ARM嵌入式系统结构与编程习题答案 清华大学出版社 最详细版

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《ARM嵌入式系统结构与编程》习题答案

第一章 绪论

1. 国内嵌入式系统行业对“嵌入式系统”的定义是什么?如何理解?

答:国内嵌入式行业一个普遍认同的定义是:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能,可靠性,成本,体积,功耗严格要求的专业计算机系统。 从这个定义可以看出嵌入式系统是与应用紧密结合的,它具有很强的专用性,必须结合实际系统需求进行合理的剪裁利用。因此有人把嵌入式系统比作是一个针对特定的应用而“量身定做”的专业计算机系统。

2.嵌入式系统是从何时产生的,简述其发展历程。 答:从20世纪70年代单片机的出现到目前各式各样的嵌入式微处理器,微控制器的大规模应用,嵌入式系统已经有了30多年的发展历史。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。Intel公司1971年开发出第一片具有4位总线结构的微处理器4004,可以说是嵌入式系统的萌芽阶段。80年代初的8051是单片机历史上值得纪念的一页。20世纪80年代早期,出现了商业级的“实时操作系统内核”,在实时内核下编写应用软件可以使新产品的沿着更快,更节省资金。20世纪90年代实时内核发展为实时多任务操作系统。步入21世纪以来,嵌入式系统得到了极大的发展。在硬件上,MCU的性能得到了极大的提升,特别是ARM技术的出现与完善,为嵌入式操作系统提供了功能强大的硬件载体,将嵌入式系统推向了一个崭新的阶段。

3.当前最常用的源码开放的嵌入式操作系统有哪些,请举出两例,并分析其特点。 答:主要有嵌入式Linux和嵌入式实时操作内核uC/OS-II

嵌入式Linux操作系统是针对嵌入式微控制器的特点而量身定做的一种Linux操作系统,包括常用的嵌入式通信协议和常用驱动,支持多种文件系统。主要有以下特点:源码开放,易于移植,内核小,功能强大,运行稳定,效率高等。

uC/OS是源码工卡的实时嵌入式系统内核,主要有以下特点:源码公开,可移植性强,可固化,可剪裁,占先式,多任务,可确定性,提供系统服务等。

4.举例说明嵌入式设备在工控设备中的应用。 答:由于工业控制系统特别强调可靠性和实时性,“量身定做”的嵌入式控制系统恰能满足工业控制的需求。例如:工业过程控制,数字控制机床,电网设备监测,电力自动控制系统,石油化工监控等。

5.嵌入式技术的发展趋势有哪些?

答:未来嵌入式系统的发展趋势有:1.随着信息化与数字化的发展,嵌入式设备进行网络互联是未来发展的趋势。2.优化嵌入式系统软硬件内核,提高系统运行速度,降低功耗和硬件成本。3.指令集的并行计算技术将引入嵌入式微处理器。4.嵌入式微处理器将会向多核技术发展。5.嵌入式技术将引领信息时代。

第2章 ARM技术与ARM体系结构

1.简述ARM处理器内核调试结构原理

答:ARM处理器一般都带有嵌入式追踪宏单元ETM(Embedded Trace Macro),它是ARM公司自己推出的调试工具。ARM处理器都支持基于JTAG(Joint Test Action Group 联合测

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试行动小组)的调试方法。它利用芯片内部的Embedded ICE来控制ARM内核操作,可完成单步调试和断点调试等操作。当CPU处理单步执行完毕或到达断点处时,就可以在宿主机端查看处理器现场数据,但是它不能在CPU运行过程中对实时数据进行仿真。

ETM解决了上述问题,能够在CPU运行过程中实时扫描处理器的现场信息,并数据送往TAP(Test Access Port)控制器。上图中分为三条扫描链(图中的粗实线),分别用来监视ARM核,ETM,嵌入式ICE的状态。

2. 分析ARM7TDMI-S各字母所代表的含义。 答:ARM7 T D M I – S 中

ARM是Advanced RISC Machines的缩写 7是系列号;

T:支持高密度16位的Thumb指令集; D:支持JTAG片上调试;

M:支持用于长乘法操作(64位结果)ARM指令,包含快速乘法器;; I:带有嵌入式追踪宏单元ETM,用来设置断点和观察点的调试硬件;

S:可综合版本,意味着处理器内核是以源代码形式提供的。这种源代码形式又可以编译成一种易于EDA工具使用的形式。

3. ARM处理器的工作模式有哪几种,其中哪些为特权模式,哪些为异常模式,并指出处

理器在什么情况下进入相应的模式。

答:ARM技术的设计者将ARM处理器在应用中可能产生的状态进行了分类,并针对同一类型的异常状态设定了一个固定的入口点,当异常产生时,程序会自动跳转到对应异常入口处进行异常服务。

? 1.用户模式:非特权模式,也就是正常程序执行的模式,大部分任务在这种模式下

执行。在用户模式下,如果没异常发生,不允许应用程序自行改变处理器的工作模式,如果有异常发生,处理器会自动切换工作模式

? 2.FIQ模式:也称为快速中断模式,支持高速数据传输和通道处理,当一个高优先

级(fast)中断产生时将会进入这种模式。

? 3.IRQ模式:也称为普通中断模式,:当一个低优先级(normal)中断产生时将会进入

这种模式。在这模式下按中断的处理器方式又分为向量中断和非向量中断两种。通常的中断处理都在IRQ模式下进行。

? 4.SVC模式:称之为管理模式,它是一种操作系统保护模式。当复位或软中断指

令执行时处理器将进入这种模式。

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? 5.中止模式:当存取异常时将会进入这种模式,用来处理存储器故障、实现虚拟存

储或存储保护。

? 6.未定义指令异常模式:当执行未定义指令时会进入这种模式,主要是用来处理未

定义的指令陷阱,支持硬件协处理器的软件仿真,因为未定义指令多发生在对协处理器的操作上。

? 7.系统模式:使用和User模式相同寄存器组的特权模式,用来运行特权级的操作

系统任务。

? 在这7种工作模式中,除了用户模式以外,其他6种处理器模式可以称为特权模式,

在这些模式下,程序可以访问所有的系统资源,也可以任意地进行处理器模式的切换。

? 在这6种特权模式中,除了系统模式外的其他5种特权模式又称为异常模式,每种

异常都对应有自己的异常处理入口点。

4. 分析程序状态寄存器(PSR)各位的功能描述,并说明C,Z,N,V在什么情况下进行置位

和清零。 答:

? 条件位:

? N = 1-结果为负, 0-结果为正或0 ? Z = 1-结果为0, 0-结果不为0 ? C =1-进位, 0-借位

? V =1-结果溢出, 0结果没溢出

? Q 位:

? 仅ARM 5TE/J架构支持

? 指示增强型DSP指令是否溢出

? 中断禁止位:

? I = 1: 禁止 IRQ. ? F = 1: 禁止 FIQ.

? T Bit

? 仅ARM xT架构支持

? T = 0: 处理器处于 ARM 状态 ? T = 1: 处理器处于 Thumb 状态

? Mode位(处理器模式位):

? 0b10000 User ? 0b10001 FIQ ? 0b10010 IRQ

? 0b10011 Supervisor

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? 0b10111 ? 0b11011 ? 0b11111 Abort Undefined System

5. 简述ARM处理器异常处理和程序返回的过程。 答:只要正常的程序流被暂时中止,处理器就进入异常模式。例如响应一个来自外设的中断。在处理异常之前,ARM7TDMI内核保存当前的处理器状态,这样当处理程序结束时可以恢复执行原来的程序。如果同时发生两个或更多异常,那么将按照固定的顺序来处理异常。

异常或入口 返回指令 处理器模式 优先级 BL SWI MOV PC,R14 6 6 5 3 4 2 1 0x00000008 0x00000004 0x0000000C 0x0000001C 0x00000018 0x00000010 0x00000000 向量表偏移 MOVS PC,R14_svc SVC 未定义的指令 MOVS PC,R14_und UND 预取指中止 快中断 中断 数据中止 复位 SUBS PC,R14_abt,#4 SUBS PC,R14_fiq,#4 SUBS PC,R14_irq,#4 SUBS PC,R14_abt,#8 无 ABT FIQ IRQ ABT SVC 在异常发生后,ARM7TDMI内核会作以下工作: 1.在适当的LR中保存下一条指令的地址 2.将CPSR复制到适当的SPSR中;

3. 将CPSR模式位强制设置为与异常类型相对应的值; 4.强制PC从相关的异常向量处取指。

ARM7TDMI内核在中断异常时置位中断禁止标志,这样可以防止不受控制的异常嵌套。 注:异常总是在ARM状态中进行处理。当处理器处于Thumb状态时发生了异常,在异常向量地址装入PC时,会自动切换到ARM状态。 当异常结束时,异常处理程序必须:

1.将LR中的值减去偏移量后存入PC,偏移量根据异常的类型而有所不同; 2.将SPSR的值复制回CPSR;

3.清零在入口置位的中断禁止标志。

注:恢复CPSR的动作会将T、F和I位自动恢复为异常发生前的值。

6. ARM处理器字数据的存储格式有哪两种?并指出这两种格式的区别。 答:ARM7TDMI处理器可以将存储器中的字以下列格式存储

? 大端格式(Big-endian)

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? 小端格式(Little-endian) ? 小端存储器系统: 在小端格式中,高位数字存放在高位字节中。因此存储器系统字节0连接到数据线7~0。

? 大端存储器系统: 在大端格式中,高位数字存放在低位字节中。因此存储器系统字节0连接到数据线31~24。

7. 分析带有存储器访问指令(LDR)的流水线运行情况,并用图示说明流水线的运行机制。 答:存储器访问指令LDR 流水线举例

取指的存储器访问和执行的数据路径占用都是不可同时共享的资源,对于多周期指令来说,如果指令复杂以至于不能在单个时钟周期内完成执行阶段,就会产生流水线阻塞。 对存储器的访问指令LDR是非单周期指令

LDR指令的执行,访问存储器,回写寄存器(占用了3个周期)。造成了MOV指令的执行被阻断。

8. 简述ARM9的5级流水线每一级所完成的功能和实现的操作。 答:ARM920在指令操作上采用5级流水线 .

取指:从指令Cache中读取指令。 译码:对指令进行译码,识别出是对哪个寄存器进行操作并从通用寄存器中读取操作数。 执行:进行ALU运算和移位操作,如果是对存储器操作的指令,则在ALU中计算出要访问的存储器地址。

存储器访问:如果是对存储器访问的指令,用来实现数据缓冲功能(通过数据Cache)。 寄存器回写:将指令运算或操作结果写回到目标寄存器中。

9. 什么叫流水线互锁?应如何来解决,举例说明。

答:互锁:当前指令的执行需要前面指令的执行结果,但前面的指令没有执行完毕,引起流水线的等待。互锁发生时,硬件会停止指令的执行,直到数据准备好。

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