嵌入式系统设计原理及应用复习题答案自制版(电子科大)

考试题型：填空题、选择题、简答题、计算题、设计题考试方式：开卷第0章绪论l、什么是数字系统设计技术？在解决了对不同目标信息的数字化编码、数字化传输、数字化解码的基本理论、算法定义和协议规范之后，对其如何进行系统的构成，如何以最优化的性能（如速度）、最低廉的成本（如芯片而积、集成密度等）来实现该系统的技术。2、什么是集成电路IC?集成电路(IC)是指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、电阻、电容等器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单品片（如Si或GaAs）或陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体完成某一特定功能的电路组件3、什么是集成电路IP?集成电路IP是经过预先设计、预先验证，符合产业界普片认同的设计规范和设计标准，具有相对独立功能的电路模块或予系统。其具有知识含量高、占用芯片而积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，可以复用(Reuse)于SOC、SOPC或复杂ASIC设计中。4、什么是sOc?SOC，即嵌入式系统发展的最高形式—一片上系统。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，SOC是一个微小型系统，5、光刻的基本原理。光刻是以某种波长的光为曝光光源，透过掩模版（由不透光的图形组成），照射在涂有光刻胶（光致抗蚀剂）的被加工材料表面上，利用光刻胶的感光性和抗蚀性，经过化学显影，制作出与掩模版图形一致的光刻胶图形。光刻是复制微细图形的最有效手段之一，是芯片制作的核心技术。掩模版是一种玻璃板，加了一个反射金属层。光刻胶是一种光敏组织聚合物，性质与胶卷类似，光能改变它的化学性质。第1章嵌入式系统基础知识4、嵌入式系统的定义和特点是什么？分别从技术角度和系统角度给出嵌入式系统的定义技术角度：以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在—起的系统系统角度：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统嵌入式系统的特点是什么？从三要素说：嵌入式：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性：软、硬件按对象要求裁减计算机系统：实现对象的智能化功能功耗限制、低成本、多速率、环境相关性、系统内核小、专用性强、不可垄断性、产品相对稳定性具有实时性课件上的表达：(1)专用性：与具体应用紧密结合，按照特定的应用需求进行设计，完成预定的任务。(2)隐敝性：通常是宿主设备的一个部分，隐藏在其内部，不为人知。(3)资源受限：要求小型化、轻量化、低功耗及低成本，对系统的配置及软件开发有着苛刻的要求。(4)高可靠性：大多面向控制应用，系统的可靠性十分重要。(5)实时性：在一个可预测和有保证的时间段内对外部事件作出正确的反应。(6)软件固化：软件固化在只读存储器中，用户通常不能随意。5、什么是软件？一般包括几个部分？软件产品的特性是什么？软件(software)是计算机系统中与硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相关数据(data)及其说明文档(document)。其中：程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。软件是一种逻辑实体，具有抽象性。软件没有明显的制造过程。软件在使用过程中，没有磨损、老化的问题。软件对硬件和环境有着不同程度的依赖性。这导致了软件移植的问题。软件的开发至今尚未完全摆脱手工作坊式的开发方式，生产效率低。软件是复杂的，而且以后会更加复杂。软件的成本相当昂贵。软件工作牵涉到很多社会因素。6、嵌入式系统的一般分为哪几层？每层的具体作用是什么？应用层——》操作系统层——》驱动层——》硬件驱动层驱动层是直接与硬件打交道的一层，它对操作系统和应用提供所需的驱动的支持。该层主要包括三种种类型的程序。操作系统层操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。应用层应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成每个应用任务完成特定的工作，如I/O任务、计算的任务、通信任务等，由操作系统调度各个任务的运行。处理器模式说明备注用户(usr)正常程序执行模式不能直接切换到其它模式系统(sys)运行操作系统的特权任务与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权快中断(fiq)支持高速数据传输及通道处理FIQ异常响应时进入此模式中断(irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式管理(svc)操作系统保护模式系统复位和软件中断响应时进入此模式中止(abt)用于支持虚拟内存和/或存储器保护在ARM7TDMI没有大用处未定义(und)支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响应时进入此模式ARM状态：此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令Thumb状态：此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令21、ARM处理器的8种基本寻址方式及应用实例。1．寄存器寻址；2．立即寻址；3．寄存器移位寻址；4．寄存器间接寻址；5．基址寻址；6．多寄存器寻址；7．堆栈寻址：8．块拷贝寻址；22、总线的主要参数：总线宽度、总线频率、总线带宽。它们之间的关系是什么?总线宽度，又称总线位宽，指的是总线能同时传送数据的位数。总线频率，总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。通常用MHZ表示。总线带宽，又称总线的数据传送率，是指在一定时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传送数据量来衡量。总线带宽越宽，传输率越高。关系：总线带宽（单位：MB／s）=（总线宽度/8）×总线频率23、I/O端口的编址方式有哪些？ARM处理器使用的哪一种？存储器映射编址：I/O端口的地址与内存地址统一编址，即I/O单元与内存单元在同一地址空间I/O映射编址：I/O端口与内存单元分开编址，即I/O单元与内存单元都有自己独立的地址空间ARM选用的是：存储器映射编址24、ARM9TDMI中的T、D、M、I的含义是什么？T：16位宽度的压缩指令集(Thumb)D:支持在片调试(Debug)，允许处理器响应调试请求暂停M;具有增强型乘法器，可生成64位的结果I：嵌入式ICE部件，可提供片上断点和调试点的支持第3章嵌入式硬件系统设计25、最小硬件系统主要包括哪些部分？最小硬件系统通常是指以嵌入式处理器为核心，包含电源、时钟和复位等保障处理器正常工作的基本硬件电路。26、锁相环的主要用途是什么？画出其简要原理框图，并阐述其基本原理。结合课件例子能够简单编程实现利用PLL倍频，得到系统运行时钟。（掌握通过寄存器编程，实现硬件功能的方法）锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面：第一信号的调制和解调；第二信号的调频和解调；第三信号频率合成电路。鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两个信号相位差的函数。环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。27、典型计算机的存储层次是什么？存储系统面临的两个主要问题是什么？存储系统面临的两个问题：（1）微处理器主时钟频率的提高比存储器速度的提高要快，以至于目前用作主存储器的存储芯片速度比微处理器的速度要低许多；（2）在嵌入式系统硬件设计时，有时所设计的存储容量并不能满足程序所需的全部存储容量要求，即需要在一个相对较小的物理存储空间中提供相对较大的虚拟存储空间。28、NandFlash和NorFlash的区别？SRAM和SDRAM的区别？①（1）性能比较NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术NOR的读速度比NAND稍快一些NAND的写入速度比NOR快很多NAND的擦除速度远比NOR的快大多数写入操作需要先进行擦除操作NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少（2）接口差别NORFLASH带有SRAM接口，线性寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节NANDFLASH使用复用接口和控制IO多次寻址存取数据（3）容量和成本NANDFLASH生产过程更为简单，成本低常见的NORFLASH为128KB～16MB，而NANDFLASH通常有8～128MB（4）可靠性和耐用性在NAND中每块的最大擦写次数是100万次，而NOR的擦写次数是10万次位交换的问题NANDFLASH中更突出，需要ECC纠错NANDFLASH中坏块随机分布，需要通过软件标定——产品量产的问题②SRAM读写速度比SDRAM读写速度快；SRAM比SDRAM功耗大；SDRAM的集成度可以做得更大，则其存储容量更大；SDRAM需要周期性地刷新，而SRAM不需要。29、SDRAM的寻址方式是什么？NandFlash的寻址方式是什么？30、什么是CACHE？为什么要引入CACHE？CACHE的工作原理。（提示：理解例1）Cache是一种小容量的高速缓冲存储器。高速缓冲存储器Cache是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在Cache中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用数据时，就可避开内存直接从Cache中调用，从而加快读取速度。由此可见，在CPU中加入Cache是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（Cache+内存）就变成了既有Cache的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。一般Cache采用高速的SRAM制作，其价格比主存贵，但因其容量远小于主存，因此能很好地解决速度和成本的矛盾。在Cache存储系统中，把Cache和主存划分为相同大小的块。主存地址可以使用块号(B)和块内地址(W)两部分组成。同样Cache的地址也可以使用块号(B)和块内地址(W)两部分组成。命中：当CPU访问存储器时，通过存储器地址变换部件把地址变换成cache的块号和块内地址，如果变换成功（称为cache命中），就用得到的cache地址访问cache，从cache中取数；如果变换失败，则产生cache失效信息，并用主存储器的地址访问主存储器，同时将包含被访问字在内的一整块都从主存储器读出来，装入到cache中，但如果这时cache已满，需要采用适当的替换算法来更新cache。设cache的存取时间为tc，命中率为h，主存的存取时间为tm，则平均存取时间：ta=tc×h+(tc+tm)×(1-h)。【例1】某微机存储器系统由一级cache和主存组成。已知主存的存取时间为80ns，cache的存取时间为6ns，cache的命中率为85%，试求该存储系统的平均存取时间。ta=6ns×85%+(6ns+80ns)×(1-85%)=18nscache的命中率与cache的大小、替换算法、程序特性等因素有关。cache未命中时CPU还需要访问主存，这时反而延长了存取时间。31、什么是虚拟内存技术？为什么要引入虚拟内存技术？所谓虚拟存储机制，指的是把多个存储介质模块通过一定的手段集中管理。即利用一个存储池（StoragePool）将所有存储介质模块统一管理，因而从系统角度看到的就不是多个存储介质模块，而是一个被分区或者分卷的超大容量的存储系统。这种将多个存储介质模块统一管理起来，为使用者提供大容量、高数据传输性能的存储系统的技术，就称为虚拟存储技术。32、存储管理单元MMU的作用是什么？为什么引入快表？MMU是MemoryManagementUnit的缩写，中文名是内存管理单元，它是CPU中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责将虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权。快表是一个高速、具有并行查询能力的联想存储器，用于存放正运行的进程的当前页号和块号，或者段号和段起始地址。加入快表后,在地址转换时，首先在快表中查找，若找到就直接进行地址转换；未找到，则在主存页表继续查找，并把查到的页号和块号放入快表中。快表的命中率很高，有效地提高了地址转换的速度。一页式系统，其页表存放在主存中：（提示：理解课件例2）有一页式系统，其页表存放在主存中：（1）如果对主存的一次存取需要2.5μs，试问实现一次页面访问的存取时间是多少？（2）如果系统加有快表，平均命中率为80%，当页表项在快表中时，其查找时间为0.05μs，（1）页表在主存，两次访问内存：先访问页表，找到线性地址对应的物理地址，再利用这物理地址访问实际的内存页面，故共用2*2.5us=5us（2）如果有快表，那就可以分为命中和未命中两种情况：命中查询快表+访问内存未命中查询快表+查询页表+访问内存因而此时的存取时间为：0.8*（0.05μs+2.5μs）+（1-0.8）*（0.05μs+2.5μs*2）=3.05μs33、设计接口电路的必要性是什么？I/O接口设计的重点又是什么？I/O接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。设计接口电路的必要性：a)解决CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。b)解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。c)解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题。I/O接口设计的重点：设计I/O接口逻辑以及开发其驱动程序。34、一个典型的I/O接口逻辑内部通常具有哪几种类型的寄存器？其各自的作用是什么？（会对I/O接口进行简单编程操作，提示：理解课件例3）例3：使用S3C2440A的端口G的第4～7引脚驱动四个LED，并点亮GPG4引脚的LED寄存器GPGDAT和GPGUP宽度均为16位，各引脚按其编号与相应的寄存器位对应。GPGDAT中存放的即为需要输出的数据，根据硬件电路连接图可知，要将第4引脚LED点亮，则对应的引脚应输出低电平，所以寄存器GPGDAT中的[7:4]位应设置为二进制值1110。本例中端口为输出功能，因此寄存器GPGUP中对应各位均设置为1，将上拉电阻断开。GPGCON EQU 0x56000060GPGDAT EQU 0x56000064GPUP EQU 0x56000068；配置GPGCON寄存器，设置相关引脚为输出功能配置GPGUP寄存器，断开各上拉电阻 LDR R0,=GPGCONLDR R0,=GPGUP LDR R1,[R0]LDR R1,[R0] BIC R1,R1,#0x0000FF00ORR R1,R1,#0x00F0 ORR R1,R1,#0x00005500STR R1,[R0] STR R1,[R0]；输出驱动数据，点亮GPG4引脚对应的LED LDR R2,=GPGDAT LDR R3,[R2] ORR R3,R3,#0x00F0 BIC R3,R3,#0x0010 STR R3,[R2]35、常见的触摸屏分为哪几类？其各自的原理是什么？电阻式触摸屏电容式触摸屏红外式触摸屏表面声波触摸屏36、OSI结构模型具体由哪几层组成，其各层的作用分别是什么？TCP/IP模型的具体由哪几层组成，其各层的作用分别是什么？（1）物理层。规定了网络设备间最底层的接口特性，包括物理连接的机械特性（即接插件的大小、形状等）、电气特性（即代表逻辑“1”和逻辑“0”的电参数）、电子部件和物理部件的基本功能以及位交换的基本过程。（2）数据链路层。主要作用是控制信息在单一链路中传输的差错，通常包括传输信息的校验、总线错误检测等。（3）网络层。定义了基本的端到端数据传输服务，网络层在多数据链路存储转发网络中特别重要。（4）传输层。定义了面向连接的服务，它可以保证数据按一定的顺序、无差错地在多条链路上传送。（5）会话层。提供了一种控制网络上终端用户交互的机制，例如数据分组和检测点。（6）表示层。规定了数据交换的格式，并且为应用程序提供有效的转换工具。（7）应用层。提供了终端用户程序和网络之间的一个应用程序接口。37、网卡的主要功能主要是什么？理解数据封装和解封装的过程。理解和熟悉差分曼切斯特编解码。①数据的封装与解封。发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接受时将以太网的帧剥去首部与尾部，然后送交上一层。 ②链路管理，主要是CSMA/CD协议的实现。③编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。现在我们要讲的就是差分曼彻斯特编码：在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑"0"；在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑"1"；如右图a)NRZ(不归零码)b)曼彻斯特码c)差分曼彻斯特码38、简要介绍RS232标准和RS485标准？结合课件深入理解如何对S3C2440的UART0进行编程操作。（提示：理解课件例5）例5：UART0采用查询方式进行数据通信，要求使用8位数据位，1位停止位，奇校验，传输速率115200bps，不使用FIFO，关闭流控制，处理器外设时钟PCLK=66.68MHz。步骤1：接口初始化设置帧格式、时钟来源、收发模式、中断配置、FIFO的使用、波特率计算等步骤2：数据传递可选择使用查询方式或中断方式传递图片放置遵循从上到下，从左到右的顺序第4章嵌入式Linux操作系统39、操作系统的主要功能是什么？操作系统抽象了一个实际的硬件系统，使用户程序运行在一个虚拟的硬件上。（1）存储器管理（2）进程管理（3）设备驱动（4）文件系统40、实时操作系统的特点？评价嵌入式实时操作系统的主要指标是什么？一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十K内)、可固化使用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点。主要有三个指标来衡量系统的性能：响应时间(ResponseTime)生存时间(SurvivalTime)吞吐量(Throughput)41、目前流行的嵌入式操作系统的体系结构有哪三种？目前操作系统的体系结构可分为：单块结构、客户/服务器（微内核）结构和层次结构。42、Linux操作系统的内核主要由哪几个子系统组成，简要说明其各子系统的作用。uClinux，RTLinux各自的特点和适用场合是什么？1.进程调度进程调度模块负责控制进程对CPU资源的使用。所采取的调度策略是使得各个进程能够公平合理地访问CPU，同时保证内核能及时地执行硬件操作。2.内存管理内存管理模块用于确保所有进程能够安全地共享主存储区域。3.文件系统文件系统模块用于支持对外部设备的驱动和操作。虚拟文件系统模块通过向所有的外部存储设备提供一个通用的文件接口，隐藏了各种硬件设备的不同细节，从而提供并支持与其他操作系统兼容的多种文件系统格式。4.网络接口网络接口提供了对各种网络标准的存取和对各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议。网络设备驱动程序负责与硬件设备通信，每一种可能的硬件通信设备都有相应的设备驱动程序。5.进程间通信支持进程之间各种通信机制。其通信机制主要包括信号、文件锁、管道、等待队列、信号量、消息队列、共享内存和套接字等。uClinux是嵌入式Linux操作系统的一个重要分支它继承了Linux的优秀性能，是专门针对无MMU的处理器设计的嵌入式操作系统RTLinux（AReal-TimeLinux,亦称作实时Linux）是Linux中的一种硬实时操作系统。RT-Linux开发者并没有针对实时操作系统的特性而重写Linux的内核将linux的内核代码做一些修改，将linux本身的任务以及linux内核本身作为一个优先级很低的任务，而实时任务作为优先级最高的任务。即在实时任务存在的情况下运行实时任务，否则才运行linux本身的任务。适用场合：uClinux：1、目标处理器没有存储管理单元MMU2、对实时性要求不高的低端平台RTLinux：1、需要运用Linux的各种服务2、对实时性要求较高的场合43、Linux内核的双树系统。Linux内核采用的是双树系统一棵是稳定树，主要用于发行另一棵是非稳定树或称为开发树，用于产品开发和改进Linux内核版本号由3位数字组成如Linux内核1.1.0相对于1.0.0来说是“不稳定”版本。在Linux内核开发过程中，“不稳定”版本通常是在原有版本基础上增加了新的功能或者新的特性。44、理解任务调度的基本原理。调度用来确定多任务环境下任务执行的顺序和在获得CPU资源后能够执行的时间长度。操作系统通过一个调度程序来实现调度功能。调度程序以函数的形式存在，用来实现操作系统的调度算法。调度程序本身并不是一个任务，是一个函数调用，可在内核的各个部分进行调用。45、在操作系统中，I/O管理采用层次结构的思想。从上到下一般分为几层？各层的主要作用是什么？（1）API层设备管理层驱动逻辑层硬件抽象层设备层（2）体系结构1.硬件抽象层是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一层抽象，实现基本的IO操作。所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不是设备的管理逻辑。每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件抽象层是对这些端口（设备）操作的基本抽象，为驱动程序管理这些设备提供接口。上层驱动程序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就可以操作这些设备。2.驱动逻辑层存放系统中的所有驱动程序实现设备的管理逻辑通过硬件抽象层来管理设备每个驱动程序管理一类设备，例如所有串口都由串口驱动程序来管理，所有中断控制器都由中断控制器驱动程序管理。检测设备和初始化设备使设备投入运行和退出服务从设备接收数据并提交给内核从内核接收数据送到设备检测和处理设备错误3.设备管理层管理系统中的设备，并向上提高统一的接口。设备管理层不直接操作设备，它只能通过驱动程序来间接操作设备。4.API层用于对设备管理层提供的驱动结构进行进一步的包装，以方便应用程序使用。46、Linux系统的设备分为哪几类？各自的特点。Linux系统的设备分为如下三类：字符设备(chardevice)块设备(blockdevice)网络设备(networkdevice)字符设备是指存取时没有缓存的设备块设备的读写都有缓存来支持，且块设备必须能够随机存取(randomaccess)网络设备在Linux里做专门的处理47、简述Linux驱动程序开发流程。（1）查看原理图、数据手册，了解设备的操作方法。（2）在内核中找到相近的驱动程序，以它为模板进行开发。（3）实现驱动程序的初始化：比如向内核注册这个驱动程序，这样应用程序传入文件名时，内核才能找到相应的驱动程序。（4）设计所要实现的操作，比如open、close、read、write等函数。（5）实现中断服务（不是每个设备驱动所必须的）（6）编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载。（7）测试驱动程序。48、什么是进程？进程的特征有哪些？进程与程序的关系是什么？进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源，是一个动态的概念，是一个活动的实体。它不只是程序的代码，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。③进程的特征（1）动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。（2）并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行（3）独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；（4）异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进（5）结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。③1）程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念。（2）程序可以作为一种软件资料