嵌入式系统设计与实现试卷A（哈尔滨理工大学）.doc

哈尔滨理工大学20042005学年第 1 学期考试试题 A卷装 订 线班级：计算机01 学号： 姓名：考试科目：嵌入式系统设计与实现 考试时间：120分钟 试卷总分100分题号一二三四五六七八九十总分得分评卷教师一、填空题（每空1分，总计30分）1、嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成。在硬件方面，嵌入式系统的核心嵌入式处理器一般可以分成4类，即（ ）、（ ）、 （ ）和 （ ）。软件由嵌入式操作系统和应用软件组成。2、流行的五大嵌入式微处理器芯片有（ ）、（ ）、（ ）、（ ）和（ ）。3、ARM微处理器支持7种运行模式为（ ）、（ ）、（ ）、（ ）、（ ）、（ ）、（ ）4、ARM7TDMI的TDMI分别表示（ ）、（ ）、（ ）、（ ）5、S3C44B0X内部有（ ）CACHE；( )个中断源；（ ）个16位定时器，其中定时器（ ）是一个内部定时器不具有对外输出口线,通常作为UCLINUX的内部定时器；6、S3C44B0X功耗管理的五种模式分别为（ ）、( )（ ）、（ ）和（ ）。7、S3C44B0X的PLL的作用是将输入时钟频率（ ）。 二、简答题（每题5分，总计30分）1、实时系统定义，实时系统分类及其区别。2、简述嵌入式系统设计过程。3、简述S3C44B0X存储管理的特点。4、简述UCLINUX源程序的目录结构及其含义。5、简述编写UCLINUX驱动程序的步骤。6、简述ARM和THUMB状态的区别及如何进行状态转换。三、阅读程序并给出结果（每题5分，总计10分）1、文件rc中的内容：hostname EV44B0II/bin/expand /etc/ramfs.img /dev/ram0mount -t proc proc /procmount -t ramfs /dev/ram0 /varmkdir /var/configmkdir /var/tmpmkdir /var/logmkdir /var/runmkdir /var/lockcat /etc/motdifconfig lo 127.0.0.1route add -net 127.0.0.0 netmask 255.255.255.0 lodhcpcd -p -a eth0 &ifconfig eth0 192.168.1.20MDB :9999&2、下面是某makefile的一部分： CC= arm-elf -gccAS= arm-elf -asLD= arm-elf -ldCFLAGS=-c -I- -I/includeASFLAGS=LDFLAGS=-Map map.txt -T linkcmds -L./libOBJS=1.o 2.o 3.oAll：monitor.elf%.o：%.c$CC $CFLAGS -o $ $monitor.elf：$OBJS$LD $LDFLAGS -o monitor.elf $OBJS -lmonitorclean：rm -rf *.o *.elf四、编程序（15分）用汇编语言实现FIR过滤器的C语言代码： for(i=0，f=0;in;i+) f=f+ci*xi;五、分析EV44B0II系统初始化程序并给出框图（10分）_start: LDR PC, ResetHandler LDR PC, HandlerUndef LDR PC, HandlerSWI LDR PC, HandlerPabort LDR PC, HandlerDabort b . LDR PC, HandlerIRQ LDR PC, HandlerFIQHandlerUndef:.word0xc7fff04HandlerSWI:.word0xc7fff08HandlerPabort:.word0xc7fff0cHandlerDabort:.word0xc7fff10HandlerReserved:.word 0xc7fff14HandlerIRQ:.word0xc7fff18HandlerFIQ:.word0xc7fff1cResetHandler: ldr r0,WTCON ldr r1,=0x0 str r1,r0 ldr r0,INTMSK ldr r1,MASKALL str r1,r0。adr r0,SMRDATA ldmia r0,r1-r13 ldr r0,=0x01c80000 stmia r0,r1-r13。 ldr sp, SVCStack bl InitStacks。 BLMain B.InitStacks:mrs r0,cpsr bic r0,r0,#0X1F orr r1,r0,#0xDB msr cpsr,r1 ldr sp,UndefStackorr r1,r0,#0XD7 msr cpsr,r1 ldr sp,AbortStack orr r1,r0,#0XD2 msr cpsr,r1 ldr sp,IRQStack orr r1,r0,#0XD1 msr cpsr,r1 ldr sp,FIQStack bic r0,r0,#0XDF orr r1,r0,#0X13 msr cpsr,r1 ldr sp,SVCStackmov pc,lr SMRDATA:.long0x11110090,0X600,0X7bc0,0X7fc0,0X7ffc,0X7ffc.long 0X7ffc,0X18000,0X18000,0x820591,0x16,0x20,0x20UserStack:.word0xc7ffa00SVCStack:.word0xc7ffb00UndefStack:.word0xc7ffc00AbortStack:.word0xc7ffd00IRQStack:.word0xc7ffe00FIQStack:.word0xc7fff00MASKALL:.long 0x07ffffff 注：嵌入式系统简介嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。 举个简单例子：一个手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系统呢？答案肯定是“是”。另外一个PC104的微型工业控制计算机你会认为它是嵌入式系统吗？当然，也是，工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域。然而比较两者，你也许会发现二者几乎完全不同，除了其中都嵌入有微处理器。那是否可以说嵌入着微处理器的设备就是嵌入式系统？那鼠标中也有单片机，能叫嵌入式系统嘛？ 那到底什么是嵌入式系统？莫非嵌入式系统只是一个难以定义的抽象概念？ 嵌入式系统的历史 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从20世纪七十年代单片机的出现到今天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近30年的发展历史。 作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。 嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。 提示：最早的单片机是Intel公司的 8048，它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4 个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定 时 器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。 从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。确切点说，这个时候的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。 90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及国内的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：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，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统的定义定义可从几方面来理解嵌入式系统： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即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裁减利用。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件（由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和Windows系统的最大区别）。 嵌入式系统重要概念嵌入式系统中有许多非常重要的概念： 嵌入式处理器： 嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的位处理器，目前仍在大规模应用的位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。 实时操作系统 （RTOS-Real Time Operating System）： 嵌入式系统目前最主要的组成部分。根据操作系统的工作特性，实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统具有实时性，能从硬件方面支持实时控制系统工作的操作系统。其中实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。 分时操作系统： 对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求，并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。目前分时系统的强项在于多任务的管理，而实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计。 多任务操作系统： 系统支持多任务管理和任务间的同步和通信，传统的单片机系统和DOS系统等对多任务支持的功能很弱，而目前的Windows是典型的多任务操作系统。在嵌入式应用领域中，多任务是一个普遍的要求。 实时操作系统中的重要概念： 系统响应时间（System response time）：系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。 任务换道时间（Context-switching time）：任务之间切换而使用的时间。 中断延迟（Interrupt latency）：计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成换道转入中断服务程序的时间。 实时操作系统的工作状态： 实时系统中的任务有四种状态：运行（Executing），就绪（Ready），挂起（Suspended），冬眠（Dormant）。 运行：获得CPU控制权。 就绪：进入任务等待队列，通过调度转为运行状态。 挂起：任务发生阻塞，移出任务等待队列，等待系统实时事件的发生而唤醒，从而转为就绪或运行。 冬眠：任务完成或错误等原因被清除的任务，也可以认为是系统中不存在的任务。 任何时刻系统中只能有一个任务在运行状态，各任务按级别通过时间片分别获得对CPU的访问权。 嵌入式系统的特点这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征： 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？简直没有可比性。 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 嵌入式系统的分类由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000 MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点： 1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU） 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。 其中ArmStrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。近来Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。 目前最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Inte