2025年大学嵌入式系统原理期末试题及答案

2025年大学嵌入式系统原理期末试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种处理器架构常用于嵌入式系统？（）A.x86B.ARMC.PowerPCD.以上都是答案：D。x86架构在工业控制等嵌入式领域有应用；ARM架构凭借低功耗、高性能广泛应用于移动设备、物联网等众多嵌入式场景；PowerPC曾在苹果早期设备及一些工业、航空航天等嵌入式系统中使用，所以以上架构都常用于嵌入式系统。2.嵌入式系统中，实时操作系统（RTOS）的主要特点是（）A.高吞吐量B.实时响应C.多用户支持D.图形化界面答案：B。实时操作系统的核心特点是能够在规定的时间内对外部事件做出响应，保证系统的实时性，而高吞吐量一般不是RTOS最突出的特点；多用户支持常见于通用操作系统；图形化界面也不是RTOS的主要特性。3.在ARM汇编语言中，以下哪个指令用于数据传送？（）A.ADDB.MOVC.SUBD.CMP答案：B。MOV指令用于在寄存器之间或寄存器与立即数之间进行数据传送；ADD是加法指令；SUB是减法指令；CMP是比较指令。4.嵌入式系统中，中断服务程序（ISR）的执行过程中，通常会（）A.禁止所有中断B.允许所有中断C.只允许高优先级中断D.只允许低优先级中断答案：C。在中断服务程序执行时，一般为了避免中断嵌套导致系统混乱，会禁止同级或低优先级中断，但允许高优先级中断，以保证高优先级事件能及时得到处理。5.下列哪个不是嵌入式系统的硬件组成部分？（）A.处理器B.操作系统C.存储器D.输入输出设备答案：B。操作系统属于嵌入式系统的软件部分，而处理器、存储器和输入输出设备是构成嵌入式系统硬件平台的基本组成部分。6.在嵌入式系统中，SPI总线是一种（）A.并行总线B.串行总线C.异步总线D.模拟总线答案：B。SPI（SerialPeripheralInterface）即串行外设接口，是一种高速、全双工、同步的串行通信总线。7.以下哪种方法可用于嵌入式系统的调试？（）A.示波器观察B.逻辑分析仪分析C.JTAG调试D.以上都是答案：D。示波器可用于观察信号的波形、频率等参数；逻辑分析仪能对数字信号进行分析；JTAG（JointTestActionGroup）是一种常用的嵌入式系统调试接口，可实现对芯片内部寄存器和存储器的访问，所以以上方法都可用于嵌入式系统调试。8.嵌入式系统的Bootloader的主要功能是（）A.加载操作系统B.实现文件系统C.提供图形界面D.管理内存答案：A。Bootloader是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序，其主要功能是初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核做好准备，也就是加载操作系统。9.在ARMCortexM系列处理器中，NVIC是指（）A.嵌套向量中断控制器B.内存管理单元C.直接内存访问控制器D.通用输入输出端口答案：A。NVIC（NestedVectoredInterruptController）即嵌套向量中断控制器，用于管理ARMCortexM系列处理器的中断。10.嵌入式系统中，GPIO端口的主要作用是（）A.实现高速数据传输B.连接外部设备C.处理音频信号D.进行图形处理答案：B。GPIO（GeneralPurposeInput/Output）即通用输入输出端口，可通过软件配置为输入或输出模式，用于连接各种外部设备，如按键、LED等。二、填空题（每题2分，共20分）1.嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。2.ARM处理器有7种运行模式，分别为用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义指令异常模式和系统模式。3.在嵌入式系统中，常见的操作系统有Linux、uC/OSII、VxWorks等。4.嵌入式系统的硬件设计中，电源管理模块的主要作用是为系统各部分提供稳定的电源，并实现节能控制。5.SPI总线通常由时钟线（SCK）、主输出从输入线（MOSI）、主输入从输出线（MISO）和片选线（SS）四条线组成。6.中断处理过程一般包括中断请求、中断响应、中断处理和中断返回四个阶段。7.在ARM汇编中，寄存器R13通常用作堆栈指针（SP）。8.嵌入式系统的软件开发流程一般包括需求分析、设计、编码、调试和测试等阶段。9.I2C总线是一种两线式串行总线，由数据线（SDA）和时钟线（SCL）组成。10.嵌入式系统中，DMA（直接内存访问）的主要优点是在不占用CPU资源的情况下实现高速数据传输。三、简答题（每题10分，共30分）1.简述嵌入式系统的特点。答：嵌入式系统具有以下特点：专用性强：嵌入式系统是为特定的应用而设计的，其软硬件都是针对具体的应用需求进行裁剪和优化，以满足特定功能的要求。例如，智能手环主要用于健康监测，其系统功能和硬件配置都是围绕这一应用展开的。资源受限：通常在体积、功耗、处理能力和存储容量等方面受到限制。为了降低成本和功耗，嵌入式系统的处理器性能、内存和存储容量往往比通用计算机小。比如，一些物联网传感器节点的处理器性能较低，内存也只有几KB到几十KB。实时性要求高：很多嵌入式系统需要在规定的时间内对外部事件做出响应，以保证系统的正常运行。例如，汽车的防抱死制动系统（ABS）必须在极短的时间内对车轮的转速变化做出反应，否则可能导致刹车失灵。可靠性高：在一些关键应用领域，如航空航天、医疗设备等，嵌入式系统的可靠性至关重要。系统需要能够长时间稳定运行，具备容错和纠错能力，以避免因系统故障而造成严重后果。软硬件紧密结合：嵌入式系统的硬件和软件是相互依存、紧密结合的。软件直接控制硬件的运行，硬件为软件提供运行平台。为了提高系统的性能和效率，往往需要对软硬件进行协同设计和优化。开发难度大：开发嵌入式系统需要同时掌握硬件设计和软件开发知识，并且要熟悉特定的开发工具和调试方法。此外，由于资源受限，开发过程中需要对代码进行优化，以提高系统的性能和效率。2.说明ARM处理器的异常处理机制。答：ARM处理器的异常处理机制是其保证系统稳定性和实时响应能力的重要组成部分，主要包括以下几个方面：异常类型：ARM处理器有多种异常类型，如复位（Reset）、未定义指令异常（UndefinedInstruction）、软件中断（SWI）、预取中止（PrefetchAbort）、数据中止（DataAbort）、快速中断请求（FIQ）和中断请求（IRQ）。每种异常都有其特定的触发条件，例如复位异常在系统上电或复位引脚有效时触发；未定义指令异常在执行未定义的指令时触发。异常向量表：ARM处理器在内存的低地址区域（0x000000000x0000001C）定义了异常向量表，每个异常对应一个固定的内存地址，当异常发生时，处理器会自动跳转到相应的异常向量地址处执行代码。例如，复位异常的向量地址是0x00000000，中断请求（IRQ）的向量地址是0x00000018。异常响应过程：当异常发生时，处理器会执行以下操作：保存当前处理器状态：将当前程序状态寄存器（CPSR）的值保存到相应异常模式下的程序状态保存寄存器（SPSR）中。修改处理器模式：根据异常类型，将处理器切换到相应的异常模式。例如，发生中断请求时，处理器会切换到中断模式。保存返回地址：将当前程序计数器（PC）的值减去一个偏移量（根据异常类型而定）后保存到相应异常模式下的链接寄存器（LR）中，以便异常处理结束后能正确返回。跳转到异常向量地址：处理器将异常向量地址加载到PC中，从而跳转到相应的异常处理程序入口。异常处理程序：在异常向量地址处，通常存放一条跳转指令，跳转到具体的异常处理程序。异常处理程序负责处理异常事件，如读取中断源、清除中断标志等。处理完成后，需要进行异常返回操作。异常返回：异常处理程序结束时，会将SPSR的值恢复到CPSR中，将LR的值恢复到PC中，从而使处理器返回到异常发生前的状态继续执行程序。3.比较UART、SPI和I2C三种串行通信总线的特点。答：UART、SPI和I2C是嵌入式系统中常用的三种串行通信总线，它们的特点比较如下：通信方式UART：通用异步收发传输器（UART）是一种异步串行通信方式，通信双方不需要共享时钟信号，通过约定好的波特率来实现数据的传输。数据以字节为单位进行传输，每个字节前面有一个起始位，后面有一个或多个停止位，中间可以有奇偶校验位。SPI：串行外设接口（SPI）是一种同步串行通信方式，通信双方通过共享时钟信号（SCK）来同步数据传输。SPI采用主从模式，一个主设备可以连接多个从设备，通过片选线（SS）来选择要通信的从设备。I2C：集成电路总线（I2C）也是一种同步串行通信方式，采用主从架构，通过两根线（数据线SDA和时钟线SCL）实现多主多从的通信。每个设备都有一个唯一的地址，主设备通过地址来选择要通信的从设备。传输速率UART：传输速率相对较低，常见的波特率有9600bps、115200bps等。由于是异步通信，需要额外的起始位、停止位和校验位，所以数据传输效率相对较低。SPI：传输速率较高，可以达到几十Mbps甚至更高。SPI采用全双工通信方式，并且没有额外的起始位和停止位，数据传输效率高。I2C：传输速率一般在几百Kbps到几Mbps之间。I2C采用半双工通信方式，数据传输速率相对SPI较低。硬件复杂度UART：硬件实现相对简单，只需要两根线（发送线TX和接收线RX）即可实现通信。但是由于是异步通信，需要在软件上进行复杂的波特率设置和数据帧解析。SPI：硬件复杂度适中，需要时钟线（SCK）、主输出从输入线（MOSI）、主输入从输出线（MISO）和片选线（SS）。对于多个从设备，需要多个片选线来进行选择。I2C：硬件复杂度较低，只需要两根线（SDA和SCL），并且可以通过设备地址来选择多个从设备，减少了硬件连线。应用场景UART：常用于与计算机、调制解调器等设备进行通信，也可用于一些对传输速率要求不高的设备之间的通信，如传感器数据的传输。SPI：适用于对传输速率要求较高、数据量较大的场合，如与Flash存储器、LCD显示屏等设备的通信。I2C：常用于连接多个低速设备，如温度传感器、EEPROM等，在一些需要多设备通信的系统中应用广泛。四、编程题（每题15分，共30分）1.用ARM汇编语言编写一个程序，实现将两个32位寄存器R0和R1中的数据相加，结果存放在R2中。```asmAREAAddExample,CODE,READONLYENTRYMOVR0,0x12345678;将0x12345678赋值给R0MOVR1,0x87654321;将0x87654321赋值给R1ADDR2,R0,R1;R2=R0+R1B.;程序无限循环END```解释：首先使用`AREA`伪指令定义一个代码段`AddExample`，并设置为只读。`ENTRY`表示程序的入口点。`MOV`指令分别将两个32位的立即数赋值给R0和R1。`ADD`指令将R0和R1中的数据相加，结果存放在R2中。最后，`B.`指令使程序进入无限循环，防止程序跑飞。2.用C语言编写一个简单的嵌入式系统程序，通过GPIO端口控制一个LED的亮灭，假设LED连接到GPIO端口的第3位，并且该GPIO端口的基地址为0x40000000。```cinclude<stdint.h>defineGPIO_BASE_ADDR0x40000000defineGPIO_DATA_REG(((volatileuint32_t)(GPIO_BASE_ADDR+0x00)))defineGPIO_DIR_REG(((volatileuint32_t)(GPIO_BASE_ADDR+0x04)))voiddelay(uint32_tcount){for(uint32_ti=0;i<count;i++);}intmain(void){//设置GPIO端口第3位为输出模式GPIO_DIR_REG|=(1<<3);while(1){//点亮LEDGPIO_DATA_REG|=(1<<3);delay(1000000);//延时//熄灭LED