ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程習(xí)題答案清華大學(xué)出版社最詳細(xì)版

ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程習(xí)題答案清華大學(xué)出版社最詳細(xì)版《ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程》習(xí)題答案第一章緒論國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)對(duì)“嵌入式系統(tǒng)”的定義是什么？如何理解？答：國內(nèi)缺入式行業(yè)一個(gè)普遍認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟碩件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能，可靠性，成本，體積，功耗嚴(yán)格要求的專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從這個(gè)定義可以看出戦入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的剪裁利用。因此有人把嵌入式系統(tǒng)比作是一個(gè)針對(duì)特定的應(yīng)用而“量身定做”的專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是從何時(shí)產(chǎn)生的，簡述其發(fā)展歷程。答：從20世紀(jì)70年代單片機(jī)的出現(xiàn)到目前各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，I獲入式系統(tǒng)己經(jīng)有了30多年的發(fā)展歷史。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)的。Intel公司1971年開發(fā)出第一片具有4位總線結(jié)構(gòu)的微處理器4004,可以說是嵌入式系統(tǒng)的萌芽階段。80年代初的8031是單片機(jī)歷史上值得紀(jì)念的一頁。20世紀(jì)80年代早期，出現(xiàn)了商業(yè)級(jí)的“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核”，在實(shí)時(shí)內(nèi)核下編寫應(yīng)用軟件可以使新產(chǎn)品的沿著更快，更節(jié)省資金。20世紀(jì)90年代實(shí)時(shí)內(nèi)核發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。步入21世紀(jì)以來，恢入式系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展。在硬件上，MCU的性能得到了極大的提升，特別是ARM技術(shù)的出現(xiàn)與完善，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的硬件載體，將嵌入式系統(tǒng)推向了一個(gè)嶄新的階段。當(dāng)前最常用的源碼開放的I校入式操作系統(tǒng)有哪些，請舉出兩例，并分析其特點(diǎn)。答：主要有嵌入式Linux和嵌入式實(shí)時(shí)操作內(nèi)核uC/OS-II嵌入式Linux操作系統(tǒng)是針對(duì)嵌入式微控制器的特點(diǎn)而量身定做的一種Linux操作系統(tǒng)，包括常用的嵌入式通信協(xié)議和常用驅(qū)動(dòng)，支持多種文件系統(tǒng)。主要有以下特點(diǎn)：源碼開放，易于移植，內(nèi)核小，功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高等。uC/OS是源碼工卡的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，主要有以下特點(diǎn)：源碼公開，可移植性強(qiáng),可固化，可剪裁，占先式，多任務(wù)，可確定性，提供系統(tǒng)服務(wù)等。舉例說明嵌入式設(shè)備在工控設(shè)備中的應(yīng)用。答：由于工業(yè)控制系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)可靠性和實(shí)時(shí)性，“量身定做”的嵌入式控制系統(tǒng)恰能滿足工業(yè)控制的需求。例如：工業(yè)過程控制，數(shù)字控制機(jī)床，電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測，電力口動(dòng)控制系統(tǒng)，石油化工監(jiān)控等。嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢有哪些?答：未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有：1.隨著信息化與數(shù)字化的發(fā)展，嵌入式設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是未來發(fā)展的趨勢。2.優(yōu)化恢入式系統(tǒng)軟硬件內(nèi)核，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，降低功耗和硬件成本。3.指令集的并行計(jì)算技術(shù)將引入嵌入式微處理器。4.憐入式微處理器將會(huì)向多核技術(shù)發(fā)展。5.嵌入式技術(shù)將引領(lǐng)信息時(shí)代。第2章ARM技術(shù)與ARM體系結(jié)構(gòu)簡述ARM處理器內(nèi)核調(diào)試結(jié)構(gòu)原理答：ARM處理器一般都帶有嵌入式追蹤宏單元ETM（EmbeddedTraceMacro）,它是ARM公司自己推出的調(diào)試工具。ARM處理器都支持基J"JTAG（JointTestActionGroup聯(lián)合測12試行動(dòng)小組）的調(diào)試方法。它利用芯片內(nèi)部的EmbeddedICE來控制ARM內(nèi)核操作，可完成單步調(diào)試和斷點(diǎn)調(diào)試等操作。當(dāng)CPU處理單步執(zhí)行完畢或到達(dá)斷點(diǎn)處時(shí)，就可以在宿主機(jī)端查看處理器現(xiàn)場數(shù)據(jù)，但是它不能在CPU運(yùn)行過程中對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。ETM解決了上述問題，能夠在CPU運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)掃描處理器的現(xiàn)場信息，并數(shù)據(jù)送往TAP（TestAccessPort）控制器。上圖中分為三條掃描鏈（圖中的粗實(shí)線），分別用來監(jiān)視ARM核，ETM,嵌入式ICE的狀態(tài)。分析ARM7TDMI-S各字母所代表的含義。答：ARM7TDMI0CS中ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫7是系列號(hào)：T：支持高密度16位的Thumb指令集；D：支持JTAG片上調(diào)試；M：支持用于長乘法操作（64位結(jié)果）ARM指令，包含快速乘法器：；I：帶有嵌入式追蹤宏單元ETM,用來設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)的調(diào)試硬件；S：可綜合版本，意味著處理器內(nèi)核是以源代碼形式提供的。這種源代碼形式乂可以編譯成一種易于EDA工具使用的形式。ARM處理器的匸作模式有哪兒種，其中哪些為特權(quán)模式，哪些為異常模式，并指出理器在什么情況下進(jìn)入相應(yīng)的模式。答：ARM技術(shù)的設(shè)計(jì)者將ARM處理器在應(yīng)用中可能產(chǎn)生的狀態(tài)進(jìn)行了分類，并針對(duì)同一類型的異常狀態(tài)設(shè)定了一個(gè)固定的入口點(diǎn)，當(dāng)異常產(chǎn)生時(shí)，程序會(huì)口動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)異常入口處進(jìn)行異常服務(wù)。?1.用戶模式：非特權(quán)模式，也就是正常程序執(zhí)行的模式，大部分任務(wù)在這種模式下執(zhí)行。在用戶模式下，如果沒異常發(fā)生，不允許應(yīng)用程序自行改變處理器的工作模式,如果有異常發(fā)生，處理器會(huì)自動(dòng)切換工作模式?2.FIQ模式：也稱為快速中斷模式，支持高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理，當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)(fast)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式。?3.IRQ模式：也稱為普通中斷模式，：當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)(normal)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式。在這模式下按中斷的處理器方式乂分為向量中斷和非向量中斷兩種。通常的中斷處理都在IRQ模式下進(jìn)行。?4.SVC模式：稱之為管理模式，它是一種操作系統(tǒng)保護(hù)模式。當(dāng)復(fù)位或軟中斷指令執(zhí)行時(shí)處理器將進(jìn)入這種模式。23?5.中止模式：當(dāng)存取異常時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式，用來處理存儲(chǔ)器故障、實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)或存儲(chǔ)保護(hù)。?6.未定義指令異常模式：當(dāng)執(zhí)行未定義指令時(shí)會(huì)進(jìn)入這種模式，主要是用來處理未定義的指令陷阱，支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真，因?yàn)槲炊x指令多發(fā)生在對(duì)協(xié)處理器的操作上。?7.系統(tǒng)模式：使用和User模式相同寄存器組的特權(quán)模式，用來運(yùn)行特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù)。?在這7種工作模式中，除了用戶模式以外，其他6種處理器模式可以稱為特權(quán)模式,在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換。?在這6種特權(quán)模式中，除了系統(tǒng)模式外的其他5種特權(quán)模式乂稱為異常模式，每種異常都對(duì)應(yīng)有口己的異常處理入口點(diǎn)。分析程序狀態(tài)寄存器（PSR）各位的功能描述，并說明C,Z,N,V在什么情況下進(jìn)行置位和清零。答：?條件位：?N=1-結(jié)果為負(fù)，0-結(jié)果為正或0?Z二1-結(jié)果為0, 0-結(jié)果不為0?C二1-進(jìn)位， 0-借位?V=1-結(jié)果溢出，0結(jié)果沒溢出?Q位：?僅ARM5TE/J架構(gòu)支持?指示增強(qiáng)型DSP指令是否溢出?中斷禁止位：?I=1:禁止IRQ.?F=1:禁止FIQ.?TBit?僅人兇xT架構(gòu)支持?T=0:處理器處于ARM狀態(tài)？T=1:處理器處于Thumb狀態(tài)?Mode位（處理器模式位）:?Ob10000User?OblOOOlFIQ?OblOOlOIRQ?OblOOllSupervisor34?OblOlll?ObllOll?OblllllAbortUndefinedSystem簡述ARM處理器異常處理和程序返回的過程。答：只要正常的程序流被暫時(shí)中止,處理器就進(jìn)入異常模式。例如響應(yīng)一個(gè)來口外設(shè)的中斷。在處理異常之前，ARM7TDMI內(nèi)核保存當(dāng)前的處理器狀態(tài)，這樣當(dāng)處理程序結(jié)束時(shí)可以恢復(fù)執(zhí)行原來的程序。如果同時(shí)發(fā)生兩個(gè)或更多異常，那么將按照固定的順序來處理異常。異?；蛉肟诜祷刂噶钐幚砥髂Ｊ絻?yōu)先級(jí)BLSWIMOVPC,R146653421 0x000000080x00000004OxOOOOOOOC0x0000001C0x000000180x000000100x00000000向量表偏移MOVSPC,R14_svcSVC未定義的指令MOVSPC,R14_undUND預(yù)取指中止快中斷中斷數(shù)據(jù)中止復(fù)位SUBSPC,R14_abt,#4SUBSPC,R14_fiq,#4SUBSPC,R14_irq,#4SUBSPC,R14_abt,#8無ABTFIQIRQABTSVC在異常發(fā)生后,ARM7TDMI內(nèi)核會(huì)作以下工作：1.在適當(dāng)?shù)腖R中保存下一條指令的地址2.將CPSR復(fù)制到適當(dāng)?shù)腟PSR中：3.將CPSR模式位強(qiáng)制設(shè)置為與異常類型相對(duì)應(yīng)的值：4.強(qiáng)制PC從相關(guān)的異常向量處取指。ARM7TDMI內(nèi)核在中斷異常時(shí)置位中斷禁止標(biāo)志，這樣可以防止不受控制的異常嵌套。注：異?？偸窃贏RM狀態(tài)中進(jìn)行處理。當(dāng)處理器處T-Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生了異常，在異常向量地址裝入PC時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到ARM狀態(tài)。當(dāng)異常結(jié)束時(shí)，異常處理程序必須：1.將LR中的值減去偏移量后存入PC,偏移量根據(jù)異常的類型而有所不同；2.將SPSR的值復(fù)制回CPSR；3.清零在入口置位的中斷禁止標(biāo)志。注：恢復(fù)CPSR的動(dòng)作會(huì)將T、F和I位口動(dòng)恢復(fù)為異常發(fā)生前的值。ARM處理器字?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式有哪兩種？并指出這兩種格式的區(qū)別。答：ARM7TDMI處理器可以將存儲(chǔ)器中的字以下列格式存儲(chǔ)?大端格式(Big-endian)45?小端格式(Little-endian)?小端存儲(chǔ)器系統(tǒng)： 在小端格式中，高位數(shù)字存放在高位字節(jié)中。因此存儲(chǔ)器系統(tǒng)字節(jié)0連接到數(shù)據(jù)線7?0。?大端存儲(chǔ)器系統(tǒng)： 在大端格式中，高位數(shù)字存放在低位字節(jié)中。因此存儲(chǔ)器系統(tǒng)字節(jié)0連接到數(shù)據(jù)線31?24。分析帶有存儲(chǔ)器訪問指令（LDR）的流水線運(yùn)行情況，并用圖示說明流水線的運(yùn)行機(jī)制。答：存儲(chǔ)器訪問指令LDR流水線舉例取指的存儲(chǔ)器訪問和執(zhí)行的數(shù)據(jù)路徑占用都是不可同時(shí)共享的資源，對(duì)丁?多周期指令來說，如果指令復(fù)雜以至于不能在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成執(zhí)行階段，就會(huì)產(chǎn)生流水線阻塞。對(duì)存儲(chǔ)器的訪問指令LDR是非單周期指令LDR指令的執(zhí)行，訪問存儲(chǔ)器，回寫寄存器（占用了3個(gè)周期）。造成了MOV指令的執(zhí)行被阻斷。簡述ARM9的5級(jí)流水線每一級(jí)所完成的功能和實(shí)現(xiàn)的操作。答：ARM920在指令操作上采用5級(jí)流水線.取指：從指令Cache中讀取指令。譯碼：對(duì)指令進(jìn)行譯碼，識(shí)別出是對(duì)哪個(gè)寄存器進(jìn)行操作并從通用寄存器中讀取操作數(shù)。執(zhí)行：進(jìn)