嵌入式系统原理与应用技术

嵌入式系统的定义：一般都认为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。嵌入式系统的特征：（1）通常是面向特定应用的。具有功耗低、体积小和集成度高等特点。（2）硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能满足功能、可靠性和功耗的苛刻要求。（3）实时系统操作支持。（4）嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换代也同步进行。（5）为了提高运行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般固化在存储器芯片中。ARM嵌入式微系统的应用：工业控制、网络系统、成像和安全产品、无线通信、消费类电子产品。ARM嵌入式微处理器的特点：（1）体积小、低功耗、低成本、高性能。（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容8位/16位器件。（3）使用单周期指令，指令简洁规整。（4）大量使用寄存器，大多数数据都在寄存器中完成，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。（5）寻址方式简单灵活，执行效率高。（6）固定长度的指令格式。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户软件构成。2.哈佛体系结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间。3.嵌入式处理器主要有四种嵌入式微处理器（EMPU）、嵌入式微控制器（MCU）、嵌入式数字信号处理器（DSP）、嵌入式片上系统（SoC)4.ARM7采用3级流水线结构，采用冯·诺依曼体系结构；ARM9采用5级流水线结构，采用哈佛体系结构。5.ARM处理器共有37个32bit寄存器，包括31个通用寄存器和6个状态寄存器。6.ARM体系结构可以用2种方法存储字数据，即大端格式和小端格式。7.ARM处理器既支持32位的ARM指令集又支持16位的THCMB指令集。8.ARM处理器有7种工作模式，他们分为两大类特权模式、非特权模式。其中用户模式属于非特权模式。9.ARM处理器的两种工作状态是①ARM状态,此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令。②Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。10.嵌入式系统中，堆栈访问有满递增堆栈FA、满递减堆栈FD、空递增堆栈EA、空递减堆栈ED。11.计算机硬件架构，按照数据和指令是否分开存放可分为冯·诺依曼体系结构、哈佛体系结构，其中冯·诺依曼体系结构结构又称普林斯顿体系结构。12.RISC的含义是精简指令集计算机，而CISC的含义是复杂指令集计算机。13.ARM是AdvancedRISCMachines的缩写。14.IP核含义是知识产权核。15.嵌入式系统开发和调试中需要ICE，ICE的含义是在线仿真器。16.ARM体系结构中，字的长度32位，半字对齐存储的时候是2字节对齐。17.ARM所支持的最大存储器访问空间是232字节4GB18．若ARM的存储器格式配置为(BigEndian)格式，则对于地址0x0000001s中存储的数据4567H在地址左低右高的内存空间的存放结果是(4567)若ARM的存储器格式配置(littleEndian)格式存放结果是(6745)三.简答题1.什么是嵌入式系统？嵌入式系统的特点是什么？嵌入式系统是“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”特点：1）是专用的计算机系统，用于特定的任务2）资源较少，可以裁减；3)功耗低，体积小，集成度高，成本低;4）使用实时操作系统；5)可靠性要求更高，具有系统测试和可靠性评估体系;6）运行环境差异大7）大部分程序固化在ROM中；8)较长的生命周期；9）嵌入式微处理器通常包含专用调试电路2.ARM处理器的指令集分为哪几类？指令的一般格式是什么？分为以下6类：1.数据处理指令2.程序状态寄存器访问指令3.分支指令4.访存指令5.异常产生指令6.协处理器指令一般格式：<Opcode>{<code>}{s}<Rd>,<Rn>,<Operand2>{<；注释>}3.什么是交叉编译环境？为什么嵌入式系统开发多用交叉编译环境交叉编译是指，在某个主机平台上（比如PC上）用交叉编译器编译出可在其他平台上（比如ARM上）运行的代码的过程。完成该过程的环境为交叉编译环境。因为一般的编译工具链需要很大的存储空间，并需要很强的CPU运算能力。通过交叉编译工具，我们就可以在CPU能力很强、存储控件足够的主机平台上（比如PC上）编译出针对其他平台的可执行程序。4.简述ARM体系结构的特征？ARM嵌入式微处理器主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等系列。ARM7优化了低价位和低功耗的32位核，带有：嵌入式ICE-RT逻辑；三级流水线（取指、译码、执行）和冯•诺依曼体系结构，提供0.9MIPS/MHz。ARM9系列提供了高性能和低功耗的硬宏单元，带有：五级流水线（取指、译码、执行、访存（缓冲／数据）、回写）；哈佛体系结构，提供1.1MIPS/MHz。ARM9E系列是一种可综合处理器，带有DSP扩充和紧耦合存储器（TCM）接口，使存储器以完全的处理器速度运行，可直接连接到内核上。ARM10系列带有：64位AHB指令和数据接口；六级流水线；1.25MIPS/MHz；与同等的ARM9器件相比，其性能提高50%。5.什么是Bootloader？其主要功能是什么？答：Bootloader是系统加电后、操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段程序代码。通过这段程序,为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境。主要功能：1、硬件设备初始化；2、建立内存空间的映射；3、系统的下载或调试测试等6.搭建嵌入式开发环境，连接目标版，一般使用什么通信接口连接？在Windows主机上使用什么软件建立连接？在Linux主机上使用什么软件建立连接？串口连接，网络连接，JTAG口连接。超级终端。Minicom7.简述ARM处理器的7运行模式？用户模式(usr)：ARM处理器正常执行程序时的处理。快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输和通道处理。外部中断模式(irq)：用于通用的中断处理。管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式。指令数据访问终端模式(abt)：当数据或指令预期终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务时的模式。未定义指令模式(und)：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ARM系统处理器arm7Tdmi中的tdmi四个字母的含义是什么？T-支持16位Thumb指令集D-支持片上Debug，允许处理器响应调试请求暂停M-支持增强型乘法器，可生成全64位的结果I-嵌入式ICE部件,提供片上断点和调试点的支持ARMLinux嵌入式系统移植的步骤？1.开发环境的搭建2.系统引导：bootloader3.内核引导:内核的定制4．设备驱动程序5.文件系统10.嵌入式系统的交叉开发环境的作用是什么？交叉环境是在一个平台上生成在另一个平台上运行的代码；作用：由于嵌入式系统资源与速度的限制，通常选用装有linux操作系统的PC机作为开发系统的主机，利用交叉编译，生成在目标板上运行的二进制代码，然后通过NFS或其它方式下载到目标板运行。一般Bootloader的工作分为哪两个阶段？各个阶段的作用是什么？就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立