嵌入式软件的种类和特点有哪些？答：种类有3种：嵌入式操作系统EOS（Embedded Operating System）是一种用途广泛的系统软件，EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并发活动。嵌入式支撑软件：支撑软件是用于帮助和支持软件开发的软件，通常包括数据库和开发工具，其中以数据库最为重要。嵌入式应用软件：嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户

26、预期目标的计算机软件。主要特点如下：1）、是一个高层次上的抽象，涉及组成系统的元素、元素之间的交互、元素合成的模型及对模型的限制；它并不涉及具体的系统结构，也不关心具体的实现；而实际系统是这种体系结构的一个实例。2）、必须满足系统规格说明定义的所有需求，包括功能性和非功能性需求。在设计时必须考虑系统的动态行为。3）、在设计体系结构时，除必须考虑系统的实时性、系统环境的局限性之外，还必须考虑系统的安全性和可靠性、系统今后的扩展性和伸缩性以及与现存系统的兼容性等。显然，这需要进行综合决策判断。2、 什么是软件体系结构？软件体系结构有哪些作用？(P98,99)答：软件体系结构是包含系统构件、连接件和

27、约束的集合，是反映不同人员需求的集合，也是展示由构件、连接件和约束所定义的系统在实现时如何满足不同人员需求的原理的集合。软件体系结构的作用主要体现在二个方面：一方面，体系结构是一个系统的设计计划；另一方面，体系结构是帮助管理复杂系统的抽象框架。3、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。(p101-103)答：整体结构的特点：1）系统中每个函数有唯一定义好的接口-参数和返回值，函数间调用不受限制。2）软件开发是设计、函数编码/调试、链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。3）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

28、编程，当然也可以不严格划分。4）系统有唯一的主程序入口。层次结构的特点：1）可以在现有抽象层的基础上增加新的抽象层，便于简化复杂问题的设计实现。2）对每层功能、接口的改变，最多影响上下层。3）每层的接口都是抽象的，内部实现不受限制，因此很容易支持软件的重用。客户机/服务器结构的特点：1）将一个软件系统划分为服务器端和客户端两部分。2）服务器端统一存放系统中将使用的各种实现策略、算法和信息；根据客户端的请求完成相应的工作，并将结果信息发还给客户端，也就是提供所谓的服务。3）客户端根据软件功能的实际需要，向服务器端发出请求，要求服务器端选择适当的策略和信息进行处理，接收返还的信息并体现给终端用户。

29、4）一个服务器端可以同时接收多个客户端的请求并完成相应的服务。5、在前后台系统中,前台和后台的交互是如何完成的?答：基本思想：在系统软件结构中，将运行的任务分为前台和后台两类。在后台，一组任务按轮训方式访问CPU；在前台，当有实时任务到达时首先提出中断请求，之后将任务交给后台，按照后台的运行模式工作。7、什么是任务？什么是实时任务？(P110)答:任务是软件设计时抽象出相互作用的程序集合或者软件实体,每个程序执行时称之为任务;一个带有实时性能约束的任务称为实时任务.8、实时多任务系统与前后台系统有哪些差异？()答:前后台系统也称为中断驱动系统,其软件结构的显著特点是运行的任务有前后台之分.前台

30、处理的是中断级别的事务,而后台处理是实时任务.为了有效地支持实时多任务应用,在架构系统时有必要从系统中抽象出一个便于上层应用开发的平台,这就是实时多任务系统.9、 概述实时多任务系统的基本结构，说明各组成部分的功能。(P111)多任务系统是基于层次结构构架的，每一层对其上层而言好像是一个虚拟机（Virtual Machine），下层为上层提供服务，上层利用下层提供的服务。层与层之间定义有良好的接口，上下层之间通过接口进行交互与通信，每层划分为一个或者多个模块。 11、多处理器的结构有哪些不同的拓扑结构？可以对应哪些具体的应用。(P114)答：如下分类：1）总线型：将若干结点通过一条高速总线互连

31、起来形成网络，采用广播方式实现结点间通信。2）星型：每个远程结点通过一条单独的传输总线与中心结点连接，即采用点到点的连接方式，使用网络呈现星型。3）环型：将各结点连接成环形，网络中的信息流是定向的，由一个结点发出的信息，将绕环传输一周后还回原点。4）树型：将一个多级星型网络按层次排列，便形成树型网络。树的根是中央处理器，树的叶是终端计算机。5）阵列型：只有相邻结点互连和互通，多个结点构成一个阵列。6）网络型：各个结点间通过点到点连接，形成不规则的形状，结点之间通常都有多条通道。第五章1、 叙述RTOS特点。RTOS特点有：一、时间约束性，实时系统的任务具有一定的时间约束（截止时间）。根据截止时间，实时系统的实时性分为“硬实时”和“软实时”。二、可预测性，可预测性是指系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足任务的时限要求。三、可靠性，大多数实时系统要求有较高的可靠性。四、与外部环境的交互作用性，实时系统通常运行在一定的环境下，外部环境是实时系统不可缺少的一个组成部分。五、多任务类型，在实时系统中，不但包括周期任务、偶发任务、非周期任务，还包括非实时任务。六、约束的复杂性，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。七