嵌入式系统设计与工程实践 习题及答案

PAGE18PAGE17习题答案第1章1.什么是嵌入式系统?【答案】2.简述Cortex-M3处理器的特点。【答案】3.嵌入式系统的特点主要有哪些?【答案】4.嵌入式系统的软件分为哪两种体系结构?【答案】5.常见的嵌入式操作系统有哪几种?【答案】6.ARM处理器有什么特点？【答案】因为ARM处理器采用RISC结构，所以它具有RISC架构的一些经典特点。（1）体积小、功耗低、成本低、性能高。（2）支持Thumb（16位）／ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位／16位器件。（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快。（4）大多数数据操作都在寄存器中完成。（5）寻址方式灵活简单，执行效率高。内含嵌入式在线仿真器。第2章【答案】采用Cortex‐M3内核的STM32F1系列微控制器具有以下特点：1）先进的内核结构，哈佛结构。使其在Dhrystonebenchmark上有着出色的表现，可以达到1.25DMIPS/MHz，而功耗仅为0.19mW/MHz。Thumb-2指令集以16位的代码密度带来了32位的性能。内置了快速的中断控制器，提供了优越的实时特性，中断间的延迟时间降到只需6个CPU周期，从低功耗模式唤醒的时间也只需6个CPU周期。单周期乘法指令和硬件除法指令。2）杰出的功耗控制：STM32提供了三种低功耗模式和灵活的时钟控制机制，用户可以根据自己所需的耗电/性能要求进行合理优化。3）最大程度的集成整合：STM32内嵌电源监控器，减少对外部器件的的需求，包括上电复位；低电压检测，掉电检测和自带时钟的看门狗定时器。使用一个主晶振可以驱动整个系统，低成本的4~16MHz即可驱动CPU,USB以及所有外设，使用内嵌PLL产生多种频率，可以为内部时时钟选择32KHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路，可以作为主时钟源。额外的针对RTC或看门狗的低频率RC电路。LQPFlOO封装芯片的最小系统只需要7个外部无源器件。4）出众及创新的外设：STM32的优势来源于两路高级外设总线(APB)结构，其中一个高速APB（可达CPU的运行频率），连接到该总线上的外设能以更高的速度运行。【答案】STM32F1系列微控制器的系统结构的主要部分包括5个驱动单元和3个被动单元：Cortex-M3内核指令总线(I-Bus)、数据总线(D-bus)、系统总线(S-bus)、GP-DMA(通用DMA)、以太网DMA；内部SRAM、内部闪存存储器、AHB到APB桥(AHB2APB2)（该桥用来连接所有的APB设备）。在STM32Fl0xxx中，外设寄存器和SRAM都被映射到一个位段区中，这允许执行单一的位段的写和读操作。下面的映射公式给出了别名区中的每个字是如何对应位带区的相应位的：bit_word_addr=bit_band_base+(byte_offset×32)+(bit_number×4)其中：bit_word_addr是别名存储器区中字的地址，它映射到某个目标位。bit_band_base是别名区的起始地址。byte_offset是包含目标位的字节在位段里的序号。bit_number是目标位所在位置(0-31)。下面的例子说明如何映射别名区中SRAM地址为0x20000400的字节中的位4：0x22008010=0x22000000+(0x400×32)+(4×4)。【答案】在STM32F10xx中，有下面几种启动方式启动模式选择管脚启动模式说明BOOT1BOOT0X0用户闪存存储器用户闪存存储器被选为启动区域，正常启动01系统存储器系统存储器被选为启动区域，串口下载11内嵌SRAM内嵌SRAM被选为启动区域，调试在系统复位后，SYSCLK的第4个上升沿，BOOT引脚的值将被锁存。用户可以通过设置BOOTl和BOOTO引脚昀状态，来选择在复位后的启动模式。在从待机模式退出时，BOOT引脚的值将被重新锁存，因此在待机模式下BOOT引脚应保持为需要的启动配置。在启动延迟之后，CPU从地址0x00000000获取堆栈顶的地址，并从启动存储器的0x00000004指示的地址开始执行代码。因为固定的存储器映像，代码区始终从地址0x00000000开始（通过ICode和DCode总线访问），而数据区(SRAM)始终从地址0x20000000开始（通过系统总线访问）。Cortex_M3的CPU始终从ICode总线获取复位向量，即启动仅适合于从代码区开始（典型地从Flash启动）。STM32Fl1xxx微控制器实现了一个特殊的机制，系统可以不仅仅从Flash存储器或系统存储器启动，还可以从内置SRAM启动。【答案】STM32F10X的低功耗模式为：睡眠模式（内核时钟停止，外设运行，调压器运转）、停止模式（所有时钟停止，调压器根据设定运转或停止）、和待机模式（1.8V电源关闭）。系统复位可以由以下条件触发：NRST管脚上的低电平（外部复位）、窗口看门狗计数终止（WWDG复位）、独立看门狗计数终止（IWDG复位）、软件复位（SW复位）和低功耗管理复位。【答案】STM32F10x系列微控制器支持3种不同的时钟源用来驱动系统时钟(SYSCLK):HSI振荡器时钟；HSE振荡器时钟；PLL时钟。【答案】当使用外部晶体/陶瓷谐振器（HSE晶体）时，4～16MHz外部振荡器可为系统提供更为精确的主时钟。通过读取RCC_WaitForHSEStartUp()的返回值，如果返回值为SUCCESS则表示高速外部振荡器稳定且就绪。在启动时，直到函数RCC_GetFlagStatus（RCC_FLAG_HSERDY）参数被硬件置1，时钟才被释放出来。如果在RCC中断控制函数RCC_ITong（RCC_I_HSERDY）中允许产生中断，将会产生相应中断。HSE晶体可以通过设置时钟控制函数RCC_HSEonfig（RCC_HSE_N）或RCC_HSEonfig（RCC_HSE_FF）来启动和关闭。【答案】如果HSE晶体振荡器失效，HSI时钟会被作为备用时钟源。【答案】LSI校准的分四步进行：1）打开TIM5，设置通道4为输入捕获模式。2）设置AFIOMAPR的TIM5CH4IREMAP位为1，在内部将LSI连接到TIM5的通道4。3）通过TIM5的捕获／比较4通道事件或者中断来测量LSI时钟频率。4）根据测量结果和期望的通道RTC时间基数和独立看门狗的超时时间，设置20位预分频器【答案】当stm32f103x系列处理器采用8MHz的高速外部时钟源时，通过PLL倍频后能够得到的最高系统频率是72MHz，此时AHB总线的最高频率是72MHz，APB2总线的最高频率是72MHz，APB1总线的最高频率是36MHz。在各总线均为最高频率下，可通过分频得到ADC时钟的最高频率是12MHz。【答案】对于100脚或144脚的产品，OSC_IN应接地，OSC_OUT应悬空。对于少于100脚的产品，有2种接法：OSC_IN和OSC_OUT分别通过10K电阻接地。此方法可提高EMC性能。分别重映射OSC_IN和OSC_OUT至PD0和PD1，再配置PD0和PD1为推挽输出并输出'0'。此方法可以减小功耗并节省2个外部电阻【答案】用HSE时钟，程序设置时钟参数流程：定义RCC内部/外部振荡器（HSE、HSI、LSE和LSI）配置结构体RCC_OscInitTypeDef结构体；定义RCC系统、AHB和APB总线时钟配置结构体RCC_ClkInitTypeDef；选择振荡器类型为HSE，RCC_OscInitStruct.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;配置HSE时钟为开启状态，RCC_OscInitStruct.HSEState=RCC_HSE_ON;配置HSE分频因子，RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue=RCC_HSE_PREDIV_DIV1;配置HIS时钟为开启状态，RCC_OscInitStruct.HSIState=RCC_HSI_ON;配置PLL为开启状态，RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON;配置PLL源为HSE，RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSE;配置PLL倍频系数为9，RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL=RCC_PLL_MUL9;初始化RCC振荡器，HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct)；选择要配置的总线时钟，RCC_ClkInitStruct.ClockType=RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;选择SYSCLK时钟源为PLLCLK，RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource=RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;配置AHB时钟分频系数为1，RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider=RCC_SYSCLK_DIV1;配置APB1时钟分频系数为2，RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider=RCC_HCLK_DIV2;配置APB2时钟分频系数为1，RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider=RCC_HCLK_DIV1;初始化总线时钟，(HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct,FLASH_LATENCY_2)。第3章【答案】每个通用GPIO端口都可以单独使用库函数HAL_GPIO_DeInit（将外设GPIOx寄存器重设为缺省值）、HAL_GPIO_Init（GPIO_InitStruct中指定的参数初始化外设GPIOx寄存器）。使用库函数HAL_GPIO_ReadPin、HAL_GPIO_LockPin、HAL_GPIO_TogglePin、HAL_GPIO_WritePin设置端口数据的输入/输出。【答案】每个引脚在使用前必须配置工作模式，包括输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、开漏输出、推挽式输出、推挽式复用功能和开漏复用功能。【答案】【答案】STM32F103ZET6处理器的引脚在输出时输出的高电平由VDD引脚决定，低电平由VSS引脚决定。【答案】使能GPIO时钟；配置模式设置。【答案】HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_Pin_0,1)\\PB0=1

HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_Pin_1,0)\\PB1=0【答案】第4章1【答案】【答案】【答案】【答案】【答案】【答案】【答案】所谓断点就是程序被中断的地方第5章【答案】STM32系列处理器集成最少3个，最多14个16位定时器（TIM），其中TIM1和TIM8属于高级定时器（STM32F103xx系列中的低容量和中容量处理器、互联型处理器仅集成TIM1，大容量和超大容量处理器集成了TIM1和TIM8），TIM2~TIM5属于通用定时器（集成于全部STM32F1系列处理器），TIM6和TIM7属于基本定时器（仅集成于STM32F101xx和STM32F【答案】定时器的主要功能如下：16位向上、向下、向上／向下自动装载计数器；16位可编程（可以实时修改）预分频器，计数器时钟频率的分频系数为1～65535之间的任意数值；4个独立通道；使用外部信号控制不同定时器和定时器互连的同步电路；如下事件发生时产生中断/DMA；支持针对定位的增量（正交）编码器和霍尔传感器电路；触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理。【答案】通用定时器的计数器的计数方式可以使用向上、向下或中央计数模式。【答案】计数器时钟可由下列时钟源提供：内部时钟(CK_INT)；外部时钟模式1；外部时钟模式2；内部触发输入(ITRx)。【答案】要配置向上计数器在TI2输入端的上升沿计数，使用下列步骤：定义定时器结构体TIM2_Handler；设置预分频数，得到CK_CNT,TIM2_Handler.Init.Prescaler=7199;CK_CNT的计数频率=72M/(7199+1)=10K。设置自动重装载寄存器，当计数值达到这个寄存器锁存数值时，溢出产生事件TIM2_Handler.Init.Period=9999;10K/(9999+1)=1HZ，也就是1S溢出一次；置计数模式TIM2_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;产生溢出事件；设置时间分割值TIM2_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1；初始化定时器2，HAL_TIM_Base_Init(&TIM2_Handler)；定义定时器从配置结构体，TIM_SlaveConfigTypeDefsSlaveConfig；计数设置在TI2上，上升沿触发，设置输入滤波器，设置外部模式1，sSlaveConfig.SlaveMode=TIM_SLAVEMODE_EXTERNAL1;sSlaveConfig.InputTrigger=TIM_TS_TI2FP2;sSlaveConfig.TriggerPolarity=TIM_TRIGGERPOLARITY_RISING;sSlaveConfig.TriggerFilter=3；配置定时器从配置结构体，HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&TIM2_Handler,&sSlaveConfig)；打开定时器HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM2_Handler)。【答案】要配置在ETR下每个上升沿计数一次的向上计数器，使用下列步骤：定义定时器结构体TIM2_Handler；设置预分频数，得到CK_CNT,TIM2_Handler.Init.Prescaler=7199;CK_CNT的计数频率=72M/(7199+1)=10K。设置自动重装载寄存器，当计数值达到这个寄存器锁存数值时，溢出产生事件TIM2_Handler.Init.Period=9999;10K/(9999+1)=1HZ，也就是1S溢出一次；置计数模式TIM2_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;产生溢出事件；设置时间分割值TIM2_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1；初始化定时器2，HAL_TIM_Base_Init(&TIM2_Handler)；定义定时器时钟配置结构体，TIM_ClockConfigTypeDefsClockSourceConfig；计数设置在TI2上，上升沿触发，无输入滤波器，设置外部模式2，sClockSourceConfig.ClockSource=TIM_CLOCKSOURCE_ETRMODE2;sClockSourceConfig.ClockPolarity=TIM_CLOCKPOLARITY_INVERTED;sClockSourceConfig.ClockPrescaler=TIM_CLOCKPRESCALER_DIV1;sClockSourceConfig.ClockFilter=0;配置定时器时钟配置结构体，HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&TIM2_Handler,&sClockSourceConfig)；打开定时器HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM2_Handler)。11）在ETR的上升沿和计数器实际时钟之间的延时取决于在ETRP信号端的重新同步电路。【答案】在TI1输入的下降沿时捕获计数器的值到TIMx_CCR1寄存器中，步骤如下：定义定时器结构体TIM2_Handler、从模式结构体TIM_SlaveConfigTypeDefsSlaveConfig和输入捕获结构体TIM_IC_InitTypeDefsConfigIC；TIM2默认配置HAL_TIM_Base_Init(&TIM2_Handler)；3）输入下降沿捕获sConfigIC.ICPolarity=TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING；4）通道方向选择为输入sConfigIC.ICSelection=TIM_ICSELECTION_DIRECTTI；5）每次检测到捕获输入就触发一次捕获sConfigIC.ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1；6）不滤波，sConfigIC.ICFilter=0；配置输入捕获结构体，HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&TIM2_Handler,&sConfigIC,TIM_CHANNEL_1)；8）选择滤波后的TI1输入作为触发源，复位模式-选中的触发输入（TRGI）的上升沿初始化计数器，并且产生一个更新线号sSlaveConfig.SlaveMode=TIM_SLAVEMODE_RESET;sSlaveConfig.InputTrigger=TIM_TS_TI1FP1;sSlaveConfig.TriggerPolarity=TIM_TRIGGERPOLARITY_RISING;sSlaveConfig.TriggerFilter=0;9）配置从配置结构体HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&TIM2_Handler,&sSlaveConfig。【答案】第6章串行异步通信数据格式是什么？用图说明。【答案】【答案】1600。【答案】USART的工作原理：通用同步异步收发器(USART)提供了一种灵活的方法，与使用工业标准的异步串行外部设备之问进行全双工数据交换。USART利用分数比特率发生器提供宽范围的比特率选择。USART外部接口通过3个引脚与其他设备连接在一起。任何USART双向通信至少需要两个脚：接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)。【答案】USART数据接收配置步骤如下：通过调用HAL_UART_Init来激活USART；通过配置结构体UART_InitTypeDef的成员WordLength来定义字长；通过配置结构体UART_InitTypeDef的成员StopBits编程停止位的位数；如果采用多缓冲器通信，配置HAL_DMA_Init函数进行使能。按多缓冲器通信中的描述配置DMA；通过配置结构体UART_InitTypeDef的成员BaudRate要求的比特率调用函数HAL_UART_Receive来读取接收缓冲其中的字符【答案】当使用USART模块进行全双工异步通信时，需要配置波特率、数据位数、奇偶校验、硬件流控制、停止位数、工作模式。【答案】编程代码如下：voidMX_USART1_UART_Init(void){huart1.Instance=USART1;huart1.Init.BaudRate=115200;huart1.Init.WordLength=UART_WORDLENGTH_8B;huart1.Init.StopBits=UART_STOPBITS_1;huart1.Init.Parity=UART_PARITY_NONE;huart1.Init.Mode=UART_MODE_TX_RX;huart1.Init.HwFlowCtl=UART_HWCONTROL_NONE;huart1.Init.OverSampling=UART_OVERSAMPLING_16;if(HAL_UART_Init(&huart1)!=HAL_OK){Error_Handler();}__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1,UART_IT_RXNE);}【答案】USART的各种中断事件被连接到同一个中断向量，有以下几种中断事件：发送期间：发送完成中断、清除发送中断、发送数据寄存器空中断。接收期间：空闲总线检测中断、溢出错误中断、接收数据寄存器非空中断、检验错误中断、LIN断开符号检测中断、噪声中断（仅在多缓冲器通信）和帧错误中断（仅在多缓冲器通信）。第7章【答案】I2C（芯片间）总线接口连接微控制器和串行I2C总线，它提供多主机功能，控制所有I2C总线特定的时序、协议、仲裁和定时，支持标准和快速两种模式，同时与SMBus2.0兼容。【答案】I2C模块接收和发送数据，并将数据从串行转换成并行，或并行转换成串行，可以开启或禁止中断。接口通过数据引脚(SDA)和时钟引脚(SCL)连接到I2C总线，允许连接到标准（高达l00kHz）或快速(高达400kHz)的I2C总线。。I2C模块有多种用途，包括CRC码的生成和检验、SMBus（系统管理总线-SystemManagementBus）和PMBus（电源管理总线-PowerManagemcntBus）。根据特定设备的需要，可以使用DMA以减轻CPU的负担。【答案】特点如下：只要求两条总线线路：一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器。它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制。I2C有4种模式可供选择，可以4种模式中的一种运行：从发送器模式。从接收器模式。主发送器模式。主接收器模式。【答案】I2C默认工作于从模式。接口在生成起始条件后自动从从模式切换到主模式：当仲裁丢失或产生停止信号时，则从主模式切换到从模式。允许多主机功能。主模式时，I2C接口启动数据传输并产生时钟信号。串行数据传输总是以起始条件开始并以停止条件结束。起始条件和停止条件都是在主模式下由软件控制产生。【答案】在主模式时，I2C接口启动数据传输并产生时钟信号。串行数据传输总是以起始条件_开始并以停止条件结束。当通过库函数SET_BIT(CR1,I2C_CR1_START)设置状态参数为ENABLE在总线上产生了起始条件，设备就进入了主模式，主模式所要求的操作顺序。在HAL_I2C_Init中设置ClockSpeed设定该模块的输入时钟，以产生正确的时序。在HAL_I2C_MspInit中设置I2C的端口和RCC时钟。__HAL_I2C_ENABLE启动I2C外设。写库函数SET_BIT(CR1,I2C_CR1_START)，产生起始条件。模块的输入时钟频率在标准模式下为2MHz，快速模式下为4MHz。【答案】利用DMA发送：定义I2C结构体I2C_HandleTypeDefhi2c1，DMA配置结构体DMA_HandleTypeDefhdma_i2c1_tx；配置DMA通道，Instance=DMA1_Channel6；配置DMA数据传输方向，hdma_i2c1_tx.Init.Direction=DMA_MEMORY_TO_PERIPH；使能DMA地址增，hdma_i2c1_tx.Init.MemInc=DMA_MINC_ENABLE；设置DMA外设和存储数据对齐方式，i2c1_tx.Init.PeriphDataAlignment=DMA_PDATAALIGN_BYTE;hdma_i2c1_tx.Init.MemDataAlignment=DMA_MDATAALIGN_BYTE；设置DMA模式，i2c1_tx.Init.Mode=DMA_NORMAL；设置DMA优先级，i2c1_tx.Init.Priority=DMA_PRIORITY_HIGH；配置DMA结构体，HAL_DMA_Init(&hdma_i2c1_tx)；关联DMA结构体和I2C结构体配置，__HAL_LINKDMA(hi2c1,hdmatx,hdma_i2c1_tx)。【答案】全部的I2C中断都汇总到两个中断\事件通道中，SB、ADDR、ADD10、STOPF，BTF、RXNE和TXE通过逻辑或汇合到IT_Event中；BERR、ARLO、AF、OVR、PECERR、TIMEOUT和SMBALERT通过逻辑或汇合到IT_Error个中断通道中。第8章【答案】转换开始时，顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲首先将寄存器的最高位置1，经DAC转换为相应的模拟电压VA送入比较器与待转换的模拟电压VI进行比较。若VA＞VI，说明数字量过大，除去最高位的1，而将次高位置1，再一次比较。若VA＜VI，说明数字量还不够大，保留该位的1，且还须将下一位置1。这样逐次比较下去，一直到最低位为止。【答案】各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。【答案】ADC的主要特征如下：12位分辨率。转换结束，注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断。单次和连续转换模式。从通道0到通道n的自动扫描模式。自校准。带内嵌数据一致的数据对齐。通道之间采样间隔可编程。规则转换和注入转换均有外部触发选项。间断模式。双重模式（带两个或两个以上ADC的器件）。ADC转换时间。ADC供电要求为2.4～3.6V。ADC输入范围为VREF-≤VIN≤VREF+。规则通道转换期间有DMA请求产生。【答案】DC有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。在校准期间，每个电容器上都会计算出一个误差修正码（数字值）．该码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差。【答案】ADCCLK=28MHz，采样时间为1.5周期，则TCONV