第2章 嵌入式处理器(第三版)参考答案.pdf

第 2 章 嵌入式处理器体系结构 1 第第2 2章章 嵌入式处理器嵌入式处理器 习题习题 2 1 什么是 CISC 和 RISC 各自有什么特点 答 CISC 复杂指令集体系结构 RISC 精减指令集体系结构 CISC RISC 一条指令仅执行简单操作 把微处理器能执行的指令数目减少到最低限度 以提高 处理速度 RISC 处理器比同等的 CISC 复杂指令集计算机 处理器要快 50 75 CISC 一 条指令可以执行许多操作 2 2 冯 诺依曼结构与哈佛结构各自的特点是什么 答 冯 诺依曼结构的处理器使用同一个存储器 即程序和数据共用同一个存储器 而 哈佛结构则是程序和数据采用独立的总线来访问程序存储器和数据存储器 2 3 目前有哪些主要嵌入式内核生产厂商及典型嵌入式内核 ARM 处理器核有哪三大特点 答 主要内核厂商有 美国的MIPS公司MIPS处理器内核 美国的IBM与Apple和Motorola 联合开发的 PowerPC Motorola 公司独立开发的 68K COLDFIRE 英国的 ARM 公司 ARM 处理器 内核等等 ARM 内核的三大主要特点如下 1 功耗低 2 性价比高 3 代码密度高 2 4 简述 ARM 体系结构的技术特征 答 1 单周期操作 ARM 指令系统中的指令只需要执行简单而和基本的操作 因此 其执行过程在一个机器周期内完成 2 采用加载 存储指令结构 由于存储器访问指令的执行时间长 通过总线对外 部访问 因此只采用了加载和存储两种指令对存储器进行读和写的操作 面向运算 部件的操作都经过加载指令和存储指令 从存储器取出后预先存放到寄存器对内 以加快执行速度 3 固定的 32 位长度指令 指令格式固定为 32 位长度 这样使指令译码结构简单 效率提高 4 地址指令格式 编译开销大 尽可能优化 采用三地址指令格式 较多寄存器 和对称的指令格式便于生成优化代码 5 指令流水线技术 ARM 采用多级流水线技术 以提高指令执行的效率 2 5 简述 Thumb Thumb 2 及 Thumb 2EE 的主要特点 答 1 Thumb 状态是 ARM 执行 16 位指令的状态 即 16 位状态 在 Thumb 模式下 较短的操作码有更少的功能性 而较短的操作码提供整体更佳的编码密度 即程序 代码在内存中占的空间 更短的 Thumb 操作码能更有效地使用有限的内存带宽 因 而提供比 32 位程序码更佳的效能 嵌入式系统原理及应用 第三版 2 2 Thumb 2 状态是 ARMV7 版本的 ARM 处理器所具有的新的状态 新的 Thumb 2 内核技 术兼有 16 位及 32 位指令 实现了更高的性能 更有效的功耗及更少地占用内存 为多种嵌 入式应用产品提供更高的性能 更有效的功耗和更简短的代码长度 Thumb 2 内核技术以 ARM 现有的指令集体系结构为基础 继承了对现有软件和开发工具链的完全兼容性 3 THUMB 2EE 或 ThumbEE 即 Thumb Execution Environment 称为 Jazelle RCT 技术 ThumbEE 提供从 Thumb 2 而来的一些扩充性 在所处的执行环境下 使得指令集能特别适用 于执行阶段的编码产生 例如即时编译 Thumb 2EE 是专为一些语言如 Limbo Java C Perl 和 Python 等设计的 并让即时编译器能够输出更小的编译码却不会影响到效能 2 6 经典 ARM 处理器有哪些工作模式 各自的含义是什么 说明模式之间的切换方法 答 经典 ARM 有以下几中工作模式 工作模式工作模式 用户模式 User 快速中断模式 FIQ 外部中断模式 IRQ 管理模式 SVC 中止模式 ABT 未定义指令模式 UND 系统模式 SYS 2 7 如果在 ARM 状态与 Thumb 状态之间进行切换 答 1 由 ARM 状态切换到 Thumb 状态 通过 BX 指令 将操作数寄存器的最低位设置为 1 即可将 ARM 状态切换到 Thumb 状态 如果 R0 0 1 则执行 BX R0 指令将进入 Thumb 状态 2 由 Thumb 状态切换到 ARM 状态 通过 BX 指令 将操作数寄存器的最低位设置为 0 即可将 Thumb 状态切换到 ARM 状态 如果 R0 0 0 则执行 BX R0 指令将进入 ARM 状态 2 8 ARM 核有多少个寄存器 什么寄存器用于存储 PC 和链接寄存器 R13 通常用来存储什 么 哪种模式下可使用的通用寄存器最少 答 ARM 内核共有 37 个寄存器 用于 PC 的寄存器是 R15 链接寄存器是 R14 R13 存储 的是堆栈指针 快速中断模式使用的寄存器最少 R0 R7 共 8 个 2 9 CPSR 的哪一位反映了处理器的状态 若 CPSR 0 x00000090 分析系统的状态 答 CPSR 的格式如下 31 30 29 28 27 26 8 7 6 5 4 3 2 1 0 N Z C V Q 状态保留 I F T M4 M3 M2 M1 M0 T 位即 CPSR 5 为处理器状态位 T 1 表示为 Thumb 状态 T 0 为 ARM 状态 CPSR 0 x0000090 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001 0000B 所有标志状态为 0 I 1 禁止外部中断 F 0 允许快速中断 T 0 为 ARM 状态 M4 M0 10000 为用户模式 2 10 经典 ARM 有哪几个异常类型 复位后 ARM 处理器处于何种模式 何种状态 答 1 经典 ARM 处理器主要异常包括 复位 RESET 未定义的指令 UND 软件中断 SWI 指令预取中止 PABT 第 2 章 嵌入式处理器体系结构 3 数据访问中止 DABT 外部中断请求 IRQ 快速中断请求 FIQ 2 复位后系统自动进入 ARM 进入管理模式 并处于 ARM 状态 2 11 简述经典 ARM 异常的中断响应过程及如何从异常处理程序中正确返回 答 一 经典 ARM 异常的中断响应过程 1 将 CPSR 的值保存到将要执行的异常中断对应的各自的 SPSR 中 以实现对处理器 当前状态 中断屏蔽及各标志位的保护 2 设置当前状态寄存器 CPSR 的相应位 设置 CPSR 中的 M4 M0 的 5 个位使进入相应工作模式 设置 I 1 禁止 IRQ 中断 如果进 入复位模式或 FIQ 模式 还要设置 F 1 以禁止 FIQ 中断 3 将引起异常指令的下一条地址 断点地址 保存到新的异常工作模式的 R14 中 使异常处理程序执行完后能正确返回原来的程序处继续向下执行 4 给程序计数器 PC 强制赋值 使转入对应的向量地址 以便执行相应的处理程序 二 返回过程如下 1 恢复原来被保护的用户寄存器 2 将 SPSR mode 寄存器值复制到 CPSR 中 使得 CPSR 从相应的 SPSR 中恢复 以恢复 被中断的程序工作状态 3 根据异常类型将 PC 值恢复成断点地址 以执行用户原来运行着的程序 4 清除 CPSR 中的中断禁止标志 I 和 F 开放外部中断 IRQ 和快速中断 FIQ 2 12 一个字的数据 0 x89ABCDEF 存放在 0 x0C100000 0 x0C100003 区域 分别说明采用小端 模式存储和大端模式存储时 上述 4 个存储单元所存的数据 答 1 小端模式的特点是高字节数据存储在高字节地址单元 因此小端模式下 0 x89ABCDEF 存放格式如下 0 xC10000000 中的数据为 0 xEF 0 xC10000001 中的数据为 0 xCD 0 xC10000002 中的数据为 0 xAB 0 xC10000003 中的数据为 0 x89 2 大端模式的特点是高字节数据存储在低字节地址单元 因此大端模式下 0 x89ABCDEF 存放格式如下 0 xC10000000 中的数据为 0 x89 0 xC10000001 中的数据为 0 xAB 0 xC10000002 中的数据为 0 xCD 0 xC10000003 中的数据为 0 xEF 2 13 已经某 ARM 处理器采用超标量的 2 条 13 级指令流水线 假设每 1 级所需时间 0 1ns 则该 ARM 处理器 1 秒钟最快能执行多少条指令 答 按照流水线的知识可知 对于 13 级指令流线的建立时间为 13 0 1ns 13 个时间片理想情况下 最多可以执行 13 条这种简单指令 即在理想情况下 每个时间片可执行一条简单指令 2 条 13 级流水线在 1 秒内可执行的指令条数 2 13 0 1 1000000000 2600000000 条 嵌入式系统原理及应用 第三版 4 2 14 说明 AMBA AHB ASB 以及 APB 的英文全称及其含义 答 AMBA Advanced Microcontroller Bus Architecture 即先进的微控制器总线体系结构 它是 ARM 公司公布的总线协议 是用于连接和管理片上系统 SoC 中功能模块的开放 标准和片上互连规范 ASB Advance System Bus 为先进的系统总线 用于连接高性能系统模块 是第一代 AMBA 系统总线 AHB Advanced High performance Bus 为先进的高性能总线 第二代系统总线 用于 连接高性能系统组件或高带宽组件 APB Advance Peripheral Bus 为先进的外围总线 支持低性能的外围接口 主要用于 连接系统的周边组件 2 15 AMBA 总线有哪两类总线构成 各自的特点是什么 答 AMBA 总线主要有系统总线和外围总线两类 系统总线连接高速部件 主要包括第 一代系统总线 ASB 第二代 AHB 第三代 AX 及第四代 ACE 等 而外围总线连接低速部件 有 APB 即 APB1 APB2 APB3 和 APB4 等 系统总线的主要特点是高速 即其连接的所有部件均能以内核速度工作 高速 而外 围总线通过连接的部件的速度均低于内核速度 2 16 一个 ARM 微控制器系统 使用 AMBA 总线结构 说明如果配置 I 2C 总线接口 SPI 总线接 口 UART 接口 GPIO 端口 SRAM RTC 接口以及 SDRAM 接口应该如何连接到总线上 答 根据 AMBA 总线的特点 快速部件全部连接在系统总线上 可知 SDRAM SRAM 以及高速 GPIO 端口连接在系统总线上 而其它均连接在外围总线上如 I 2C 总线接口 SPI 总线接 口 UART 接口 普通 GPIO 端口以及 RTC 接口 2 17 CAN 总线的定义是什么 它与其他总线相比有什么特点和优势 答 本题可参见第 8 章有关内容 CAN Controller Area Network 是控制器局域网络 仅有 CANH 和 CANL 两个信号线 采用差分传输的方式 可以进行远距离多机通信 与其它單行总线相比 可行性高 传输距离远且可多主多从方式构建控制网络 但缺点 是成本偏高 2 18 一嵌入式应用系统要求采集模拟量 8 个通道 分辨率不于 10 位 需要 UART 2 个 I 2C 总线接口 2 个 SPI 接口 1 个 内部 SRAM 要求不小于 8KB 内部 Flash 至少 32KB 内置 Enternet 引脚不超过 144 脚 试选择熟悉的 ARM 芯片 并说明理由 答 本题参照第 4 章最小系统中 MCU 的选型原则 参照第二章给出的二维码去了解多个厂家 的 MCU 的基本性能参数 比较多片内具有以太网控制器 Ent