《嵌入式系统》课程专题报告.doc

嵌入式系统课程专题报告学院：经济信息学院学号：51033936姓名：张博关于报告提交：（可以选择二者之一，也可以都选择）1手写（纸质）报告，直接在课堂提交。2电子版报告，发至邮箱，文件名：ES学号姓名.doc前导问题：1（必选）诚信单选题：本次课程专题报告，自己完成的方法是：（ A ）。A完全独立完成。B大部分独立完成。C有一些内容是独立完成的。D基本上参考同学的报告完成。2（任选）请你对嵌入式系统的课程建设提出宝贵的意见和建议。一、基础问题1 你是如何理解嵌入式系统的？答：嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。2 说明嵌入式系统的典型组成。答：（I） 嵌入式系统的硬件组成： 嵌入式处理器存储器： ROM与RAM.输入输出设备：液晶显示，触摸屏，语音输入输出技术，键盘.电源转换与管理. （II） 嵌入式系统软件组成：操作系统（含内存管理，进程与中断管理，调度机制，文件管理等）设备驱动程序，用户界面以及各种应用模块3嵌入式处理器包括哪几种类型？答： 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)嵌入式DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)嵌入式片上系统(System On Chip) 4简述CISC与RISC两种架构的差异。答：为了使计算机系统具有更强的功能，更高的性能和更好的性价比在机器指令系统的设计，发展和改进上有两种不同的途径和方法（1）CISC（Complex Instruction Set Computer）复杂指令系统计算机：通过进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。这种途径使得指令系统越来越庞大和复杂（2）RISC (Reduced Instruction Set Computer)精简指令系统计算机：通过减少指令总数和简化指令的功能来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度。这种途径使得计算机指令系统精炼简单。RISC 和CISC 是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有：（1） 指令系统：RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。（2） 存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。（3） 程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易，效率较高。（4） 中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。（5） CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。（6） 设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。（7） 用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。（8） 应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。5ARM7微处理器系列有什么特点？答：（1）低功耗的32位RISC处理器，采用冯诺依曼结构。（2）具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便。（3）采用3级流水线结构技术。（4）代码密度高，兼容16位的Thumb指令集。（5）对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。（6）指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。（7）主频最高可达130MIPS。6ARM7TDMI中，TDMI的含义是什么？答：T：支持高密度16位的压缩Thumb指令集D：支持片上调试Debug M：支持64位乘法（MultiplierI：嵌入式Embeded-ICE,支持片上断点和调试点7S3C44B0X具有多少通用I/O口？它们具有哪些功能？答：芯片S3C44B0X具有71通用多功能输入输出引脚，这些I/O口的应用是S3C44B0X处理器的基础应用，分别包含在如下7组端口中：端口A：10位，输出端口端口B：11位，输出端口端口C：16位，输入输出端口端口D：8位，输入输出端口 端口E：9位，输入输出端口端口F：9位，输入输出端口端口G：8位，输入输出端口每组端口都是多功能口，需要用软件对端口配置寄存器PCONn设置满足不同的需要。在运行程序之前必须先对每一个用到的引脚功能进行设置。如果某些引脚的复用功能没有使用，可以将该引脚设置成I/O口。在一般的应用中：PA：地址线。PB：bank选择线和SDRAM的接口信号线。PC：数据线、IIS接口或LCD数据线等。PD：LCD的信号线。PE：串口信号线和定时器输出。PF：多功能I/O口。PG：多功能I/O口。8简述电阻型触摸屏检测坐标值的原理答： 屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜。由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有透明的导电层（OTI，氧化铟，弱导电体，透光率为80）。上面再盖一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指接触屏幕，两层OTI导电层（层间距2.5微米）出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，可得触摸点的Y轴坐标。同理得出X轴的坐标。电阻屏根据引出线数多少，分为四线、五线等多线电阻触摸屏。9S3C44B0X的UART接口具有哪些功能特性？答：每个UART模块包含4个部件：（1）波特率发生器：MCLK作为时钟源。 （2）发送器：可以产生暂停条件，暂停条件强制串口输出保持在逻辑0状态比一帧长的时间。 （3）接收器：可以检测溢出错误、奇偶错误、frame错误和暂停条件，其中每一个设置一个错误标志。 （4）控制单元：发送器和接收器包含16字节的FIFO和移位寄存器。要被发送的数据首先被写入FIFO，然后被复制到发送移位寄存器中，最后从数据输出端口（TxDn）依次被移位输出；被接收的数据也同样从数据接收端口（RxDn）依次被移位输入到移位寄存器，然后被复制到FIFO中。 10S3C44B0X的A/D转换器的类型是什么？共有几路？与ADC相关的寄存器有哪些？它们的作用分别是什么？答：S3C440BX自带一个路10位A/D转换器。与ADC相关的寄存器有：A/D转换控制寄存器ADCCON A/D转换预分频寄存器ADCCON地址0x01D40000（在小模式下，以字、半字、字符单位存取）、0x01D40002（在大模式下，以半字单位存取）、0x01D40003（在大模式下，以字符单位存取），可读写，初始值为0x20。 ADCPSR地址0x01D40004（在小模式下，以字、半字、字符单位存取)、0x01D40006（在大模式下，以半字单位存取）、0x01D40007（在大模式下，以字符单位存取），可读写，初始值为0x00。 11描述ARM体系结构的寄存器组织。答：37个寄存器：31个通用寄存器，包括程序计数器PC；6个状态寄存器。寄存器均为32位，分成7组，各工作模式拥有自己的寄存器组，只能访问自己的寄存器组。有些寄存器是重叠的，有些是工作模式特有的。在不同的工作模式和处理器状态下，程序员可以访问的寄存器不尽相同。 （1）在汇编语言中寄存器R0R13为保存数据或地址值的通用寄器。它们是完全通用的寄存器，不会被体系结构作为特殊用途，并且可用于任何使用通用寄存器的指令。 （2）其中R0R7为未分组的寄存器，也就是说对于任何处理器模式，这些寄存器都对应于相同的32位物理寄存器。（3）寄存器R8R14为分组寄存器。它们所对应的物理寄存器取决于当前的处理器模式，几乎所有允许使用通用寄存器的指令都允许使用分组寄存器（4）寄存器R8R12有两个分组的物理寄存器。一个用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式，另一个用于FIQ模式。这样在发生FIQ中断后，可以加速FIQ的处理速度。（5）寄存器R13、R14分别有6个分组的物理寄存器。一个用于用户和系统模式，其余5个分别用于5种异常模式。（6）寄存器R13常作为堆栈指针（SP）。在ARM指令集当中，没有以特殊方式使用R13的指令或其它功能，只是习惯上都这样使用。但是在Thumb指令集中存在使用R13的指令。（7）R14为链接寄存器（LR），在结构上有两个特殊功能：在每种模式下，模式自身的R14版本用于保存子程序返回地址； 当发生异常时，将R14对应的异常模式版本设置为异常返回地址（有些异常有一个小的固定偏移量）。（8）寄存器R15为程序计数器（PC），它指向正在取指的地址。可以认为它是一个通用寄存器，但是对于它的使用有许多与指令相关的限制或特殊情况。 正常操作时，从R15读取的值是处理器正在取指的地址，即当前正在执行指令的地址加上8个字节（两条ARM指令的长度）。由于ARM指令总是以字为单位，所以R15寄存器的最低两位总是为0（9）寄存器CPSR为当前程序状态寄存器，在异常模式中，另外一个寄存器“保存程序状态寄存器（SPSR）”可以被访问。每种异常都有自己的SPSR，在进入异常时它保存CPSR的当前值，异常退出时可通过它恢复CPSR。12简述ARM微处理器的七种运行模式。答：ARM微处理器支持7种工作模式：用户模式、系统模式、快速中断模式、外部中断模式、管理模式、中止模式、未定义指令模式。除用户模式之外的其余6种称为非用户模式，或特权模式。在特权模式中，除系统模式之外的其余5种称为异常模式。处理器的各种工作模式由当前程序状态寄存器CPSR的低5位M4:0决定。处理器模式 说明 备注用户( usr) 正常程序执行模式 不能直接切换到其它模式快速中断 (fiq) 支持高速数据传输及通道处理 FIQ异常响应时进入此模式外部中断 (irq) 用于通用中断处理 IRQ异常响应时进入此模式管理 (svc) 操作系统保护模式 系统复位和软件中断响应时进入此模式中止(abt) 用于支持虚拟内存和/或存储器保护 在ARM7TDMI没有大用处未定义(und) 支持硬件协处理器的软件仿真 未定义指令异常响应时进入此模式系统 (sys) 运行操作系统的特权任务 与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权 二、分析问题1在日常生活中，你接触过哪些嵌入式产品？他们都有些什么功能？答：各种家用电器（如微波炉等），手机，商务通，掌上电脑，汽车系统，智能机器人以及各种智能装置都需要一个嵌入式系统对它们进行支持，他们都有各自的应用领域，功能差别很大。2.结合嵌入式系统的典型组成，试分析常见的嵌入式产品（如PDA、手机等）大体的结构组成？答：以现代的PDA为例分析常见嵌入式系统的一般组成硬件方面结构如下：PDA作为便携式电子设备，人们已赋予它越来越多的功能和用途。通过分析已有PDA的功能和我们现在可能设想到的潜在功能，在硬件设计上，我们可以归纳出下列框图。通过选择不同的CPU或MCU，及各功能块裁剪、采用不同的OS，我们可以得到不同的应用方案，从低端的电子词典到高端的应用，都可以实现的产品。Processor：主处理器。采用StongARM(Intel)、XScale(Intel)、DragonBall(Motorola)在PDA产品中三个具有代表性的微处理器，其特点是，功耗低、周边集成，能满足特定应用的要求。除此之外，还有Toshiba、MIPS、Zilog的处理器，甚至传统的MCS-51系列的单片机也可以使用，近年来各半导体公司也已经广泛地采用ARM公司的专利，推出了处理不同速度RISC处理器，都可以用来担当不同应用的主处理器角色。Flash：存放系统程序和用户数据。目前业界提供可用于存放程序和数据的Flash，容量最大的是Intel的多值逻辑技术的StrataFlash，工作电压在3.3V时的单片容量为128Mb；另外64Mb到8Mb的Flash已有很多厂商能够提供。随着NAND Flash容量成倍的增加、价格逐年下降，128到256MB容量存储卡的价格也可以让大家接受的今天，在便携式产品中也可以大量使用，如在手机中大容量的存储空间得以存放个人喜爱音乐等。由于Flash是固态存储介质，不因关机或掉电丢失数据，它已经是便携式产品的主要存储介质。SDRAM：获得比SRAM更大的容量，满足现代时尚的需要。存放临时数据，有些应用利用SDRAM通过后备电池存保存用户数据以节约成本。JTAG Interface：随着处理器的集成都提高和功能的复杂，处理器能提供JTAG接口供程序开发、Flash编程等功能，可以大大降低系统的开发成本。大多数处理器的JTAG具有边界扫描能力，对于管脚密度高，或BGA封装的芯片，可以通过这种方式测试焊接的可靠性。在处理器左边的两列黄色块图，已是大家熟悉的接口，正在逐步成为PDA或便携式设备的基本周边，不同的裁剪，可以设计出适应不同应用层面的产品。其中RF功能我们可以认为是近距离或可视距离范围内的无线通讯，目前数据通讯速率可达56Kbps，在通讯协议的控制下，可以实现小范围内多点通讯，例如学生用电子书包，老师和学生之间可以通过无线方式布置和提交作业。这种联接方式，可以让游戏者在公共场合，无联接地交换数据，实现多人竞技游戏、交友、聊天等，相识的和不相识的人都可以加入，只要你发出无线邀请。在处理器右边的两列绿色块图，是最具有时尚风格的应用。包含其中的部分功能，就可使PDA具有特殊的功能设备。例如从CD-ROM获的数据，可以实现电子地图、电子游戏、MP3、音乐CD功能，再加上VGA或PAL/NTSC输出，甚至可以成为KTV和VCD播放器；如果配接小尺寸硬盘，从VGA接口输出到LCD监视器或投影仪上，做产品介绍、企业规划宣传时，就算是现在最小的笔记本电脑都显得庞大；增加寻呼机的接受模块，可以成为使用成本低廉的数据接收机；增加FM接收头，可以接受不同调频音频信号；使用有线或无线网络资源，除享受全球互联网的信息外，还可以接收到来自地球另一端的网络数字音频节目；GPRS模块可以让移动人在任何时候都能和他人保持快速的联络，不再局限于语音，传真和电子邮件传送不再要求人们一定要在办公室内完成了；数字影象信息的获取，使得远程图象监控、远程医疗、诊断、教学、视频会议等应用变得更加方便。等等这些应用，可以大大扩充我们的视野，增加我们的活动半径，那时商务旅行人士有谁还会再背个大电脑包，吃力地上下飞机？软件方面结构如下：以使用PocketPC软件的机型为例，除配置常用的操作系统（如LINUX）外，根据用户的需要，在操作系统之上相应的开发出各种应用软件，如：电子阅读工具，网络通信工具，游戏，多媒体工具，办公应用软件等。三、设计问题用ARM汇编代码实现以下C程序段。（1） y=a*(b+c)MOV R0,#a ；R0内存入aMOV R1,#b ；R1内存入bMOV R2,#c ；