嵌入式系统硬件架构设计试题

综合试卷第=PAGE1*2-11页（共=NUMPAGES1*22页） 综合试卷第=PAGE1*22页（共=NUMPAGES1*22页）PAGE①姓名所在地区姓名所在地区身份证号密封线1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和所在地区名称。2.请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写您的答案。3.不要在试卷上乱涂乱画，不要在标封区内填写无关内容。一、选择题1.嵌入式系统的核心处理器类型主要包括：

（1）ARM处理器

（2）MIPS处理器

（3）DSP处理器

（4）x处理器

2.嵌入式系统中的存储器类型包括：

（1）SRAM

（2）DRAM

（3）ROM

（4）EEPROM

3.嵌入式系统中的外设接口包括：

（1）USB接口

（2）PCI接口

（3）SPI接口

（4）I2C接口

4.嵌入式系统的电源管理方式有：

（1）电池供电

（2）AC/DC适配器供电

（3）太阳能供电

（4）无线供电

5.嵌入式系统中的通信协议包括：

（1）TCP/IP协议

（2）USB协议

（3）CAN总线协议

（4）蓝牙协议

答案及解题思路：

1.答案：（1）ARM处理器、（2）MIPS处理器、（3）DSP处理器、（4）x处理器

解题思路：嵌入式系统的核心处理器类型多种多样，其中ARM处理器因其高功能和低功耗而广泛应用于移动设备和嵌入式系统；MIPS处理器在嵌入式系统领域也有广泛应用；DSP处理器专注于数字信号处理，适用于需要高功能计算的应用；x处理器虽然在个人电脑领域占据主导地位，但也在一些嵌入式系统中使用。

2.答案：（1）SRAM、（2）DRAM、（3）ROM、（4）EEPROM

解题思路：嵌入式系统中的存储器类型分为易失性存储器（SRAM、DRAM）和非易失性存储器（ROM、EEPROM）。SRAM和DRAM用于缓存和主存储，EEPROM则用于存储程序代码和数据，可以在断电后保留信息。

3.答案：（1）USB接口、（3）SPI接口、（4）I2C接口

解题思路：USB接口因其通用性和高速传输而广泛应用于嵌入式系统；SPI和I2C接口则因其低功耗和简单性在小型嵌入式系统中常用。PCI接口主要用于个人电脑中，不常用于嵌入式系统。

4.答案：（1）电池供电、（2）AC/DC适配器供电、（3）太阳能供电

解题思路：嵌入式系统的电源管理方式多样，电池供电适用于便携式设备；AC/DC适配器供电适用于固定安装的设备；太阳能供电适用于户外或能源受限的环境。

5.答案：（1）TCP/IP协议、（2）USB协议、（3）CAN总线协议、（4）蓝牙协议

解题思路：TCP/IP协议是互联网的基础协议，广泛应用于网络通信；USB协议用于设备之间的数据传输；CAN总线协议用于汽车等工业领域的通信；蓝牙协议用于短距离无线通信。二、填空题1.嵌入式系统硬件架构设计中，微控制器通常包括CPU、（存储器）、（外设接口）、（定时器/计数器）等核心模块。

2.嵌入式系统中的存储器层次结构包括（寄存器）、（片上存储器）、（片外存储器）、（缓存）等层次。

3.嵌入式系统中的中断处理通常包括（中断请求）、（中断优先级管理）、（中断服务程序）、（中断恢复）等步骤。

4.嵌入式系统中的定时器通常用于实现（系统时钟）、（定时任务）、（实时时钟）、（PWM控制）等功能。

5.嵌入式系统中的串口通信协议包括（UART）、（SPI）、（I2C）、（CAN）等常见协议。

答案及解题思路：

1.答案：存储器、外设接口、定时器/计数器

解题思路：微控制器（MCU）是嵌入式系统的核心，除了CPU，它还需要存储器来存储程序和数据，外设接口与外部设备进行通信，定时器/计数器用于实现定时功能。

2.答案：寄存器、片上存储器、片外存储器、缓存

解题思路：存储器层次结构从高速到低速分为寄存器、片上存储器（SRAM）、片外存储器（如SDRAM、NANDFlash）和缓存（如L1、L2缓存），以提高数据访问效率。

3.答案：中断请求、中断优先级管理、中断服务程序、中断恢复

解题思路：中断处理是嵌入式系统处理外部事件或内部错误的重要机制，包括请求中断、管理中断优先级、执行中断服务程序以及恢复中断前的状态。

4.答案：系统时钟、定时任务、实时时钟、PWM控制

解题思路：定时器在嵌入式系统中用于提供精确的时间控制，包括系统时钟同步、定时任务调度、实时时钟记录当前时间以及通过PWM控制模拟输出。

5.答案：UART、SPI、I2C、CAN

解题思路：串口通信协议是嵌入式系统中实现串行通信的标准，UART、SPI、I2C和CAN是常见的串口通信协议，分别适用于不同的通信需求和环境。三、判断题1.嵌入式系统的核心处理器类型ARM处理器。（×）

2.嵌入式系统中的SRAM和DRAM都可以用于存储程序代码。（×）

3.嵌入式系统中的中断处理可以通过软件编程实现。（√）

4.嵌入式系统中的定时器可以用于测量时间间隔。（√）

5.嵌入式系统中的串口通信协议USB协议。（×）

答案及解题思路：

答案：

1.×

2.×

3.√

4.√

5.×

解题思路：

1.嵌入式系统的核心处理器类型ARM处理器。

解答：错误。嵌入式系统的核心处理器类型不仅限于ARM处理器，还有如MIPS、PowerPC、AVR等多种处理器类型。

2.嵌入式系统中的SRAM和DRAM都可以用于存储程序代码。

解答：错误。SRAM（静态随机存取存储器）主要用于缓存，而DRAM（动态随机存取存储器）用于主存储器，通常不用于存储程序代码。

3.嵌入式系统中的中断处理可以通过软件编程实现。

解答：正确。中断处理既可以通过硬件实现，也可以通过软件编程实现，这在嵌入式系统设计中是很常见的。

4.嵌入式系统中的定时器可以用于测量时间间隔。

解答：正确。定时器是嵌入式系统中常用的硬件模块，可以用来精确测量时间间隔，对于许多嵌入式应用都是必要的。

5.嵌入式系统中的串口通信协议USB协议。

解答：错误。嵌入式系统中的串口通信协议不仅限于USB协议，还有串行通信协议（如UART、SPI、I2C等），这些都是常用的串口通信协议。

：四、简答题1.简述嵌入式系统硬件架构设计的步骤。

设计需求分析

硬件选型与设计

硬件系统设计

硬件验证与测试

硬件优化与改进

2.简述嵌入式系统中的存储器层次结构及其特点。

层次结构：缓存（Cache）、主存储器（RAM）、辅助存储器（硬盘、SSD）、固件存储器（Flash、EEPROM）

特点：层次越低，访问速度越慢，容量越大；层次越高，访问速度越快，容量越小；高速缓存用于减少对主存储器的访问，提高系统功能。

3.简述嵌入式系统中的中断处理过程。

中断请求：硬件设备通过中断引脚向CPU发送中断请求信号。

中断响应：CPU接收到中断请求后，暂停当前执行任务，响应中断。

中断服务程序：CPU跳转到中断服务程序的入口地址，执行相应的处理逻辑。

中断返回：处理完成后，返回中断点继续执行之前暂停的任务。

4.简述嵌入式系统中的定时器应用。

定时器周期性产生中断，用于定时任务执行。

实现实时时钟（RTC）功能，记录系统运行时间。

测量时间间隔，用于系统状态监测和功能优化。

控制系统周期性执行任务，如数据采集、控制输出等。

5.简述嵌入式系统中的串口通信协议及其应用场景。

协议：UART、SPI、I2C、CAN等。

应用场景：设备之间的通信，如蓝牙、WiFi、USB等；嵌入式设备与PC之间的数据传输；工业控制领域的数据采集与处理。

答案及解题思路：

1.嵌入式系统硬件架构设计的步骤：

设计需求分析：明确嵌入式系统应用场景和功能要求，为后续设计提供依据。

硬件选型与设计：根据需求选择合适的处理器、存储器、接口等硬件模块，并进行电路设计。

硬件系统设计：设计硬件电路，包括电源、时钟、复位、信号处理等模块。

硬件验证与测试：对设计好的硬件进行功能测试和功能测试，保证其满足设计要求。

硬件优化与改进：根据测试结果对硬件进行优化和改进，提高系统功能。

2.嵌入式系统中的存储器层次结构及其特点：

缓存：提高CPU访问速度，减少对主存储器的访问。

主存储器：提供较大的存储空间，用于存储程序和数据。

辅助存储器：提供大容量存储空间，用于数据备份和存储。

固件存储器：存储系统固件程序，如Bootloader、驱动程序等。

3.嵌入式系统中的中断处理过程：

中断请求：硬件设备通过中断引脚向CPU发送中断请求信号。

中断响应：CPU接收到中断请求后，暂停当前执行任务，响应中断。

中断服务程序：执行相应的处理逻辑，如读取数据、处理异常等。

中断返回：处理完成后，返回中断点继续执行之前暂停的任务。

4.嵌入式系统中的定时器应用：

定时器周期性产生中断，用于定时任务执行。

实现实时时钟（RTC）功能，记录系统运行时间。

测量时间间隔，用于系统状态监测和功能优化。

控制系统周期性执行任务，如数据采集、控制输出等。

5.嵌入式系统中的串口通信协议及其应用场景：

UART：用于设备之间的串行通信，支持全双工和半双工模式。

SPI：高速、全双工、同步串行通信，用于数据传输。

I2C：低速、双向、多主设备通信，用于传感器、存储器等设备通信。

CAN：用于汽车、工业控制等领域，支持多个节点之间的通信。五、计算题1.假设嵌入式系统中的主频为1GHz，CPU的时钟周期为1ns，请计算CPU在一个指令周期内可以执行多少条指令。

计算过程：

主频为1GHz，即每秒有1,000,000,000个时钟周期。

每个时钟周期CPU可以执行一条指令。

因此，1GHz主频的CPU在一个指令周期内可以执行1,000,000,000条指令。

2.嵌入式系统中的存储器容量为1GB，假设存储器带宽为1GB/s，请计算存储器读写一次数据所需的时间。

计算过程：

存储器容量为1GB，即1GB/s带宽下，每秒可以读写1GB数据。

1GB=1,073,741,824字节。

每秒可以读写1,073,741,824字节，所以读写一次数据所需的时间为1秒。

3.嵌入式系统中的定时器频率为1kHz，请计算定时器溢出时间。

计算过程：

定时器频率为1kHz，即每秒产生1,000次溢出。

每次溢出代表定时器计数从某个值回绕到0。

定时器溢出时间等于定时器计数从最大值到回绕到0的时间。

如果定时器最大值为65535（16位定时器），则溢出时间为65535个时钟周期。

每个时钟周期为1ms（1kHz），因此溢出时间为65535ms。

4.嵌入式系统中的USB接口传输速率为480Mbps，假设传输数据长度为10MB，请计算传输所需时间。

计算过程：

USB接口传输速率为480Mbps，即每秒可以传输480,000,000比特。

10MB=1010241024字节=10102410248比特。

每秒传输比特数为480,000,000比特，传输10MB数据所需时间为：

(10102410248比特)/480,000,000比特/秒=16.6667秒，约为16.67秒。

5.嵌入式系统中的CAN总线通信速率设置为1Mbps，请计算传输1000个字节所需时间。

计算过程：

CAN总线通信速率为1Mbps，即每秒可以传输1,000,000比特。

1000个字节=10008比特。

每秒传输比特数为1,000,000比特，传输1000个字节所需时间为：

(10008比特)/1,000,000比特/秒=8秒。

答案及解题思路：

1.CPU在一个指令周期内可以执行1,000,000,000条指令。

解题思路：利用主频（每秒时钟周期数）计算每个时钟周期内可以执行的指令数。

2.存储器读写一次数据所需时间为1秒。

解题思路：利用存储器带宽（每秒传输数据量）除以需要传输的数据量得到所需时间。

3.定时器溢出时间为65535ms。

解题思路：定时器频率和定时器最大值结合计算溢出时间。

4.传输所需时间为16.67秒。

解题思路：利用USB接口传输速率除以传输数据量得到所需时间。

5.传输1000个字节所需时间为8秒。

解题思路：利用CAN总线通信速率除以传输数据量得到所需时间。六、分析题1.分析嵌入式系统硬件架构设计中，如何优化系统功能。

硬件架构优化策略：

使用高功能的处理器，如采用多核处理器或专用处理器。

采用低功耗设计，如使用CMOS工艺，优化电路设计以减少能耗。

使用高速缓存技术，如一级缓存（L1Cache）和二级缓存（L2Cache）来减少访问主存的延迟。

优化总线结构，如使用高速的总线标准，如PCIe或USB3.0。

使用并行处理技术，如多线程或多任务处理。

优化硬件资源分配，如合理分配内存和I/O资源。

2.分析嵌入式系统中的存储器层次结构对系统功能的影响。

存储器层次结构对功能的影响：

存储器层次结构包括寄存器、缓存、主存和外存。

缓存设计对系统功能有显著影响，合理的缓存大小和策略可以显著减少访问延迟。

主存速度和容量直接影响到系统的数据处理能力。

外存容量大但速度慢，合理设计外存与主存之间的数据交换机制对功能。

优化存储器层次结构可以减少数据访问延迟，提高系统整体功能。

3.分析嵌入式系统中的中断处理对系统实时性的影响。

中断处理对实时性的影响：

中断处理是嵌入式系统实时性保证的关键技术。

优化中断处理机制，如减少中断嵌套层次，可以降低中断响应时间。

使用中断优先级来保证高优先级任务能够及时响应。

优化中断服务程序（ISR）的设计，减少ISR的执行时间。

使用实时操作系统（RTOS）来管理中断和任务调度，保证实时性。

4.分析嵌入式系统中的定时器在系统中的应用。

定时器在系统中的应用：

定时器用于实现精确的时间控制，如定时任务调度、周期性事件处理等。

在实时系统中，定时器用于保证任务按时执行，保证系统实时性。

定时器在系统监控和自检中也有重要作用，如监控设备状态、检测故障等。

在人机交互系统中，定时器用于实现响应时间的限制，如超时处理。

5.分析嵌入式系统中的串口通信协议对系统通信的影响。

串口通信协议对系统通信的影响：

串口通信协议如UART、SPI、I2C等对系统通信的可靠性、速度和效率有重要影响。

选择合适的串口通信协议可以减少通信错误，提高数据传输效率。

优化串口通信协议的参数设置，如波特率、数据位、停止位和校验位，可以改善通信质量。

在多任务环境中，合理管理串口资源，避免资源冲突，对系统通信稳定性。

答案及解题思路：

1.答案：

采用高功能处理器，优化缓存设计，使用高速总线，并行处理技术，合理分配硬件资源等。

解题思路：

分析嵌入式系统功能瓶颈，结合硬件资源特点，提出优化方案。

2.答案：

缓存大小和策略，主存速度和容量，外存与主存交换机制。

解题思路：

分析存储器层次结构对功能的影响，提出优化存储器层次结构的策略。

3.答案：

减少中断嵌套层次，使用中断优先级，优化ISR设计，使用RTOS管理等。

解题思路：

分析中断处理对实时性的影响，提出提高中断处理效率的方法。

4.答案：

实现精确时间控制，保证任务按时执行，系统监控和自检。

解题思路：

分析定时器在系统中的应用场景，阐述定时器的作用。

5.答案：

选择合适的串口通信协议，优化通信协议参数，合理管理串口资源。

解题思路：

分析串口通信协议对系统通信的影响，提出优化通信协议的方法。七、设计题1.设计一个基于ARM处理器的嵌入式系统硬件架构。

题目描述：

设计一个基于ARM处理器的嵌入式系统硬件架构，包括处理器核心、内存、外设接口（如GPIO、UART、I2C、SPI等）以及电源管理单元。要求阐述各个组件的功能和相互连接方式。

答案：

1.处理器核心：选择ARMCortexM系列处理器，如CortexM4。

2.内存：

外部RAM：使用SDRAM或DDR3，容量为256MB。

外部Flash：使用NORFlash或NANDFlash，容量为1GB。

3.外设接口：

GPIO：支持8位或16位GPIO接口。

UART：至少两个UART接口，支持串行通信。

I2C：至少一个I2C接口，支持I2C总线通信。

SPI：至少一个SPI接口，支持SPI总线通信。

4.电源管理单元：集成电源电压检测、电源控制等功能。

解题思路：

选择ARM处理器作为核心，保证系统具有较好的处理能力和兼容性。根据系统需求选择合适的内存容量和类型，合理布局外设接口以满足通信需求，同时设计电源管理单元以保证系统稳定运行。

2.设计一个具有1GB存储器容量的嵌入式系统存储器层次结构。

题目描述：

设计一个具有1GB存储器容量的嵌入式系统存储器层次结构，包括各级存储器的容量、类型和速度要求。

答案：

1.L1Cache：使用SRAM，容量为64KB，速度为160MHz。

2.L2Cache：使用SRAM，容量为256KB，速度为200MHz。

3.主存储器：使用DDR3SDRAM，容量为1GB，速度为800MHz。

4.闪存：使用NORFlash，容量为1GB，速度为50MHz。

解题思路：

根据ARM处理器的存储器层次结构设计原则，设置各级缓存大小和速度，保证CPU访问速度最大化。选择合适的存储器类型和容量，以满足