湖南大学-嵌入式系统试卷

一一 填空填空 ( (每空每空 1 1 分，共分，共 20 20 分分) ) 1.嵌入式微处理器一般可分为嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器、嵌入式微处理器和 嵌入式片上系统 四种类型。 2.嵌入式系统体系结构一般具有 冯洛依曼 和 哈佛 两种基本形式。 3.嵌入式存储系统一般由 高速缓存 、 内存 和 外存 组成。 4.嵌入式存储系统具有 大端格式 和 小端格式 两种数据存放格式。 5 从编程的角度看，ARM 微处理器的一般有 ARM 和 THUMB 两种工作状态。 6.嵌入式软件的开发一般分为 生成 、调试 和 固化运行 三个步骤。 7.嵌入式 LINUX 的内核有五个组成部分，它们是进程调度、内存管理 、 虚拟文件系统 、 网络接口 和 进程通信。 8.操作系统是联接硬件与应用程序的系统程序，其基本功能有： I/O 资源管理。 9.从嵌入式操作系统特点可以将嵌入式操作系统分为实时操作系统和分时操作系统， 其中实 硬实时系统和软实时系统。 1. 嵌入式系统是以应用中心，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、 功耗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部分组成. 2. 在嵌入式系统设计过程中，需求分析包括：功能性需求分析和非功能性需求分析。 3. 总线按照传输关系分类可分为：主从结构和对等结构。 4. RS-232C 的帧格式由四部分组成，包括：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。 5. I/O 接口电路数据传送方式有：查询、中断、DMA、I/O 通道和 I/O 处理机方式。 6. 实时系统的关键问题是保证系统的实时性； 实时操作系统就是指具有实时性、 能支持实 时系统工作的操作系统。 7. 实时操作系统的评价指标有：任务调度算法、上下文切换时间、确定性、最小内存开销 和最大中断禁止时间。 8. Bootloader 主要功能是系统初始化、加载和运行内核程序。 9. 进程与线程： 进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动， 是系 统进行资源分配和调度的独立单位。 可与其他程序并发执行的程序， 在一个数据集合 上的运行的过程。它是系统进行资源分配和调度的独立单位 10. 嵌入式系统五层结构：硬件层、引导层、内核层、uI 层(userinterface)和应用层 11. 目前使用的嵌入式操作系统主要有哪些:Windows CE/Windows Mobile、 VxWork、 Linux、 uCos、Symbian、QNX 12. ARM 微处理器有 7 种工作模式，它们分为两类 非特权模式和特权模式，其中用户模 式属 非特权模式。 二二 简答简答 ( (每题每题 5 5 分，共分，共 30 30 分分) ) 1.简要叙述嵌入式系统的定义。简要叙述嵌入式系统的定义。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且在软、硬件方面可进行裁剪，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。 2. 什么是嵌入式实时操作系统？简单叙述其特点。什么是嵌入式实时操作系统？简单叙述其特点。 实时操作系统就是“在给定的时间内提供某种程度的服务， 如果在规定的时间内没有得到 结果，那整个的系统就是失败”。 对于实时操作系统其首要任务是调度一切可利用的资源完 成实时控制任务，其次才着眼提高计算机系统的使用效率。 3.什么是操作系统的移植？什么是操作系统的移植？ 操作系统的移植是指一个操作系统经过适当修改以后， 可以安装在不同类型的微处理器系统 上进行运行。 4. 简要叙述简要叙述 ARM 体系微处理器中控制程序的执行流程方式？体系微处理器中控制程序的执行流程方式？ 在 ARM 体系微处理器中通常有 3 种方式控制程序的执行流程方式。它们是：正常顺序执行 指令； 通过跳转命令跳转到特定的标号处； 异常处理。 5. 简要叙述嵌入式系统的设计步骤？简要叙述嵌入式系统的设计步骤？ 嵌入式系统设计的重要特点是技术多样化，即实现同一个嵌入式系统可以有许多不同的 设计方案选择， 而不同的设计方案就意味使用不同的设计和生产技术。 嵌入式系统设计一般 步骤：1）需求分析 2）体系结构设计 3）硬件/软件设计 4）系统集成和系统测试 6. 嵌入式系统中电源管理器的作用有哪些？嵌入式系统中电源管理器的作用有哪些？ 操作系统是通过电源管理器来进行系统的电源管理，提高整个系统的电源效率，并为每 一个外围设备模块提供电源管理。 通过电源管理不仅可以减少目标设备上的电源损耗， 而且 可以在系统重启、运行、空闲和挂起的电源状态下保存 RAM 中的文件系统。电源管理模块 通过软件来控制系统时钟，以降低微处理器的耗电量。这些方案与、时钟控制逻辑、 外设的时钟控制以及唤醒信号有关。 1.简述嵌入式处理器的特点（列出五个特点以上） 。简述嵌入式处理器的特点（列出五个特点以上） 。 答：低档处理器多采用哈佛结构，高档处理器多采用冯 诺伊曼结构；品种规格系列化；对 实时多任务有很强的支持能力；可靠性高、功耗低、集成度高、性价比高。 2.什么是信号的建立时间？什么是信号的保持时间？什么是信号的建立时间？什么是信号的保持时间？ 答：建立时间：在时钟信号边沿到来之前，数据信号必须提前一段时间保持稳定有效。保持 时间：在时钟信号边沿到来之后，数据信号必须在随后的一段时间内保持稳定有效。 3.什么是非抢先式实时操作系统？有何优缺点？它的实时性如何决定？什么是非抢先式实时操作系统？有何优缺点？它的实时性如何决定？ 答：对于基于优先级的实时操作系统而言，非抢先式实时操作系统是指某个任务运行后，就 把 CPU 控制权完全交给了该任务，直到它主动将 CPU 控制权还回来。优点：实时性比不使 用实时操作系统的好，程序设计相对简单，可调用不可重入函数（任务间不嵌套） 。 缺点：如果最长任务的执行时间不能确定，系统的实时性就不能确定。 （1 分） 实时性：取决于最长任务的执行时间。 （1 分） 4.简述优先级倒置产生的条件、现象以及解决方案。简述优先级倒置产生的条件、现象以及解决方案。 答：条件：基于优先级抢先式的任务调度、资源共享。 （1 分） 现象：低优先级任务 L 和高优先级任务 H 共享资源，在任务 L 占有共享资源之后，任务 H 就绪，但这时任务 H 必须等待任务 L 完成对共享资源的操作。在任务 L 完成对共享资源的 操作之前，任务 M 也已就绪并将抢先任务 L 运行。在任务 M 运行时，系统中具有最高优先 级的任务 H 仍然保持挂起状态。 （3 分）解决方案：优先级继承、优先级顶置。 （1 分） 1、 谈一谈嵌入式系统的发展趋势（列出五个趋势以上） 。谈一谈嵌入式系统的发展趋势（列出五个趋势以上） 。 答： 产品种类不断丰富； 应用范围不断普及； 性能不断提高； 功耗不断降低， 体积不断缩小； 网络化、智能化程度不断提高；软件成为影响价格的主要因素。 （每个趋势 1 分） 2、 简述嵌入式微处理器的特点。简述嵌入式微处理器的特点。 答：嵌入式微处理器的特点：通用微处理器的增强，一般为 32 位。 （1 分） 构成：一般 CPU、存储器、I/O 接口三者分离； （1 分） 性能：一般为 1002000MIPS； （1 分） 存储器：Flash 一般为 116MB，SDRAM 一般为 264MB； （1 分） 一般加载复杂嵌入式操作系统：VxWorks、WinCE、 Clinux 等。 （1 分） 3、 什么是访存时序配合？什么是访存时序配合？ 答：存控发出的信号要满足存储器的时序要求；存储器返回的信号要满足存控的时序要求。 4、 请指出请指出 USB 总线的四种传输类型，并指出每一种传输类型的基本特点。总线的四种传输类型，并指出每一种传输类型的基本特点。 答 四种传输类型：控制传输、批量传输、中断传输和等时传输（1 分） 控制传输：双向，纠错，查询、配置设备信息； （1 分） 批量传输：单向，纠错，大块无结构数据，延迟不定； （1 分） 中断传输：单向，纠错，小块无结构数据，延迟确定； （1 分） 等时传输：单向，无纠错，大块无结构数据，延迟确定。 （1 分） 5、 什么是前后台系统？有何优缺点？它的实时性如何决定？什么是前后台系统？有何优缺点？它的实时性如何决定？ 答：前后台系统：分为前台程序和后台程序。前台程序也称中断级程序，通过中断来处理事 件，在中断服务子程序中，一般对中断做一些简单的处理，然后给出事件发生的标志，待后 台程序来处理；后台程序也称任务级程序，一个死循环，循环查询各种标志位，如果标志位 置位，就执行相应的任务程序。 （2 分） 优点：系统结构简单，几乎不需要额外的存储开销。 （1 分） 缺点：所有的任务具有相同的优先级别，任务响应时间不可预测；后台程序是一个无限循环 的结构， 一旦在这个循环体中正在处理的任务崩溃， 使得整个任务队列中的其他任务得不到 机会被处理，从而造成整个系统的崩溃。 （1 分） 实时性：取决于所有其它任务的执行时间之和。 （1 分） 6、 简述嵌入式操作系统和实时操作系统的关系。简述嵌入式操作系统和实时操作系统的关系。 答： “嵌入式”并不意味着“实时” ，例如 Clinux、Embedded Linux 为嵌入式操作系统但非 实时操作系统； “实时”并不意味着“嵌入式” ，例如 OpenVMS 为实时操作系统但非嵌入式 操作系统；不过实际上，目前的嵌入式操作系统（EOS）基本上是实时操作系统（RTOS） 。 7 . : 1 宿主机 2 目标机 3 基于 JTAG 的 ICD 仿真器、或调试监控软件、 或在线仿真器 ICE 4 运行于宿主机的交叉编译器 和链接器、以及开发工具链或软件开发环境 5 嵌入式操作系 8 . Boot Loader 在嵌入式系统中主要起什么作用在嵌入式系统中主要起什么作用 答:Boot Loader 是在嵌入式系统复位启动时,操作系统内核运行前,执行的一段程序。 通过 Boot Loader,初始化硬件设备,建立内存和 I/O 空间映射图,为最终加载操作系统内核调整好适 当的系统软硬件环境. 9.什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统， 答： 嵌入式系统是 “以应用为中心、 以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪、 功能、 可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 ” 特点：1）是专用的计算机系统，用于 特定的任务 2）资源较少，可以裁减 3) 功耗低，体积小，集成度高，成本低; 4 操作系统 5) 可靠性要求更高，具有系统测试和可靠性评估体系; 6 运行环境差异大 7）大 部分程序固化在 ROM 中 8) 较长的生命周期 9）嵌入式微处理器通常包含专用调试电路。 10.嵌入式系统开发的基本流程嵌入式系统开发的基本流程? 答：1 2 3 初步设计方案性价比评估与 4 5 6 系统功能性能测 试及可靠性测试 11.ARM 处理器的工作模式有哪几种？处理器的工作模式有哪几种？ 1usr 2fiq3irq4 操作系统保护模 svc 或管理模式 5 数据访问中止模式 abt 6und 13. 写出写出 uc/os 操作系统在某一任务正在执行时发生中断的处理过程。操作系统在某一任务正在执行时发生中断的处理过程。 终断现有程序保护现场-执行中断服务程序-判断当前程序优先级或是否允许任务 调度-执行原来程序-（是）-返回 14. ARM 体系异常处理流程体系异常处理流程 1、 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器 LR， 以便程序在处理异常返回时能从正确的位 置重新开始执行。2、将 CPSR 复制到相应的 SPSR 中。3、根据异常类型，强制设置 CPSR 的运行模式位。4、强制 PC 常处理程序处。5、异常处理完毕之后，ARM 微处理器会执行以下几步操作从异常返回：a 将连接寄存器 LR 的值减去相应的偏移量后送到 PC 中。b、将 SPSR 复制回 CPSR 中。c、 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。 15.ARM 的异常有哪几种，的异常有哪几种，各进入何种工作模式各进入何种工作模式， 1Reset 2undefined instruction 3SWI 4Prefech Abort 5Data Abort 6FIQFIQ 7IRQIRQ 1、SWI，未定义的返回，MOVS PC,R142、IRQ,FIQ, SUBS PC,R14,#43、数据中止返回并重新存取，SUBS PC,R14,#8 异常中断的优先级：复位- 数据异常中止-FIQ - IRQ-预取指异常中止-SWI- 未定义指令 1、简要叙述嵌入式处理器具备的、简要叙述嵌入式处理器具备的 4 个特点。个特点。 （l）大量使用寄存器，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的执行时间减少到最低限度。结构上采用 RISC 结构形式。 （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，最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。支持 ARM ( 32 位）和 Thumb ( l6 位）双指令集，兼容 8 位16 位器件。 （4）小体积、低功耗、成本低、高性能，嵌入式处理器功耗很低，用于便携式的无线及移动的 计算和通信设备中，电池供电的嵌入式系统需要功耗只有 mW 甚至W 级。 2、简单叙述、简单叙述 ARM 微处理器微处理器的异常中断响应过程。的异常中断响应过程。 首先， 将当前程序状态寄存器 CPSR 的内容保存到将要执行的异常中断对应的备用程序状态寄存 器 SPSR 中，以实现对处理器当前状态、中断屏蔽位及各条件标志位的保存。各异常中断模式都 有自己相应的物理 SPSR 寄存器。 然后， 将引起异常指令的下一条指令的地址保存到新的异常工作模式的 R14 即 R14_mode 中， 使 异常处理程序执行完后能正确返回原程序。 最后，给程序计数器强制赋值，使程序在对应的矢量地址开始执行中断处理程序。一般矢量地址 处将包含一条指向相应程序的转移指令， 从而可跳转到相应的异常中断处理程序处执行异常中断 处理程序。 3、什么是同步？什么是异步？、什么是同步？什么是异步？ 与系列时间相关事件称为同步事件，驱动的任务为同步任务。 随机发生的事件称为异步事件，驱动的任务为异步任务，如中断等。 4、简要叙述实时系统的评价指标？、简要叙述实时系统的评价指标？ 在实时系统中主要有三个指标来衡量系统的实时性，即响应时间（Response Time ）、生存时间 （Survival Time）、吞吐量（Throughput ）。 响应时间（Response Time)：是计算机识别一个外部事件到作出响应的时间，在控制应用中它是 最重要的指标，如果事件不能及时的处理，系统可能就会崩溃。 生存时间（Survival Time )：是数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效的。 吞吐量（Throughput)：是在一给定时间内（秒），系统可以处理的事件总数。例如通讯控制器 用每秒钟处理的字符数来表示吞吐量，吞吐量是平均响应时间的倒数。 5、简要叙述非占先式调度法与占先式调度法？、简要叙述非占先式调度法与占先式调度法？ 非占先式也称作合作型多任务 （cooperative multitasking ) ， 各个任务彼此合作共享一个 CPU。 中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。 但中断服务以后控制权还是回到 原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃 CPU 的使用权时，那个高优先级的任务才能获 得 CPU 的使用 当系统响应时间很重要时，要使用占先式内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到 CPU 的 控制权。即当一个运行着的任务使