嵌入式系统作业.docx

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嵌入式系统作业

嵌入式系统2011作业

第1章嵌入式系统概述

1、什么是嵌入式系统？

答：

嵌入式系统指的是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁剪的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标严格要求的专用计算机系统。

2、与通用计算机相比，嵌入式系统有哪些特点？

答：

1：

嵌入式系统通常是面向特定应用的；

2：

嵌入式系统功耗低、体积小、集成度高、成本低；

3：

嵌入式系统具有较长的生命周期；

4：

嵌入式系统具有固化的代码；

5：

嵌入式系统开发需要专用开发工具和环境；

6：

嵌入式系统软件需要RTOS开发平台；

7：

嵌入式系统开发人员以应用专家为主；

8：

嵌入式系统是知识集成系统。

3、根据嵌入式系统的复杂程度，嵌入式系统可分为哪4类？

答：

1：

单个微处理器；

2：

嵌入式处理器可扩展的系统；

3：

复杂的嵌入式系统；

4：

在制造或过程控制中使用的计算机系统。

4、嵌入式微处理器有哪几类？

试举例说明。

答：

嵌入式微处理器，例如：

Am186/88、386EX、SC-400.

      嵌入式微控制器，例如：

8051、P51XA、MCS-251.

      嵌入式DSP处理器，例如：

TMS320系列、DSP56000系列.

      嵌入式片上系统，例如：

TriCore、M-Core、Smarrt-XA。

5、从硬件系统来看，嵌入式系统由哪几部份组成？

画出简图。

答：

P11图1-4

6、嵌入式微处理器和嵌入式微控制器分别由哪些部件组成？

两者有何区别？

答：

（1）组成：

嵌入式微处理器：

包括指令执行部件与总线接口部件。

嵌入式微控制器（单片机）:

将整个系统集成到一个芯片上。

（2）两者区别：

嵌入式微处理器:

如果要构成一个系统，完成特定功能必须扩展Rom、RAM、总线接口等器件.并且将系统集成在一块板上。

嵌入式微控制器:

一个芯片就是一个系统，芯片包括Rom、RAM、I/O接口、通用接口（比如UART）

特殊接口（比如网络接口、Can接口）.

不用外扩接口电路，即可完成一定功能。

第2章ARM微处理器硬件结构

2.1哈佛体系结构和冯·诺依曼体系结构有何不同？

答：

冯·诺依曼结构：

处理器使用一组总线（数据总线、地址总线、控制总线）连接程序存储器、数据存储器、接口器件。

所有器件共享一个地址空间。

并且程序存储单元与数据存储单元存储位数一致。

冯·诺依曼结构由于总线瓶颈，不适合流水线作业。

哈佛体系结构：

有两组总线。

一组总线用于访问程序存储器；一组总线用于访问数据存储器。

程序与数据各自有自己独立的存储空间。

程序存储单元与数据存储单元存储位数可以不一致。

哈佛体系结构非常适合流水线作业。

2.2回答下列关于ARM编程模式的问题

（1）在该模式下有多少通用寄存器

（2）CPSR的作用是什么

（3）Z位的作用是什么

（4）程序计数器保存在何处

答

（1）31个通用寄存器

（2）为状态寄存器

●条件标志位：

保存指令执行的状态

N=0结果正数

=1结果负数

C借位进位标志

Z=0结果非0

=1结果0

O=0结果未溢出

=1结果溢出

●控制标志位：

控制程序的执行

T=0ARM状态

=1Thumb状态

I=0允许普通中断

=1不允许普通中断

Q=0允许快速中断

=1不允许快速中断

M4..M0:

工作模式

（3）Z=1运算结果为0

Z=0运算结果不为0

（4）R15（PC）

2.3下列的arm条件码的含义是什么

（1）EQ

（2）NE

（3）MI

（4）VS

（5）GE

（6）LT

答

（1）z=1相等

（2）z=0不相等

（3）n=1负数

（4）v=1溢出

（5）n=v带符号数大于或等于

（6）n<>v带符号数小于

2.4arm处理器有几种工作模式？

各种工作模式有什么特点？

答

有七种工作模式，

用户模式（usr）正常的程序执行状态

快速中断模式（fiq）用于高速数据处理或通道处理

外部中断模式（irq）用于通用的中断处理

管理模式（svc）操作系统的保护模式

中止模式（abt）用于虚拟存储及存储保护

未定义模式（und）用于支持硬件协处理器的软件仿真

系统模式（sys）运行特权级的操作系统任务

2.5arm处理器共有多少个寄存器？

这些寄存器按其在用户编程中的功能如何进行划分？

这些寄存器在使用中有什么特殊之处？

答

37个寄存器，其中有31个通用寄存器，其中包括程序计数器pc，6个状态寄存器

寄存器均为32位

在七种模式中R0～R7不分组，R8～R14按模式分组，R15为程序计数器，CPSR为状态寄存器，SPSR为保存程序状态寄存器。

R13为堆栈指针寄存器，R14为链接寄存器。

CPSR在各种模式下多可以访问，而在用户模式及系统模式下SPSR不可以被访问。

2.6若寄存器R1=0x01020304，分别按照大端模式和小端模式存储在0x30000字单元中，试分别写出两种模式下内存存储内容，并标出内存地址

答

大端模式

[0x30000]=0x01

[0x30001]=0x02

[0x30002]=0x03

[0x30003]=0x04

小端模式

[0x30000]=0x04

[0x30001]=0x03

[0x30002]=0x02

[0x30003]=0x01

2.7ARM存储器的存储周期有几种类型？

对应于Cache访问和存储器访问是何存储周期？

答：

ARM存储器有4种存储周期：

空闲周期，非顺序周期，顺序周期，协处理器寄存器传送周期。

一般地，对应于Cache访问的存储周期是：

非顺序周期。

对应于存储器访问的存储周期是：

顺序周期和非顺序周期。

2.8何谓Cache？

简述Cache的工作原理。

答：

高速缓存器：

弥补主存速度，在CPU与主存之间设置的高速，小容量存储器，构成Cache-主存存储层次，速度是Cache的，容量是主存的。

工作原理：

当CPU要访问Cache时，CPU送来主存地址，放到主存地址寄存器中。

然后通过地址变换部件把主存地址中的块号M变成Cache的块号m，并放到Cache地址寄存器中；同时将主存地址中的块内地址N直接作为Cache的块内地址n装入到Cache地址寄存器中。

如果地址变换成功，就用得到的Cache地址去访问Cache，从Cache中取出数据送到CPU中。

如果地址变换不成功，则产生Cache失效信息，接着使用主存地址直接去访问主存储器，从主存储器中读出一个字送到CPU，同时将从主存储器中读出来的数据装入到Cache中去。

此时如果Cache已经满了，则需要采用某种Cache替换策略把不常用的块先调出到主存储器中相应的块中，以便腾出空间来存放新调入的块。

教材：

图2-12Cache工作原理图

2.9何谓写通Cache和写回Cache？

两者有何区别？

答：

写通法：

write-throught，指CPU在执行写操作时，必须把数据同时写入Cache和主存。

写回法：

write-back，指CPU在执行写操作时，被写的数据只写入Cache，不写入主存。

仅当需要替换时，才把已经修改的Cache块写回到主存中。

区别在于写通法在Cache中的内容发生改变时，相应的存储器中的内容会立即被修改，而写回法则是等到替换时才会使存储器中的内容发生改变。

2.10ARM的MMU主要实现什么功能？

答：

ARM的MMU主要实现的功能：

（1）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。

（2）存储器访问权限的控制。

（3）设置虚拟存储空间的缓冲特性。

2.11简述MMU使能时存储访问过程。

答：

当ARM处理器请求存储访问时，对于允许缓存的存储访问，如果Cache命中，直接操作数据即可。

对于允许缓存且Cache不命中或不允许缓存的存储访问，首先在TLB中查找虚拟地址。

如果该虚拟地址对应的地址变换条目不在TLB中，CPU将从位于内存中的页表中查询对应于该虚拟地址的地址变换条目，并把相应的结果添加到TLB中。

如果TLB已经满了，则需要根据一定的替换算法进行替换。

当得到了需要的地址变换条目后，将进行以下操作。

（1）得到该虚拟地址对应的物理地址。

（2）根据条目中C控制位和B控制位决定是否缓存该内存访问的结果。

（3）根据存储权限控制位和域访问控制位确定该内存访问是否被允许。

如果该内存访问不被允许，CP15将向ARM处理器报告存储访问中止。

（4）对于不允许缓存的存储访问，使用步骤

（1）中得到的物理地址访问内存。

对于允许缓存的存储访问，如果Cache命中，则忽略物理地址；如果Cache没有命中，则使用步骤

（1）中得到的物理地址访问内存，并将该块数据读取到Cache中。

2.12ARM支持的物理页有几种类型？

其容量为何值？

答：

ARM支持的物理页通常有4种类型，其容量值如下：

段：

大小为1MB的存储块。

大页：

大小为64KB的存储块。

小页：

大小为4KB的存储块。

极小页：

大小为1KB的存储块。

2.13简述基于段的地址变换过程。

答：

ARM基于段的地址变换过程如图所示。

（教材：

图2-19基于段地址的地址变换）

第3章ARM寻址方式与指令系统

1.试述ARM处理器对异常中断的响应过程。

答：

异常处理过程：

当异常发生时，

（1）将返回地址存入对应异常模式下寄存器R14。

（2）当前寄存器CPSR存入对应异常模式下的SPSR.

（3）自动修改CPSR[4:

0],进入相应的异常模式

（4）如果异常模式为复位或快速中断（FIQ）,则

设置CPSRF=1禁止所有FIQ中断

设置CPSRI=1禁止所有IRQ中断

（5）转到中断服务程序去执行

2.如何从异常中断处理程序中返回？

需要注意哪些问题？

答：

（1）中断处理完成后返回指令：

LDMFDSP!

{,RPC}

（2）注意的问题

●进入中断时，如果屏蔽了所有FIQ或IRQ中断，中断返回前要开放所有FIQ或IRQ中断

●进入异常时，如果断点保护的是PCLR,依据3流水线技术，恢复时LR-#4=〉PC

●状态保持寄存器SPSRCPSR

3.ARM指令的寻址方式有几种？

试分别叙述其各自的特点并举例说明。

答：

9种寻址方式。

（1）立即数寻址：

操作数本身直接在指令中给出，取出指令也就获得了操作数，这个操作数也称为立即数。

例：

ADDR0，R1，＃5；R0=R1＋5

（2）寄存器寻址：

所有操作数都为寄存器

例：

ADDR0，R1，R2；R0=R1＋R2

（3）寄存器移位寻址：

操作数由寄存器的数值做相应移位而得到，移位的方式在指令中以助记符的形式给出，而移位的位数可用立即数或寄存器寻址方式表示。

例：

MOVR0，R1，LSLR3；R0=R1逻辑左移R3位

（4）寄存器间接寻址：

寄存器中的值为存储器地址,存储单元的内容为实际的操作数

例如：

LDRR0,[R1]

（5）基址加变址寻址：

将寄存器（称为基址寄存器）的值与指令中给出的偏移地址量相加，所得结果作为操作数的存储器地址

例如：

LDRR0，[R1，＃5];//存储器地址=R1+#5

（6）相对寻址：

PC作为基址寄存器，操作数地址=PC+偏移量

例如：

BEQprocess1

……

process1

（7）多寄存器寻址：

在多寄存器寻址方式中，一条指令可实现一组寄存器值的传送。

例如：

LDMIAR0，{R1-R5}

；R1=[R0]

；R2=[R0+4]

；R3=[R0+8]

；R4=[R0+12]

；R5=[R0+16]

（8）块拷贝寻址块:

可实现连续地址数据从存储器的某一位置拷贝到另一位置

例:

LDRR0,=0x40003000

LDRR1,=0x40003200

LDMIAR0，{R2-R6}；

STMIAR1，{R2-R6}；

（9）堆栈寻址:

按照“后进先出”（“先进后出”）的原则进行数据存储的寻址方式

例如：

STMFDR13!

，{R0,R1,R2,R3,R4}；//进栈指令

LDMFDR13!

，{R0,R1,R2,R3,R4}；//出栈指令

4.假设R0的内容为0x8000,寄存器R1,R2的内容分别为0x01与0x10，存储器内容为0.连续执行下述指令后，说明每条指令执行后PC如何变化？

存储器及寄存器的内容如何变化？

STMIBR0!

{R1，R2}

LDMIAR0!

{R1，R2}

解：

执行STMIBR0!

{R1，R2}

●PC=PC+4

●[0x8004]=0x01

●[0x8008]=0x10

●R1,R2内容不变

●R0=R0+8=8008

注意：

黑色为指令执行前，蓝色

为指令执行后

执行LDMIAR0!

{R1，R2}

●PC=PC+4

●R1=[0x8008]=0x00000010

●R2=[0x800C]=未知

●R0=R0+8=0x8010

5.在ADS环境下，利用全局变量和局部变量声明伪操作及其赋值伪操作，分别举例来定义算术变量，逻辑变量和串变量。

解：

（1）局部变量：

LCLAnum1；定义一个局部的数字变量，变量名为num1

LCLLl2；定义一个局部的逻辑变量，变量名为l2

LCLSstr3；定义一个局部的字符串变量，变量名为str3

num1SETA0xabcd；将该变量赋值为0xabcd

l2SETL{FALSE}；将该变量赋值为真

str3SETS“Hello!

”；将该变量赋值为“Hello!

”

（2）全局变量

GBLAnum1；定义一个全局的数字变量，变量名为num1

num1SETA0xabcd；将该变量赋值为0xabcd

GBLLl2；定义一个全局的逻辑变量，变量名为l2

l2SETL{FALSE}；将该变量赋值为假

GBLSstr3；定义一个全局的字符串变量，变量名为str3

str3SETS“Hello!

”；将该变量赋值为“Hello!

”

（3）变量赋值

LCLAnum1；定义一个局部的数字变量，变量名为num1

num1SETA0x1234；将该变量赋值为0x1234

LCLSstr3；定义一个局部的字符串变量，变量名为str3

str3SETS“Hello!

”；将该变量赋值为“Hello!

”

LCLLl2；定义一个局部的逻辑变量，变量名为l2

l2SETL{FALSE}；将该变量赋值为真

6.写出下述内存变量x,y,z的地址

beginequ0x2000

mapbegin

xfield4

yfield8

zfield16

解：

x,y,z的地址分别为0x20000,0x20004,0x2000c

7.写出执行以下计算的指令序列，其中X,Y,Z,R,W均为32位无符号数，两数乘积不超过32位数范围。

（1）Z←W-（X+6）-（R+9）

（2）Z←（W*X）/16

解：

（1）LDRR4，=X

LDRR2，[R4];R2<-[X]

ADDR2，R2，#6;R2=X+6

LDRR5，=R

LDRR3，[R5];R3←R

ADDR3，R3，#9

LDRR6，=W

LDRR1，[R6];R1←W

SUBR1，R1，R2;W-（X+6）

SUBR1，R1，R3;W-（X+6）-（R-9）

LDRR0，=Z

STRR1，[R0];存Z

（2）LDRR4，=X

LDRR2，[R4];R2←X

LDRR6，=W

LDRR1，[R6];R1←W

MULR1，R1，R2

MOVR1,R1,LSR#4

LDRR0，=Z

STRR1，[R0];存Z

8.假定R0,R1中的内容为带符号数，R2，R3中的内容为无符号数，写出指令实现以下判断。

（1）若R3的内容超过R2的内容，则转去执行EXCEED

（2）若R1的内容超过R0的内容，则转去执行EXCEED

（3）若R2的内容等于0，则转去执行ZERO

（4）若R0的内容和R1的内容相等，则转去执行EQU

解：

（1）CMPR3，R2

BHIEXCEED

（2）CMPR1，R0

BGTEXCEED

（3）CMPR2，#0

BEQZERO

（4）CMPR0，R1

BEQEQU

9.已知数据段中的整数数组x和y，试将x中的数按从大至小的顺序排序，并存入y数组。

解：

思路：

1.采用冒泡排序对数组X排序，N-1次循环，每次比较个数比上次减一；

2.采用多字数据拷贝方法，将数组X中排好序的数据存入数组Y。

AREASort,CODE,READONLY

NumEQU10

ENTRY

start

MOVr3,#0x0;临时变量

MOVr4,#0x0;临时变量

MOVr1,#num;字数,相当于外层循环变量

A1

LDRr0,=X;相当于X数组指针

MOVr2，r1;r2为内层循环变量

A2

LDRr3,[r0],#4;取以r0为地址的数据

LDRr4,[r0],#-4取以原r0+4为地址的数据，并恢复r0

CMPr3,r4

BGTA3;若r3>r4，则不需交换

STRr4,[r0],#4;交换原r3与r3+4中的内容

STRr3,[r0],#-4恢复原r0

A3

ADDr0,r0,#4;形成下一个比较地址

SUBr2,r2,#1;内层循环计数减1

CMPr2,#0

BNEA2

SUBr1,r1,#1;外层循环计数减1

CMPr1,#0

BNEA1

;至此完成X数组中的数据排序，以下是将数组X中已排好序的数据存入数组Y

LDRr0,=x;即源数据地址

LDRr1,=y;即目的数据地址

MOVr2,#num;传送个数

MOVsp,0x400;设置堆栈指针

Blockcopy

MOVr3,r2,LSR,#3;字数/8

BEQcopywords;少于8，转

STMFDsp!

{r4-r11};入栈保护

octcopy

LDMIAr0!

{r4-r11};加载8个字

STMIAr1!

{r4-r11};存入目的地址

SUBSr3，r3,#1

BNEoctcopy

LDMFDsp!

{r4-r11};恢复

copywords

ANDSr2,r2,#7

BEQstop

wordcopy

LDRr3,[r0],#4;;加载1个字

STRr3,[r1],#4;

SUBSr2,r2,#1

BNEwordcopy

stop

MOVr0,#0x18

LDRr1,=0x20026

SWI0x123456

AREAArrayData,DATA,READWRITE

xDCD32,8F,74,1B,39,0D8,06,0A1,78,23

yDCD0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

END

10、有100个有符号的字数据，存放在内存BUFF中，试编写完整的程序（包括代码段、数据段），从中找出最大值、最小值，并分别放入内存单元MAX、MIN中。

答：

AREASearch,CODE,READONLY;代码段

CODE32

BUFFDCD23,54,34,64,35,34,……,98,0F5,39；定义100个有符号字数据

NUMEQU100；定义数据个数

ENTRY

start

LDRR3,=BUFF；设置初始地址

LDRR4,NUM；取数据个数

LDRR0,[R3]；R0存放最大数

LDRR1,[R3]；R1存放最小数

loop

LDRR2,[R3],#4；取比较数据

CMPR2,R0

MOVGTR0,R2;若取出的数大于R0中数据，则更新R0

CMPR2,R1

CMPLTR1,R2;若取出的数小于R1中数据，则更新R1

SUBSR4,#0x01；计数减1

BNEloop；计数未完，继续

LDRR3,=MAX

STRR0,[R3]

LDRR3,=MIN

STRR1,[R3]

stop

MOVR0,#0x18；返回系统

LDRR1,0x20026

SWI0x123456

AREADefineData,DATA,READWRITE;数据段

MAXDCD0；最大值单元

MINDCD0；最小值单元

END

11、编写1+2+3+…+100的汇编程序。

答：

/*R0中为最后之和*/

AREAGetSum,CODE,READONLY

CODE32

ENTRY

startMOVR0,#0x0；R0为累加和

MOVR1,#0x01；初始值为1，以后逐次加1

loopADDR0,R0,R1

ADDR1,R1,#1

CMPR1,#100

BLSloop；计数未完，继续

stopMOVR0,#0x18；返回系统

LDRR1,0x20026

SWI0x123456

END

12、如何实现128位数的减法？

举例说明。

答：

例如：

R3R2R1R0←R3R2R1R0-R7R6R5R4

SUBSR0,R0,R4；加“S”会影响状态位，使后面的SBC有意义

SBCSR1,R1,R5

SBCSR2,R2,R6

SBCR3,R3,R7

13、将存储器中起始地址M1处的4个字数据移动到地址M2处。

答：

M1DCD321，5345，7454，32;源，4个字

M2DCD0，0，0，0;目的

LDRR0,=M1

LDRR1,=M2

LDMIAR0!

{R2-R5}

STMIAR1!

{R2-R5}

14、参考CPSR寄存器中各标志位的含义，使处理器工作在系统模式下。

答：

当处理器处于用户模式时，不能进入系统模式；

当处理器处于特权模式时，用指令MSRCPSR_c,#0XDF，能使处理器进入系统模式。

15、用跳转指令实现两段程序间的切换。

答：

B跳转指令可附加条件域，实现-32M~+32M范围的跳转；

BL带返回的跳转指令保存返回地址，多用于子程序调用，实现程序切换；

BX带状态切换的跳转指令程序切换时，带有ARM和Thumb的状态切换；

BLX带返回和状态切换的跳转指令保存返回地址，并带有状态切换。

举例：

LDRR0,=5;R0初值为5

func1SUBR0,R0,#1

CMPR0,#2

BEQfunc2;R0减为2则切换至func2

BNEfunc1

func2ADDR0,R0,#1

CMPR0,#5

BEQfunc1;R0增至5时切换至func1

BNEfu