单片机原理及应用课程题库

方式：按照教学国际化的要求，题型采用问答题、应用题、思 考题方式。 评分标准：试卷 60%，上机 30%，平时 10%. 一问答题 （选 10 题） 1.嵌入式系统的定义是什么？ 答：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、重量、功耗严格要求的专用计算机系统。简而言之，是含有处理器 的专用软硬件系统具有自主的信息处理能力（信息装备） 。 2.嵌入式系统的体系结构是什么？ 答：由应用层、操作系统层、中间层、硬件层组成 3.嵌入式系统硬件层包含哪些？ 答： 嵌入式处理器 1 嵌入式微处理器、微控制器、数字信号处理器 SoC(System on Chip)FPGA、ASIC 存储器系统 2 ROM、FLASH、E2PROM、SRAM、SDRAM 等 中断控制器、DMAC、定时器/计数器UART、USB 控制器、LCD 控制器 3 4 其它 I/O 接口 5 CAN、Zigbee、蓝牙、ECC、3DES 等等 4.嵌入式系统中间层包含哪些？具有什么特点？ 答： 包含： 板级支持包（Board Support Package） 1 系统软件与底层硬件隔离 2 相关硬件的初始化 数据的输入输出操作 硬件设备的配置功能 特点： 硬件相关性 操作系统相关性 5.嵌入式系统操作系统层包含哪些？ 答： 包含： 嵌入式操作系统（EOS） 1 标准内核（API） 封装资源时钟、定时器、中断、DMA、I/O 简化软件设计、提高软件系统可靠性 文件子系统图形子系统网络子系统 2 3 4 其它通用模块 5 CAN、蓝牙、Zigbee、Modbus、LIN 协议栈 6.嵌入式系统应用层特点是什么？ 答：与应用密切相关面向目标和用户完成特定的功能 1 2 3 7 嵌入式系统的特点是什么？ 答： 嵌入专用 1 嵌入式处理器与通用处理器的最大不同就是嵌入式处理器嵌入在针对特定应用设计的 系统中 综合性强 2 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后 的产物。是一个技术密集、资金密集、知识高度分散、不断创新的知识集成系统 设计高效 3 可裁剪嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余 程序固化 4 软件一般都固化在存储器芯片或处理器本身中，这样提高了系统的执行速度和可靠性 需要独立的开发系统 5 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发 生命周期长 6 嵌入式系统和具体应用结合在一起，其升级换代一般与具体产品同步进行，因此具有 较长的生命周期 可靠性高、成本低、资源受限、功耗低等等 7 8. 嵌入式处理器的结构有哪些，各有什么特点？ 答：哈佛结构 Vs 冯诺依曼结构。 冯诺依曼结构（普林斯顿结构） 1 指令存储器与数据存储器一体化设计；指令地址与数据地址统一编码；高速运算时， 储存传输通道有瓶颈；主要案例：intel 的 8086 系列、ARM7、MIPS 哈佛结构 2 指令存储器与数据存储器一体化设计；存储地址独立编址、独立访问；四总线制提高 吞吐率：程序的地址总线、数据总线，数据的地址总线、数据总线；取指与执行能并发； 主要案例：摩托的 MC68K、zilog 的 Z8、atmel 的 AVR、ARM 的 ARM9、10(XSCALE 255)、 11(2007)、Cortex(2007) 9. 信息存储中的大端模式，小端模式分别指什么？ 大端存储 big-endian 1 低地址中存放的是字数据的高字节；IBM、motolora、Sun 小端存储 little-endian 2 低地址中存放的是字数据的低字节；Intel 的 x86 Bi-endian 3 都支持；ARM、MIPS、PPC 10. 嵌入式处理器的分类有哪些？ 答： 11. 常见的嵌入式操作系统有哪些？ 答： 嵌入式 Linux 1 嵌入式 Linux(Embedded Linux)是指对 Linux 经过小型化裁剪后，固化在容量只有几百 K 字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用 Linux 操作系统 主要有 RTLinux 和 uCLinux 两个版本。 Windows CE 2 嵌入式 Windows CE 是微软开发的一个开放的、可升级的 32 位嵌入式操作系统，是基 于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的 Windows 95。 VxWorks 3 VxWorks 操作系统是美国 WindRiver 公司于 1983 年设计开发的一种嵌入式实时操作系 统（RTOS） 其他嵌入式操作系统 4 uc/OS 是一个源代码公开、免费的嵌入式操作系统 RTThread 操作系统 5 12. 操作系统的分类有哪些？ 答：多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。 13. 嵌入式系统性能评价有何特点? 流行的测试基准有哪些？ 答： 含义 1 是指为了一定的目的，按照一定的步骤，选用一定的度量项目，通过建模和试验，对 嵌入式系统的性能进行测试并对测试结果作出解释的技术 嵌入式系统性能评价没有统一的规范 2 不同的目的、不同的人员、采用不同的度量项目和测试方法，对测试结果会作出不同 的解释，主要测量基准有： MIPS 测试基准 1 Dhrystone 测试基准 2 EEMBC 测试向量 3 14. 嵌入式系统的传统设计方法是什么？有什么特点？ 答： 特点：软硬件设计独立进行 1 优点：简单易行、分工明确 2 缺点：排错困难，出现问题互相推诿 3 解决方案无法进行全系统优化设计（降低成本） 4 15. 嵌入式系统的系统级设计方法是什么？ 答：系统级设计是一种高层次的设计方法，设计人员针对设计目标进行系统功能描述， 定义系统的行为特性，进行软硬件划分，生成系统级的规格描述。 软硬件协同设计 1 主要设计步骤：需求分析；软硬件协同设计（Co-design） ；软硬件实现；软硬件协同测 试（Co-test） ；软硬件协同验证（Co-verification） 特点软硬件统一描述：有限状态机（FSM） ；统一化的规格语言SystemC、新的 统一描述语言；基于图形的表示工具UML 优点：软硬件统一描述；有利于优化设计；重点关注算法，而非实现 缺点：不成熟，缺乏有效的统一描述工具；现有工具实现效率不高；有待于高效率的 综合工具 设计重用技术 2 基于 IP 核的模块级重用：IP 核的设计和 IP 核的使用；IP 核的设计目标是实现即插即 用；IP 核的设计除了需要考虑具体功能之外，还要考虑可重用、可测性及测试的可重用性 基于平台的系统级重用：基于平台的设计重用是近几年提出的设计重用方法；基于 IP 核设计重用技术的扩展，强调系统级重用；要求提供面向特定应用领域的设计模板，设计 者通过对设计模板进行适当的修改来构造符合性能要求的 SoC 系统 嵌入式系统设计的特点（与通用系统设计相比） 嵌入式系统通常是面向特定应用的系统；软/硬件协同并行开发；需要交叉开发环境； 可利用的系统资源相对较少；实时嵌入式操作系统的多样性；程序需要固化到硬件系统中 ；嵌入式软件开发难度较大 16.嵌入式系统设计的特点（与通用系统设计相比）是什么？ 答：嵌入式系统通常是面向特定应用的系统；软/硬件协同并行开发；需要交叉开发环 境；可利用的系统资源相对较少；实时嵌入式操作系统的多样性；程序需要固化到硬件系 统中；嵌入式软件开发难度较大。 17. 嵌入式硬件设计需要考虑哪些方面，处理器选择时需要考虑哪些方面。 答：嵌入式硬件设计考虑方面： 体系结构设计 1 描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件的功能划分以及系统 的软硬件选型等；体系结构描述说明需要什么样的构件；一个好的体系结构是设计成功与 否的关键 硬件选择 2 硬件布局 3 针对不同硬件模块、硬件模块与处理器之间的连接关系对硬件位置进行调整 嵌入式处理器的选择原则： CPU Core 选择 1 应用领域：用户需求性能：浮点处理、MAC 单元 工具链：完善友好的工具链 1 2 3 开发的难易程度：在系统编程、在系统调试 4 处理器 I/O 接口选择 2 总线的需求；GPIO 的需求 ；有没有基本通信接口 UART 、I2C、SPI ；是否需要 USB 总线；是否需要 CAN 总线；是否需要 Ethernet 总线；是否需要 A/D、D/A；是否需要 LCD 控制器；是否需要 Zigbee、蓝牙等 处理器存储系统选择 3 MMU ；寻址空间（容量） 【程序存储器、数据存储器、特殊寄存器】 ；片上 Flash、SRAM、E2PROM；是否支持 SDRAM 市场因素的影响 4 价格；是否容易购买；技术支持与售后服务 18. 什么是交叉编译，为什么需要交叉编译。 答：交叉编译呢，简单地说，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。这 里需要注意的是所谓 平台，实际上包含两个概念：体系结构（Architecture） 、操作系统 （Operating System） 。同一个体系结构可以运行不同的操作系统；同样，同一个操作系统 也可以在不同的体系结构上运行。举例来说，我们常说的 x86 Linux 平台实际上是 Intel x86 体系结构和 Linux for x86 操作系统的统称；而 x86 WinNT 平台实际上是 Intel x86 体系结构 和 Windows NT for x86 操作系统的简称。交叉编译这个概念的出现和流行是和嵌入式系统 的广泛发展同步的。我们常用的计算机软件，都需要通过编译的方式，把使用高级计算机 语言编写的代码（比如 C 代码）编译（compile）成计算机可以识别和执行的二进制代码。 比如，我们在 Windows 平台上，可使用 Visual C+开发环境，编写程序并编译成可执行程 序。这种方式下，我们使用 PC 平台上的 Windows 工具开发针对 Windows 本身的可执行程 序，这种编译过程称为 native compilation，中文可理解为本机编译。然而，在进行嵌入式 系统的开发时，运行程序的目标平台通常具有有限的存储空间和运算能力，比如常见的 ARM 平台，其一般的静态存储空间大概是 16 到 32MB，而 CPU 的主频大概在 100MHz 到 500MHz 之间。这种情况下，在 ARM 平台上进行本机编译就不太可能了，这是因为一般的 编译工具链（compilation tool chain）需要很大的存储空间，并需要很强的 CPU 运算能力。 为了解决这个问题，交叉编译工具就应运而生了。通过交叉编译工具，我们就可以在 CPU 能力很强、存储空间足够的主机平台上（比如 PC 上）编译出针对其他平台的可执行程序。 19.嵌入式系统软件调试方法有哪几种。 答：插桩调试法（Stub） ；直接调试法；ROM 仿真器法；模拟器法 19. ARM 处理器特点。主要内核有哪些？ 答： 功耗低、成本低、性能高 1 支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集 2 Cortex 支持 Thumb-2（16/32 位混合指令系统） 指令长度固定（32 位/16 位） 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快 3 寻址方式灵活简单，执行效率高 4 内核： C5000：0.5mW/MHz ARM7TDMI：0.28mW/MHz Cortex-M3：0.19mW/MHz 20. Cortex 系列有哪些？典型芯片有哪些？ 答： ARM Cortex-A Series高性能应用 1 Applications processors for complex OS and user applications；支持 ARM、Thumb 和 Thumb-2 指令集；带 MMU，运行 Linux、Windows CE 等操作系统；TI OMAP35xx，ST（意 法半导体） ARM Cortex-R Series实时性应用 2 Embedded processors for real-time systems；支持 ARM、Thumb 和 Thumb-2 指令集；不 带 MMU，运行 Vxworks 等实时操作系统 ARM Cortex-M Series低成本应用 3 Embedded processors optimized for cost sensitive applications；Supports the Thumb-2 instruction set only ；不带 MMU，不加载或者加载简单嵌入式操作系统（Accelerated Technology 公司的 Nucleus PLUS；uC/OS-II、FreeRTOS ） 典型芯片 4 TIStellaris LM3Sxxxx 系列；NXP LPC1000 系列，ATMELSAM3 系列；ST-stm32f10x 系 统。 21. Cortex M3 处理器完整的基于 CM3 的 MCU 结构是什么？ 答： Cortex M3 处理器内核是单片机的中央处理单元（CPU ） 。完整的基于 CM3 的 MCU 还需要很多其它组件。在芯片制造商得到 CM3 处理器内核的使用授权后，它们就可以把 CM3 内核用在自己的硅片设计中，添加存储器，外设，I/O 以及其它功能块。不同厂家设 计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。如果想要了 解某个具体型号的处理器，还需查阅相关厂家提供的文档。 22. stm32F107 的地址空间分为几段，每段作用各是什么。 答： 程序存储器、数据存储器、寄存器和输入输出端口被组织在同一个 4GB 的线性地址空 间内。数据字节以小端格式存放在存储器中。可访问的存储器空间被分成 8 个主要块，每 个块为 512MB。 22. CM3 的双堆栈机制是什么？写出其入栈和出栈的过程。 答： 主堆栈指针主堆栈指针 MSP（SP_main） 进程堆栈指针进程堆栈指针 PSP（SP_process） MSP 为默认的堆栈指针，由操作系统或异常服务例程使用为默认的堆栈指针，由操作系统或异常服务例程使用 ；PSP 由用户程序由用户程序 使用使用 R13 = R13 - 4; *R13 = R0; R0 = *R13; R13 = R13 + 4; 23. 硬件电路设计流程（几个步骤） 。 答： 24. RS232C 定义是什么？其机械特性和电气特性是什么？如何实现双机互联？ 答： 定义: RS232C 是 1969 年由 EIA 公布的标准；定义数据终端设备（DTE）与数据通信设备 （DCE）之间的接口特性 数据终端设备 DTE 1 Data Terminal Equipment ；数据源和数据到达的目的地 数据通信设备 DCE 2 Data Communication Equipment；MODEM其它外部设备（数据采集系统） 双机互联（ DTE DTE ） 3 RS232C 是 DTE 和 DCE 之间的通信标准，现在也可用于双机直接互联；无数据通信设备 DCENULL MODEM 机械特性和电气特性： RS232C 是接口电路与外设连接的通信标准 机械特性：插头、插座、电缆等 电气特性：直流、交流、0-1 电平等 电气特性 非归零、双极性编码 负逻辑电平 逻辑“1” ：-5V-15V（-12V） ；逻辑“0” ：+5V+15V （+12V） ；信号电平与 TTL 电平不兼容，需要电平转换 （常用 MAX3232 等） 实现双机互联： 利用硬件握手进行发送和接收数据的工作过程 计算机 A 接收计算机 B 发送 1 当计算机 A 准备好，则使 DTR 有效。计算机 B 通过采集 DSR 知道当计算机 A 准备好接 收数据，则可以发送数据 当计算机 A 未准备好，则使 DTR 无效。计算机 B 通过采集 DSR 知道当计算机 A 未准备 好接收数据，则可以停止发送数据 计算机 B 接收计算机 A 发送 2 当计算机 B 准备好，则使 DTR 有效。计算机 A 采集 DSR，知道当计算机 B 准备好接收 数据，则可以发送数据 当计算机 B 未准备好，则使 DTR 无效。计算机 A 通过采集 DSR 知道当计算机 B 未准备 好接收数据，则可以停止发送数据 25. STM32 的异常和中断是什么？ 答：异常 系统异常包括：有指令执行了“非法操作” ，访问被禁的内存区间，因各种错误产生的 fault，不可屏蔽中断等引起的与内核相关的异常。 内部中断是指芯片内部片上外设引起的中断。 外部中断相当于传统意义上的中断，包括：传统意义上的外部中断，定时中断，串行 中断，SPI 中断，AD 中断等。 CM3 的异常： Cortex-M3 的异常见的异常见1P33 表表 2-2（课本（课本 P20） CM3 支持支持 240 个中断，但具体使用多少个是由芯片生产商决定。个中断，但具体使用多少个是由芯片生产商决定。 STM32F107VC 的异常见的异常见2P130 表表 54。 CM3 异常的处理由异常的处理由 NVIC（嵌套向量中断控制器）与（嵌套向量中断控制器）与 CM3 内核里应外合，共同完内核里应外合，共同完 成。成。 26. CM3 的 NVIC 是什么？其控制方法是什么？ 答：嵌入中断微量控制。 优先级控制方法优先级控制方法: 对异常向量表中默认排序可通过设置抢占式优先级和响应式优先级进行修改。 具有高抢占式优先级的中断可以在具有低抢占式优先级的中断处理过程中被响应，即 中断嵌套，或者说高抢占式优先级的中断可以嵌套低抢占式优先级的中断。 抢占式优先级相同时，如同时产生中断，响应式优先级高的中断先得到处理。 如两种优先级都相同时，默认优先级高的中断先得到处理。 优先级的设置：优先级的设置： STM32 系列的抢占式优先级数量可设置为：1,2,4,8,16 个 当抢占式优先级设为 1 个时，该级别的响应式优先级可设 16 个。 当抢占式优先级设为 2 个时，每个级别的响应式优先级可设 8 个，依此类推。 27.当抢占式优先级设为 8 个时，每个级别的响应式优先级可设多少个？ 答： 28.STM32F107 的 RCC 配置流程是什么？ 答： 1. 在控制寄存器 CR 里，打开 HSI；2. 在配置寄存器 CFGR 里，清除各预分频器，断开系统 时钟的连接；3. 在 CR 里，关闭 HSE, CSS, PLL, HSE 旁路；4. 在 CFGR 里，断开 PLL 连接，清 空预分频器和倍频器；5. 清除中断使能和挂起；6. 设置系统时钟。之所以需要 2,3 步骤的顺序，是 因为在改变连接前，不能断开时钟源。 HSE(25MHZ) PREDIV2(/5, 5M ) PLL2MUL (*8, 40M ) PREDIV1SCR(PLL2 , 40M ) PREDIV1(/5, 8M ) PLLSCR(PREDIV1, 8M ) PLLMUL(*9, 72M ) SW(PLL, 72M ) SYSCLK(72MHZ) 29. 嵌入式 RTThread 的特点是什么？是如何授权的？ 答：特点 RT-Thread 实时操作系统核心是一个高效的硬实时核心，它具备非常优异的实时性、稳 定性、可剪裁性，当进行最小配置时，内核体积可以到 3k ROM 占用、1k RAM 占用。 RT-thread 授权 使用操作系统，应该都会考虑一个收费问题，使用 RT-thread，不用担心这个问题。 RT-Thread 采用 GPL-V2 发布，并且承诺永久不会针对使用 RT-Thread 收费，用户只需要保 留 RT-Thread 的 LOGO 既可以免费使用。 二应用题（选 2 题） 1. 研究以下电路图，回答对应问题。 1）供电电路，CD61 C61 CD62 C62 的作用是什么？ 答：CD61 CD62 滤波 C61 C62 去耦 2）晶振电路中，R05、C03、C04 的作用是什么？ 答：R05 便于起振 C03、C04 谐振电容的一部分。 3）复位电路中，R02、C017 的作用是什么？ 答：R02 上拉电阻，C017 充电电容 4）LED 电路中，R62-R65 的作用