嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)的定義：一般都認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，可滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功能有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的特征：（1）通常是面向特定應(yīng)用的。具有功耗低、體積小和集成度高等特點(diǎn)。（2）硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能滿足功能、可靠性和功耗的苛刻要求。（3）實(shí)時(shí)系統(tǒng)操作支持。（4）嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合在一起，升級(jí)換代也同步進(jìn)行。（5）為了提高運(yùn)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般固化在存儲(chǔ)器芯片中。ARM嵌入式微系統(tǒng)的應(yīng)用：工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、成像和安全產(chǎn)品、無線通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品。ARM嵌入式微處理器的特點(diǎn)：（1）體積小、低功耗、低成本、高性能。（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，兼容8位/16位器件。（3）使用單周期指令，指令簡潔規(guī)整。（4）大量使用寄存器，大多數(shù)數(shù)據(jù)都在寄存器中完成，只有加載/存儲(chǔ)指令可以訪問存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率。（5）尋址方式簡單靈活，執(zhí)行效率高。（6）固定長度的指令格式。嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)、用戶軟件構(gòu)成。2.哈佛體系結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間。3.嵌入式處理器主要有四種嵌入式微處理器（EMPU）、嵌入式微控制器（MCU）、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、嵌入式片上系統(tǒng)（SoC)4.ARM7采用3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)；ARM9采用5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，采用哈佛體系結(jié)構(gòu)。5.ARM處理器共有37個(gè)32bit寄存器，包括31個(gè)通用寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器。6.ARM體系結(jié)構(gòu)可以用2種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，即大端格式和小端格式。7.ARM處理器既支持32位的ARM指令集又支持16位的THCMB指令集。8.ARM處理器有7種工作模式，他們分為兩大類特權(quán)模式、非特權(quán)模式。其中用戶模式屬于非特權(quán)模式。9.ARM處理器的兩種工作狀態(tài)是①ARM狀態(tài),此時(shí)處理器執(zhí)行32位的字對齊的ARM指令。②Thumb狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行16位的、半字對齊的Thumb指令。10.嵌入式系統(tǒng)中，堆棧訪問有滿遞增堆棧FA、滿遞減堆棧FD、空遞增堆棧EA、空遞減堆棧ED。11.計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)，按照數(shù)據(jù)和指令是否分開存放可分為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)、哈佛體系結(jié)構(gòu)，其中馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)又稱普林斯頓體系結(jié)構(gòu)。12.RISC的含義是精簡指令集計(jì)算機(jī)，而CISC的含義是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)。13.ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫。14.IP核含義是知識(shí)產(chǎn)權(quán)核。15.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試中需要ICE，ICE的含義是在線仿真器。16.ARM體系結(jié)構(gòu)中，字的長度32位，半字對齊存儲(chǔ)的時(shí)候是2字節(jié)對齊。17.ARM所支持的最大存儲(chǔ)器訪問空間是232字節(jié)4GB18．若ARM的存儲(chǔ)器格式配置為(BigEndian)格式，則對于地址0x0000001s中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)4567H在地址左低右高的內(nèi)存空間的存放結(jié)果是(4567)若ARM的存儲(chǔ)器格式配置(littleEndian)格式存放結(jié)果是(6745)三.簡答題1.什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？嵌入式系統(tǒng)是“以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。”特點(diǎn)：1）是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于特定的任務(wù)2）資源較少，可以裁減；3)功耗低，體積小，集成度高，成本低;4）使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；5)可靠性要求更高，具有系統(tǒng)測試和可靠性評估體系;6）運(yùn)行環(huán)境差異大7）大部分程序固化在ROM中；8)較長的生命周期；9）嵌入式微處理器通常包含專用調(diào)試電路2.ARM處理器的指令集分為哪幾類？指令的一般格式是什么？分為以下6類：1.數(shù)據(jù)處理指令2.程序狀態(tài)寄存器訪問指令3.分支指令4.訪存指令5.異常產(chǎn)生指令6.協(xié)處理器指令一般格式：<Opcode>{<code>}{s}<Rd>,<Rn>,<Operand2>{<；注釋>}3.什么是交叉編譯環(huán)境？為什么嵌入式系統(tǒng)開發(fā)多用交叉編譯環(huán)境交叉編譯是指，在某個(gè)主機(jī)平臺(tái)上（比如PC上）用交叉編譯器編譯出可在其他平臺(tái)上（比如ARM上）運(yùn)行的代碼的過程。完成該過程的環(huán)境為交叉編譯環(huán)境。因?yàn)橐话愕木幾g工具鏈需要很大的存儲(chǔ)空間，并需要很強(qiáng)的CPU運(yùn)算能力。通過交叉編譯工具，我們就可以在CPU能力很強(qiáng)、存儲(chǔ)控件足夠的主機(jī)平臺(tái)上（比如PC上）編譯出針對其他平臺(tái)的可執(zhí)行程序。4.簡述ARM體系結(jié)構(gòu)的特征？ARM嵌入式微處理器主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等系列。ARM7優(yōu)化了低價(jià)位和低功耗的32位核，帶有：嵌入式ICE-RT邏輯；三級(jí)流水線（取指、譯碼、執(zhí)行）和馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)，提供0.9MIPS/MHz。ARM9系列提供了高性能和低功耗的硬宏單元，帶有：五級(jí)流水線（取指、譯碼、執(zhí)行、訪存（緩沖／數(shù)據(jù)）、回寫）；哈佛體系結(jié)構(gòu)，提供1.1MIPS/MHz。ARM9E系列是一種可綜合處理器，帶有DSP擴(kuò)充和緊耦合存儲(chǔ)器（TCM）接口，使存儲(chǔ)器以完全的處理器速度運(yùn)行，可直接連接到內(nèi)核上。ARM10系列帶有：64位AHB指令和數(shù)據(jù)接口；六級(jí)流水線；1.25MIPS/MHz；與同等的ARM9器件相比，其性能提高50%。5.什么是Bootloader？其主要功能是什么？答：Bootloader是系統(tǒng)加電后、操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序運(yùn)行之前，首先必須運(yùn)行的一段程序代碼。通過這段程序,為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核、運(yùn)行用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。主要功能：1、硬件設(shè)備初始化；2、建立內(nèi)存空間的映射；3、系統(tǒng)的下載或調(diào)試測試等6.搭建嵌入式開發(fā)環(huán)境，連接目標(biāo)版，一般使用什么通信接口連接？在Windows主機(jī)上使用什么軟件建立連接？在Linux主機(jī)上使用什么軟件建立連接？串口連接，網(wǎng)絡(luò)連接，JTAG口連接。超級(jí)終端。Minicom7.簡述ARM處理器的7運(yùn)行模式？用戶模式(usr)：ARM處理器正常執(zhí)行程序時(shí)的處理?？焖僦袛嗄Ｊ?fiq)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理。外部中斷模式(irq)：用于通用的中斷處理。管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。指令數(shù)據(jù)訪問終端模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)期終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。系統(tǒng)模式(sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)時(shí)的模式。未定義指令模式(und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真ARM系統(tǒng)處理器arm7Tdmi中的tdmi四個(gè)字母的含義是什么？T-支持16位Thumb指令集D-支持片上Debug，允許處理器響應(yīng)調(diào)試請求暫停M-支持增強(qiáng)型乘法器，可生成全64位的結(jié)果I-嵌入式ICE部件,提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)的支持ARMLinux嵌入式系統(tǒng)移植的步驟？1.開發(fā)環(huán)境的搭建2.系統(tǒng)引導(dǎo)：bootloader3.內(nèi)核引導(dǎo):內(nèi)核的定制4．設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序5.文件系統(tǒng)10.嵌入式系統(tǒng)的交叉開發(fā)環(huán)境的作用是什么？交叉環(huán)境是在一個(gè)平臺(tái)上生成在另一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行的代碼；作用：由于嵌入式系統(tǒng)資源與速度的限制，通常選用裝有l(wèi)inux操作系統(tǒng)的PC機(jī)作為開發(fā)系統(tǒng)的主機(jī)，利用交叉編譯，生成在目標(biāo)板上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼，然后通過NFS或其它方式下載到目標(biāo)板運(yùn)行。一般Bootloader的工作分為哪兩個(gè)階段？各個(gè)階段的作用是什么？就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立