第1章 嵌入式系統概述
- 嵌入式系統的概念是什麼？（教材P11-1）
用於控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置
- 嵌入式系統的特點是什麼？（教材P11-2）
1. 系統內核小
2. 專用性強
3. 運行環境差異大
4. 可靠性要求高
5. 系統精簡和高實時性操作系統
6. 具有固化在非易失性存儲器中的代碼
7. 嵌入式系統開發工作和環境
- 嵌入式操作系統的主要特點是什麼？（教材P11-7）
體積小、實時性、特殊的開發調試環境
- 敘述嵌入式系統的分類。（教材P11-8）
- 嵌入式處理器包括哪幾種類型？
答：嵌入式處理器可以分爲四類：
嵌入式微處理器EMPU（Embedded Microprocessor Unit）嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應的CPU。在應用中，一般是將微處理器裝配在專門設計的電路板上，在母板上只保留和嵌入式相關的功能即可，這樣可以滿足嵌入式系統體積小和功耗低的要求。
嵌入式微控制器EMCU（Embedded Microcontroller Unit）嵌入式微控制器又稱爲單片機，它將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設接口封裝在同一片集成電路里。
嵌入式數字信號處理器EDSP（Embedded Digital Signal Processor）嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行極快的處理計算，提高編譯效率和執行速度。在數字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領域應用廣泛。
嵌入式片上系統ESoC （Embedded System on Chip）。•ESoC：在一個硅片上實現一個更爲複雜的系統。
- 如何理解嵌入式系統？
答：嵌入式系統指的是以應用爲中心和以計算機技術爲基礎的，並且軟硬件是可裁剪的，能滿足應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等指標嚴格要求的專用計算機系統。
- 與通用計算機相比，嵌入式系統有哪些特點？
答：與通用計算機相比，嵌入式系統特點：
1：嵌入式系統通常是面向特定應用的；
2：嵌入式系統功耗低、體積小、集成度高、成本低；
3：嵌入式系統具有較長的生命週期；
4：嵌入式系統具有固化的代碼；
5：嵌入式系統開發需要專用開發工具和環境；
6：嵌入式系統軟件需要RTOS開發平臺；
7：嵌入式系統開發人員以應用專家爲主；
8：嵌入式系統是知識集成系統。
- 說明嵌入式系統的典型組成，分析常見嵌入式產品大體的結構組成？
答：嵌入式系統的典型組成：
這類產品從總體上來看由兩部分組成：硬件、軟件。
硬件：嵌入式芯片，由嵌入試CPU、內存RAM、ROM、寄存器、輸入/輸出通道組成。
軟件：嵌入式操作系統、應用程序（C語言、彙編、JAVA語言等編成）。
然後這兩部分由外殼包裝起來。用戶使按下鍵後，系統檢測到後，經過輸入通道收集，送到OS，然後OS根據按鍵的命令，發出相應的命令，調用響應的程序。處理完畢之後，把結果輸出。
- 嵌入式系統的BooTLoader的功能是什麼？
答：BootLoader是系統加電後、操作系統內核或用戶應用程序運行之前，首先必須運行的一段程序代碼。通過這段程序,爲最終調用操作系統內核、運行用戶應用程序準備好正確的環境。（對於嵌入式系統來說，有的使用操作系統，也有的不使用操作系統，但在系統啓動時都必須運行BootLoader，爲系統運行準備好軟硬件環境。）
- BSP作爲一種嵌入式軟件，它的主要特點是“與硬件和操作系統都相關”。√
- ________完全把系統軟件和硬件部分隔離開來，從而大大提高了系統的可移植性。D
A、圖形用戶接口 B、驅動映射層C、硬件交互層 D、硬件抽象層
- 下面關於哈佛結構描述正確的是____________。A
A、程序存儲空間與數據存儲空間分離 B、存儲空間與IO空間分離
C、程序存儲空間與數據存儲空間合併 D、存儲空間與IO空間合併
- SoC是一種基於IP（Intellectual Property）核嵌入式系統級芯片設計技術，它將許多功能模塊集成在一個芯片上。√
- 說明嵌入式系統的硬件組成。
答：嵌入式系統的硬件是以嵌入式處理器爲中心，由存儲設備、I/O設備、通信接口設備、擴展設備接口以及電源等必要的輔助接口構成。
- 下列不屬於嵌入式操作系統的是（ ）。C
A．Windows CE B．VxWorks
C．windowsXP D．UC/OS
- BSP作爲一種嵌入式軟件，它的主要特點是（ ）。C
A．與硬件有關，與操作系統無關 B．與硬件無關，與操作系統有關
C．與硬件和操作系統都相關 D．與操作系統和硬件都無關
- 嵌入式系統的主要應用領域有哪些（至少指出5個以上）？
答：消費電子、通信設備、家庭設備、汽車電子、工業控制、軍事國防、醫療電子等。
- 下列的（ ）描述不屬於嵌入式系統的特點。B
A．專用性強 B．軟件豐富 C．可靠性高 D．實時性強
- RTOS的含義是（ ）。D
A．片上系統 B．先進精簡指令集機器 C．存儲器管理單元 D．實時操作系統
- 舉例說明嵌入式系統的“嵌入性”、“專用性”、“計算機系統”的基本特徵。
答：按照嵌入式系統的定義，嵌入式系統有3個基本特點，即“嵌入性”、“專用性”與“計算機”。
“嵌入性”由早期微型機時代的嵌入式計算機應用而來，專指計算機嵌入到對象體系中，實現對象體系的智能控制。當嵌入式系統變成一個獨立應用產品時，可將嵌入性理解爲內部嵌有微處理器或計算機。
“計算機”是對象系統智能化控制的根本保證。隨着單片機向MCU、SoC發展，片內計算機外圍電路、接口電路、控制單元日益增多，“專用計算機系統”演變成爲“內含微處理器”的現代電子系統。與傳統的電子系統相比較，現代電子系統由於內含微處理器，能實現對象系統的計算機智能化控制能力。
“專用性”是指在滿足對象控制要求及環境要求下的軟硬件裁剪性。嵌入式系統的軟、硬件配置必須依據嵌入對象的要求，設計成專用的嵌入式應用系統。
- 下面的產品或系統，屬於嵌入式系統的是（ ）。C
A．“天河一號”超級計算機 B．戴爾 XPS13D-7508T 筆記本電腦
C．蘋果iPhone 6手機 D．三星900X3K-K01超極本
- 談一談嵌入式系統的發展趨勢。
答：產品種類不斷豐富；應用範圍不斷普及；性能不斷提高；功耗不斷降低，體積不斷縮小；網絡化、智能化程度不斷提高；軟件成爲影響價格的主要因素。
- 什麼是初始化程序，bootloader的作用。
答：初始化程序是系統加電後運行的第一段軟件代碼。
在嵌入式系統中，通常整個系統的加載啓動任務就完全由BootLoader來完成。簡單地說，BootLoader就是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟、硬件環境帶到一個合適的狀態，以便爲調用應用程序或者操作系統內核準備好正確的環境。
- 下列產品中不屬於嵌入式系統的是：
- 有線電視機頂盒
- 服務器
- 電飯煲
- 路由器
【解析】廣義上講，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統都可稱爲嵌入式系統。狹義上講，嵌入式系統強調那些使用嵌入式微處理器構成的具有自己的操作系統和特定功能、用於特定場合的獨立系統。嵌入式系統以應用爲中心、以計算機技術爲基礎、軟硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。選項中A、C、D均屬於嵌入式系統；而服務器是網絡環境中的高性能計算機，不屬於嵌入式系統。所以本題選B。
- 下面關於嵌入式系統邏輯組成的敘述中，錯誤的是：
- 嵌入式系統由硬件和軟件兩部分組成
- 嵌入式系統硬件的主體是中央處理器(CPU)和存儲器
- 嵌入式系統的CPU比通用計算機簡單得多，它們都是8位字長的處理器
- 嵌入式系統通過輸入/輸出(I/O)接口和輸入/輸出設備與外部世界進行聯繫
【解析】嵌入式系統與通用計算機一樣，也由硬件和軟件兩部分組成。硬件的主體是CPU和存儲器，它們通過I/O接口和I/O設備與外部世界聯繫。現在嵌入式系統中使用最多的還是8位和16位CPU，但32位是技術發展的主流。故本題選C。
- 按照軟硬件技術的複雜程度嵌入式系統分爲低端系統、中端系統和高端系統三大類，下面有關低端系統的敘述中錯誤的是：
- 硬件大多采用4位或8位單片機
- 由監控程序對系統進行控制，不使用操作系統
- 家用洗衣機、吸塵器、電磁爐等屬於低端嵌入式應用系統
- 它們正在被32位的高端系統所取代
【解析】嵌入式系統的分類有多種。按系統的軟硬件技術複雜度，嵌入式系統分爲低端系統、中端系統和高端系統。其中低端系統硬件大多采用4位或8位單片機，不使用操作系統，由監控程序對系統進行控制，在工控領域和白色家電領域占主導地位。選型中D項表述錯誤，故選D。
- 片上系統（SOC或SoC）是目前廣泛使用的一種嵌入式處理芯片，下面有關敘述中錯誤的是：
- SoC是電子設計自動化水平提高和大規模集成電路製造技術發展的成果
- SoC芯片既包含處理器又包含存儲器，既有數字電路也有模擬電路，單個芯片就能實現數據的採集、轉換、存儲、處理和I/O等多種功能
- SoC已成爲集成電路設計的發展趨勢， 32位嵌入式處理芯片大多是SoC
- 智能手機已經廣泛採用SoC，平板電腦大多還使用傳統的Intel處理器
【解析】隨着電子設計自動化水平的提高和VLSI製造技術的飛速發展，半導體加工已經從微米、亞微米進入到深亞微米的時代，單個芯片上可以集成幾億個甚至幾十億個晶體管，因而能夠把計算機或其他一些電子系統的全部電路都集成在單個芯片上，這種芯片就是所謂的片上系統。SoC芯片中既包含數字電路，也可以包含模擬電路，甚至還能包含數字/模擬混合電路和射頻電路。由於SoC將嵌入式系統的幾乎全部功能都集成在一塊芯片中，單個芯片就能實現數據的採集、轉換、存儲、處理和I/O等多種功能。目前，大多數32位的嵌入式處理芯片均爲SoC，SoC逐漸成爲集成電路設計的主流發展趨勢。D選項中平板電腦使用的也是SOC技術，故本題選D。
- 下面與嵌入式處理器有關的敘述中，錯誤的是：
- 嵌入式處理器本身就是一個嵌入式最小硬件系統
- 嵌入式處理器只有在供電的情況下才有可能正常工作
- 嵌入式處理器工作時需要時鐘信號
- 大多數基於ARM處理器核的嵌入式處理器芯片都有調試接口
【解析】嵌入式處理器本身是不能獨立工作的，必須給它供電，加上時鐘信號，提供復位信號等纔可能工作；嵌入式最小硬件系統一般包括嵌入式處理器、時鐘電路、電源電路、復位電路、存儲器和調試測試接口；而大多數基於ARM處理器核的處理器芯片都有調試接口。故本題A項錯誤。
- 下面關於引導加載程序（Bootloader）的敘述中，正確的是：
- 引導加載程序是硬件發生故障後由OS啓動執行的
- 加載和啓動操作系統是引導加載程序的一項重要任務
- Bootloader包含加電自檢和初始化程序，不包含設備驅動程序
- 相同體系結構的硬件平臺一定使用相同的引導加載程序
【解析】嵌入式系統加電後執行的第一批最初操作稱爲引導或者自舉（Boot），對應的程序稱爲引導程序或者加載程序，其英文術語是Bootloader；引導加載程序主要完成內存加電自檢、外設存在自檢、內存地址映射、初始化外圍設備、內存尋址定位、加載和啓動操作系統。由於硬件平臺的不同，每種平臺的引導程序也有所差異。故本題選B。
- 在開發低端、中端、高端等類型的嵌入式系統時，一般都需要選擇和利用合適的開發平臺來進行。下面有關嵌入式系統開發平臺的敘述中，不正確的是：
- 開發平臺中的軟件開發工具，通常會包括：項目管理器、編輯器、編譯器、連接器等
- 開發平臺中的軟件開發工具往往都作爲一個整體提供給開發人員使用，以提高開發工作效率。
- 有的開發平臺中還包含一些中間件和軟件組件，以滿足特定應用領域的各種應用開發。
- 用開發平臺所開發出的低端嵌入式系統應用軟件，必須基於某一個嵌入式操作系統上運行。
【解析】嵌入式系統的開發平臺包含大量開發工具，軟件開發工具通常包括：項目管理器、編輯器、編譯器、連接器、定位器等；這些軟件開發工具往往都使用統一的用戶界面並作爲一個整體提供給開發人員使用，以提高開發工作效率；有的開發平臺中還包含一些中間件和軟件組件，以滿足特定應用領域的各種應用開發；嵌入式系統的開發平臺大多采用宿主機-目標機的架構，宿主機是開發用機，目前大多數運行Windows操作系統，而應用軟件的開發和調試都是通過宿主機開完成。故本題選D。
- 下面關於JTAG的敘述中，錯誤的是：
- JTAG是ARM內核獨有的一種測試接口，其他種類的嵌入式處理器一般沒有該接口
- JTAG 可用於實現嵌入式系統的在線編程功能
- 多個器件可以通過 JTAG 接口串聯在一起，形成一個 JTAG 鏈
- SWD是Cortex-M內核提供的功能與JTAG類似的調試接口
【解析】JATG可用於實現嵌入式系統的在線編程功能，其標準允許多個芯片通過JTAG接口串聯在一起，實現對多個器件的測試；目前大多數嵌入式CPU、DSP、FPGA器件都支持JTAG標準；SWD是Cortex-M內核提供的功能與JTAG類似的調試接口。故本題選A。
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第2章 ARM微處理器概述與編程模型
教材P36：1-8
- 簡述ARM和Thumb狀態的區別及如何進行狀態轉換。（教材P36-1）
答：ARM狀態：執行ARM指令集
Thumb狀態：執行Thumb指令集
使用跳轉指令BX/BLX
格式：BX/BLX Rm 當Rm[0]爲1時，從ARM態跳轉到Thumb態
- 簡述ARM9處理器的內部寄存器結構，並分別說明R13、R14、R15寄存器的作用。（教材P36-2）
37個寄存器：31個通用寄存器，包括程序計數器PC；6個狀態寄存器。
R13常作爲堆棧指針（SP）
R14爲鏈接寄存器（LR）保存子程序返回地址
- ARM體系結構支持的異常類型有哪些？說明各種異常的向量地址。（教材P36-8）
答:復位：當發生復位異常時，處理器立即停止當前程序，進入禁止中斷的管理模式，並從地址0x00000000或0xFFFF0000處開始執行。
未定義指令：ARM處理器認爲當前指令未定義時，便產生了未定義指令中斷。該異常可用於協處理器軟件仿真。
軟件中斷：當用戶模式下的程序使用指令SWI時，處理器便產生軟件中斷，進入管理模式，以調用特權操作。
指令預取中止：當處理器預取指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問，存儲器會向處理器發出中止信號；只有當預取的指令被執行時，纔會產生指令預取中止異常。
數據訪問中止：若處理器數據訪問指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問時，就會產生數據中止異常。
外部中斷請求：當處理器的外部中斷請求引腳有效，而且CPSR中的I位爲0時，就會產生IRQ異常。系統的外設可通過該異常請求中斷服務。
快速中斷請求：處理器的快速中斷請求引腳有效，而且CPSR中的F位爲0時，將產生FIQ異常。
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異 常 類 型 |
工 作 模 式 |
特定地址（低端） |
特定地址（高端） |
優 先 級 |
|
復位 |
管理模式 |
0x00000000 |
0xFFFF0000 |
1 |
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未定義指令 |
未定義指令中止模式 |
0x00000004 |
0xFFFF0004 |
6 |
|
軟件中斷（SWI） |
管理模式 |
0x00000008 |
0xFFFF0008 |
6 |
|
指令預取中止 |
中止模式 |
0x0000000C |
0xFFFF000C |
5 |
|
數據訪問中止 |
中止模式 |
0x00000010 |
0xFFFF0010 |
2 |
|
外部中斷請求（IRQ） |
外部中斷模式 |
0x00000018 |
0xFFFF0018 |
4 |
|
快速中斷請求（FIQ） |
快速中斷模式 |
0x0000001C |
0xFFFF001C |
3 |
- 簡述ARM微處理器的七種工作模式。（教材P36-4）
答：ARM微處理器支持7種工作模式，分別爲：
1）用戶模式（usr）：ARM處理器正常的程序執行狀態；
2) 快速中斷模式（fiq）：用於高速數據傳輸或通道管理；
3) 外部中斷模式（irq）：用於通用的中斷處理；
4) 管理模式（svc）：操作系統使用的保護模式；
5) 數據訪問終止模式（abt）：當數據或指令預取終止時進入該模式 ，用於虛擬存儲及存儲保護 ；
6) 系統模式（sys）：運行具有特權的操作系統任務；
7) 未定義指令中止模式（und）：當未定義指令執行時進入該模式， 可用於支持硬件協處理器的軟件仿真
- ARM處理器的異常有哪幾種，分別進入哪種工作模式，每種異常的返回功能分別採用什麼指令？
答：1）復位異常（管理模式）；無返回
2）未定義指令異常（未定義模式）；返回指令MOVS PC,R14
3）軟件中斷（SWI）異常（管理模式）；返回指令MOVS PC,R14
4）指令預取中止異常（中止模式）；返回指令SUBS PC,R14,#4
5）數據訪問中止（中止模式）；返回指令SUBS PC,R14,#8
6）快速中斷請求（FIQ）（FIQ模式）；返回指令SUBS PC,R14,#4
7）外部中斷請求（IRQ）（IRQ模式）。返回指令SUBS PC,R14,#4
- ARM處理器結構體系中具有T變種處理器核可以工作在ARM狀態和Thumb狀態。（√）
- ARM9處理器的當前程序狀態寄存器結構如圖所示，請說明各位的功能。
答：N：負標誌位，運算結果的第31位值，記錄標誌設置的結果。
Z：零標誌位，如果標誌設置操作的結果爲0，則置位。
C：進位標誌位，記錄無符號加法溢出，減法無錯位，循環移位。
V：溢出標誌位，記錄標誌設置操作的有符號溢出。
I：中斷禁止標誌位，置位時禁止IRQ中斷，否則允許IRQ中斷使能。
F：中斷禁止標誌位，置位時禁止FIQ中斷，否則允許FIQ中斷使能。
T：控制位，置位時處理器運行在Thumb狀態下，清零時處理器運行在ARM狀態下。
M0~M4：模式控制位，定義處理器的7中模式。
- S3C2440具有多少通用I/O口？它們具有哪些功能？
- CPSR是當前程序狀態字，其作用是保存狀態和工作模式。 √
- ARM處理器復位後，強制爲管理模式，並進入ARM狀態，進而執行。√
- S3C2440具有70箇中斷源。 ×