哈尔滨工业大学嵌入式系统课程考试知识点整理

1、2011年秋季 嵌入式系统课程复习提纲整理人： 工大A02-6068寝 FuriO .CChapter 11、 嵌入式系统的定义，嵌入式系统的体系结构，嵌入式系统的组成，嵌入式系统的特点。定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以剪裁，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，就是含有处理器的专用软硬件系统，具有自主信息处理能力。体系结构：硬件层-中间层-操作系统层-应用层硬件层：嵌入式处理器、储存器系统、中断控制器、定时/计时器、DMAC、UART、USB控制器、LCD控制器中间层：板级支持包操作系统层：嵌入式操作系统（文件子系统、图形子系

2、统、网络子系统、其他应用模块）应用层：用户应用程序组成：嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统、用户应用软件系统四部分组成。特点：嵌入专用、综合性强、设计高效、程序固化、需要独立开发系统、生命周期长、可靠性高、成本低、资源受限、功耗低。2、 嵌入式处理器的结构：哈佛结构Vs冯诺依曼结构。哈佛结构：将程序指令和数据分开储存结构；存储器地址独立编址、独立访问；四总线制提高吞吐率（程序、数据分别有相对独立的数据和地址总线）；取值与执行能力并行。冯诺依曼结构：指令存储器与数据存储器一体化设计；指令地址和数据地址统一编制；高速运算时，存储传输通道有瓶颈。3、 信息存储中的大端模式，小端模

3、式。ARM处理器支持哪种模式？大端储存：低地址储存字数据的高字节。小端储存：低地址储存字数据的低字节。arm处理器支持这两种储存模式。4、 嵌入式处理器的分类及性能特点。分类：嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统 微处理器：嵌入式处理器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。 微控制器（单片机）：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

4、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。 DSP处理器：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。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。 片上系统：SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连

5、接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标 准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高 了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 5、 常见的嵌入式操作系统。哪种应用最广泛？常见嵌入式操作系统：嵌入式Linux,WindowsCE,VxWorks 目前应用最广泛的是Linux6、 嵌入式系统性能评价有何特点。流行的测试基准有哪些。性能评价特点：评价没有统一规范，不同目的、不同人员、采取不同的度量项目和测试方法，对测试结果会有不同的解释。流行的测试基准：MIPS测

6、试基准、Dhrystone测试基准，EEMBC测试向量Chapter 21、 嵌入式系统设计方法，嵌入式系统设计特点。嵌入式系统设计方法：基于EDA(PCB)和ICE的设计方法 基于EDA(PLD)和EOS的设计方法 基于IP核的系统级设计方法嵌入式系统设计特点（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2、 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。嵌入式硬件设计：体系结构设计、硬件选择、硬件布局处理器选择：应用领域与用户需求，

7、性能，工具链，开发难度，I/O接口，处理器储存系统选择（MMU，容量，SDRAM），市场因素（价格、是否易购买，技术支持与售后）3、 什么是交叉编译，为什么需要交叉编译。交叉编译：简单的说，就是在一个平台上生成另一平台所运行的代码。由于嵌入式系统的可用资源有限，嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的宿主机完成。4、 解释jtag。JTAG：JTAG(Joint Test Action Group;联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、

8、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。5、 嵌入式系统软件调试方法有哪几种。嵌入式系统软件调试方法：1,插桩调试法（stub, 在目标操作系统和调试器内分别加入某些功能模块，二者互通信息来进行调试）;2,直接调试法;3,ROM仿真调试法(运行在目标机的Flash或ROM的一段程序负责监控目标机上被调试程序的运行情况通过和宿主机的配合，完成嵌入式系统的调试);4,模拟器法(是一组应用程序运行于一个OS之上（Linux或windows）提供对目标板功能的模拟);Chapter 31、 ARM处理器特点。功耗低、成本低、性能高支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集指

9、令长度固定(32位/16位)大量使用寄存器，指令执行速度更快寻址方式灵活简单，执行效率高2、 ARM处理器的各系列情况。通用系列 ARM7系列极低的功耗（0.28mW/MHz），适合对功耗要求较高的应用;具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便;能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构;支持的操作系统：uC/OS-II、uCLinux等;性能最高可达130MIPS;ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式处理器，属低端ARM处理器核; ARM9系列5级整数流水线，指令执行效率更高;提供1.1MIPS/MHz的加速能力;全性能的MMU，支持Windows CE、Embedded Lin

10、ux等;支持数据Cache和指令Cache;性能最高可达300MIPS; ARM9E系列支持DSP指令集（MAC）;5级整数流水线，指令执行效率更高;支持VFP9浮点处理协处理器;全性能的MMU，支持Windows CE、Embedded Linux等;支持数据Cache和指令Cache;性能最高可达300MIPS; ARM10E系列支持DSP指令集（MAC）;6级整数流水线，指令执行效率更高;支持VFP10浮点处理协处理器;全性能的MMU，支持Windows CE、Embedded Linux;支持数据Cache和指令Cache;性能最高可达400MIPS; ARM11系列高性能8级流水;增

11、强的ARMv6体系结构;与同等的ARM10相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50;时钟频率达到500750MHz;低功耗ARM11系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低;0.6mW/MHz (0.13m, 1.2V); Cortex系列ARM Cortex-A Series高性能应用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 Serie

12、s实时性应用Embedded processors for real-time systems支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集ARM Cortex-M Series低成本应用Embedded processors optimized for cost sensitive applicationsSupports 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不带MMU，运行Vxworks等实时操作系统安全系列 SecurCore系列SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点

13、;提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案;SecurCore系列微处理器在系统安全方面的特点带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全;采用软处理器内核技术（处理器布局随机化），防止外部对其进行扫描探测;可集成用户自己的安全特性和其他协处理器;3、 ARM处理器的工作模式及模式转换，ARM处理器的工作状态及状态转换。ARM微处理器支持7种工作模式：User用户、System系统、IRQ外部中断、FIQ快速中断、Supervisor管理、Abort中止、Undefined未定义（详见附录）ARM处理器工作模式的转换：1、通过软件改变（系统调用）；2、通过外部中断或异常处理改变（外部

14、中断-IRQ、FIQ，异常处理-来自CPU内部）ARM微处理器有两种工作状态：ARM状态、Thumb状态（详见附录）ARM微处理器工作状态转换：在程序执行过程中，可以随时两种工作状态间切换。4、 ARM处理器的异常类型及异常响应和返回过程。异常类型：异常类型具体含义复位当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异常处理程序处执行未定义指令当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿真软件中断该异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用指令预取中止若处理器预取指令的地址不存在，或该

15、地址不允许当前指令访问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常数据中止若处理器数据访问的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常IRQ（外部中断请求）当处理器的外部中断请求引脚有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务FIQ（快速中断请求）当处理器的快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常异常响应：当出现异常后，ARM处理器会执行以下操作1 将CPSR复制到相应的SPSR中2 对CPSR进行设置根据异常类型，强制设置CPSR的工作模式位设置中断禁止位，以禁止中断发生如果处理器

16、处于Thumb状态，则切换到ARM状态3 将下一条指令的地址存入相应链接寄存器LRLR中保存的是下一条指令的地址（当前执行指令地址4或8，与异常类型有关）4 强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处 异常返回：异常响应处理完毕，处理器将从异常返回：1、将SPSR复制回CPSR；2、将链寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中。另外，复位异常处理程序不需要返回。5、 ARM处理器的寄存器组织的用途。ARM处理器的寄存器：37个32位寄存器(31个通用寄存器,6个状态寄存器);这些寄存器不能被同时访问,取决于处理器的工作状态、工作模式。（详见附录）6、 ARM

17、处理器的寻址方式。ARM寻址方式：1-立即寻址 操作数本身就在指令中给出，只要取出指令也就取到了操作数；2 -寄存器寻址利用寄存器中的数值作为操作数, 这种寻址方式是各类微处理器经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式；3 -寄存器间接寻址以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器;4 -基址寻址将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加;5 -相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量;6 -多寄存器寻址一条指令可以完成多个寄存器值的传送，最多传送16个通用寄存器的值;7 -堆栈寻址7、 ARM处理器的基本指令（

18、课件中举例的）。基本指令集：1-跳转指令 2-数据处理指令（数据传送指令、算术逻辑运算指令和比较指令）3-乘法指令与乘加指令4-程序状态寄存器访问指令5-加载/存储指令6-数据交换指令7-移位指令8-协处理器指令9-异常产生指令Chapter 51、 硬件电路设计原理（几个步骤）。原理图(SCH)-网络表(NET)-印制板(PCB)2、 集成电路功耗产生的原因，功耗的种类，低功耗设计有哪些技术。集成电路的功耗包括静态功耗和动态功耗两部分静态功耗电路状态没有翻转时产生的功耗静态功耗：Ps = V*I动态功耗电路状态发生翻转时产生的功耗动态功耗：Pd=V2*f*CV为工作电压，f为时钟频率，C为负

19、载电容目前大多数电路采用CMOS工艺，静态功耗很小，可以忽略，起主要作用的是动态功耗，因此降低功耗主要从降低动态功耗入手低功耗设计技术：低功耗器件、低功耗电路形式、单电源低电压供电、电源管理单元设计、降低或动态改变处理器的时钟频率、降低持续工作电流、编译低功耗优化设计、硬件软化与软件硬化、减少处理器工作时间、采用快速算法、通信中尽量传输通信速率、数据采集系统中降低采集速率、显示器静态/动态显示3、 嵌入式系统的中的存储器类型，解释虚拟存储器。在嵌入式系统中所用到的存储器主要有：触发器（Flip-Flops and Latches）、寄存器（Register Files）、静态随机访问存储器（S

20、RAM）、动态随机访问存储器（DRAM）、闪速存储器（FLASH）、磁盘（Magnetic Disk）等. 这些存储器的速度，为触发器最快，寄存器次之，SRAM再次，DRAM较慢，然后是FLASH，磁盘最慢;价格正好反之，磁盘的每兆字节价格最便宜，触发器最贵虚拟存储器: 虚拟存储器（Virtual Memory）技术是一种通过硬件和软件的综合来扩大用户可用存储空间的技术;虚拟存储器主要是为了满足应用程序对高速大容量主存的需求 ;虚拟存储器实现的重定位是由一个地址映象表机构完成 ;虚拟存储器还提供存储共享和保护机制 ;嵌入式系统的VR通常由MMU硬件实现。4、 RS232C概述，其机械特性和电气

21、特性，如何实现双机互联。RS232C定义了数据终端设备(DTE)与数据通信设备(DCE)之间的接口特性,是接口电路与外设连接的通信标准。 机械特性：接口、电缆，e.x.DB25、RJ45电气特性：非归零、双极性编码、负逻辑电平（逻辑1 -5-15V）双机互联：1，无硬件握手； 2，有硬件握手：(硬件握手工作过程详见附录)5、 USB规范、USB构成，USB体系结构。USB（Universe Serial Bus）规范：USB1.1规范（1998年，1.5Mbps、12Mbps）USB2.0规范（2000年，1.5Mbps、12Mbps、480Mbps）USB3.0规范（2008年11月17日，

22、1.5Mbps、12Mbps、480Mbps、5.0Gbps）USB构成：一个USB系统定义为三个部分，主机、设备、互联。（详见附录）6、 了解PCI总线概述及特性。PCI总线概述：是一种同步的独立于处理器之外的32/64位系统总线。PCI总线特性: 高带宽、高速度与处理器无关，具有自动配置能力同步时序协议集中式仲裁策略典型的多总线体系结构采用主从结构的系统总线支持无限的突发式（Burst）传送可以传送单个数据，也可以是成组数据Chapter 71、 嵌入式Linux的特点，典型嵌入式Linux。嵌入式Linux的特点:继承了Linux的优点开源开放有较为成熟的技术社区体积小无许可证费用工具链

23、越来越完整和丰富可以进行定制化的改造实时性得到了提高对嵌入式的硬件有较好的支持典型嵌入式Linux：p 嵌入式Linux有多个不同的版本u 源于linux u 应用于不同的领域u 有各自的特点p 典型的嵌入式Linuxu 出现很多嵌入式linux: Embedix，ETLinux，LEM，RTLinux, LinuxRouterProject，LOAF，uCLinux，muLinux，ThinLinux，FirePlug和PizzaBoxLinux u 平台化嵌入式linux n Android n Moblin+MaemoMeeGO 2、 嵌入式Linux的进程状态转换，嵌入式Linux的进

24、程创建和删除方法，进程调度。3、 嵌入式Linux系统调用含义，嵌入式Linux的中断处理过程。4、 嵌入式Linux的信号机制，进程互斥方法。5、 嵌入式Linux内存管理机制，虚拟文件系统。附录p ARM微处理器支持7种工作模式u User-用户模式（usr）n ARM处理器正常的程序执行状态u System-系统模式（sys）n 运行具有特权的操作系统任务u IRQ-外部中断模式（irq）n 用于通用的中断处理u FIQ-快速中断模式（fiq）n 用于高速数据传输或通道处理 u Supervisor-管理模式（svc）n 操作系统使用的保护模式n 复位、软中断调用（SWI） u Abor

25、t-中止模式(abt) n 当数据或指令预取中止时进入该模式n 可用于虚拟存储及存储保护u Undefined-未定义指令模式（und）n 当未定义的指令执行时进入该模式n 可用于支持硬件协处理器的软件仿真p 特权模式u 除用户模式以外，其余6种模式称之为特权模式（Privileged Modes）u 当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的p 异常模式u 除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式（Exception Modes）常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况p ARM微处理器的工作状态一般有两种u 第一种为ARM状态n 处理器执行32位的

26、ARM指令n ARM指令要求字对齐u 第二种为Thumb状态n 处理器执行16位的Thumb指令n Thumb指令要求半字对齐p 工作状态切换u 在程序的执行过程中，处理器可以随时在两种工作状态之间切换u 处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容u ARM微处理器在开始执行代码时总是处于ARM状态n 也就是复位后进入ARM状态p 工作状态切换方法u 进入Thumb状态n 执行BX指令p BX：带状态切换的跳转指令p 当操作数寄存器的最低位0为1时，可以使微处理器从ARM状态切换到Thumb状态p BX R0;R0的最低位0为1n 处理器工作在Thumb状态，如果发生异常

27、并进入异常处理子程序，则异常处理完毕返回时，自动从ARM状态切换到Thumb状态u 进入ARM状态n 执行BX指令p BX：带状态切换的跳转指令p 当操作数寄存器的最低位0为0时，可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM 状态p BX R0;R0的最低位0为0n 处理器工作在Thumb状态，如果发生异常并进入异常处理子程序，则进入时处理器自动从Thumb状态切换到ARM状态 p ARM状态下的寄存器组织u 通用寄存器n 通用寄存器包括R0R15 n 可以分为三类p 未分组寄存器R0R7 p 分组寄存器R8R14p 程序计数器R15 (PC)u 未分组寄存器R0R7 n 在所有的工作模式下，每

28、个未分组寄存器都指向对应的一个物理寄存器n 在中断或异常处理进行工作模式转换时，由于不同的处理器工作模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏u 分组寄存器R8R14n R8R12p 每个寄存器对应2个不同的物理寄存器p 当使用FIQ模式时，访问R8_fiqR12_fiq p 当使用其他模式时，访问R8_usrR12_usr n R13、R14p 每个寄存器对应6个不同的物理寄存器p 其中一个寄存器是用户模式与系统模式共用p 另外5个物理寄存器对应于其他5种不同的工作模式 u R13寄存器n 常用作堆栈指针SP（Stack Pointer），一种习惯用法n 也可使用其他的寄存器作

29、为堆栈指针n 在Thumb指令集中，某些指令强制使用R13作为堆栈指针n 在应用程序初始化时，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该工作模式的栈空间u R14寄存器n 也称链接寄存器LR （Link Register） p 当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15（程序计数器PC）的备份p BL Label；下一条指令地址LR, LabelPC n 当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用来保存R15的返回值n 其他情况下，R14用作通用寄存器u R15寄存器 n R15寄存器用作程序计数器（PC）n 在A

30、RM状态下，位1:0为0，位31:2用于保存PC n 在Thumb状态下，位0为0，位31:1用于保存PCn 由于ARM体系结构采用了多级流水结构，对于ARM指令集而言，PC总是指向当前执行指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前执行指令的地址值加8个字节 n R15也可用作通用寄存器，但一般不这么使用p 因为对R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的u CPSR寄存器n 用作CPSR(Current Program Status Register) n CPSR可在任何工作模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制

31、和状态位n 异常模式下有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（Saved Program Status Register）p 当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR p 用户模式和系统模式不属于异常模式，没有SPSR p Thumb状态下的寄存器组织u Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集n 程序可以直接访问p 8个通用寄存器（R7R0）p 程序计数器（PC）p 堆栈指针（SP）p 连接寄存器（LR）p CPSR n 在每一种异常模式下都有一组SP、LR和SPSR p 两种状态下寄存器比较p 程序状态寄存器的构成 u 一

32、个当前程序状态寄存器（CPSR）u 五个备份程序状态寄存器（SPSR）n 备份的程序状态寄存器用来进行异常处理p 程序状态寄存器的功能u 保存ALU中的当前操作信息u 控制允许和禁止中断u 设置处理器的工作模式 p 条件码标志（Condition Code Flags）u N、Z、C、V均为条件码标志位n 它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行u 在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的u 在Thumb状态下，仅有分支指令B是有条件执行的u 标志位Nn 当用两个补码表示的带符号数进行运算时n N=1 表示运算结果为负数 n N=0 表示运算结果为正数或零

33、u 标志位Zn Z=1 表示运算结果为零；Z=0 表示运算结果为非零u 标志位Vn 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出n 对于其他的非加/减运算指令，V的值通常不改变 u 标志位Cn 加法运算（包括比较指令CMN）：p 当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0n 减法运算（包括比较指令CMP）：p 当运算时产生了借位（无符号数溢出），C=1，否则C=0n 对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位n 对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变 u 中断禁止位I和Fn I=1禁止IRQ中断；I=0允许IRQ中断

34、n F=1禁止FIQ中断；F=0允许IRQ中断u 运行状态控制位T n 对于ARM v5及以上的T系列处理器，当该位为1时，程序运行于Thumb状态，否则运行于ARM状态n 对于ARM v5及以上的非T系列处理器，当该位为1时，执行下一条指令以引起未定义指令异常；当该位为0时，表示运行于ARM状态u 工作模式位M4:0 n 这些位决定了处理器的工作模式p 指令助记符助记符 指令功能描述 ADC带进位加法指令ADD加法指令AND逻辑与指令B跳转指令BIC位清零指令BL带返回的跳转指令BLX带返回和状态切换的跳转指令BX带状态切换的跳转指令CDP协处理器数据操作指令CMN取负比较指令CMP比较指令助记符 指令功能描述 ADC带进位加法指令A