嵌入式系统导论（彭蔓蔓等·人民邮电出版社）课后习题答案

                                                   第一章

1. 嵌入式系统的定义：P2

答：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

2. 嵌入式的发展历程和发展阶段：P13

答: 历程：简单操作系统阶段, 实时操作系统阶段, 面向Internet阶段。

发展阶段：第一阶段是SCM（单片微型计算机）阶段，第二阶段是MCU（微控制器）阶段，第三阶段是SoC阶段，第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。

3. 嵌入式系统的特点：P2

答：1低成本、2高实时性、3采用嵌入式系统或实时系统、4高可靠性、5低功耗、6环境适应性好、7占用系统资源少、8 ROM程序存储、9多处理器体系结构、10特定工具和方法开发、11软件固化。

4. 嵌入式系统的分类：P12

答：1单个微处理器、2不带计时功能的微处理器装置、3带计时器功能的组件、4在制造或控制过程中使用的计算机系统。

5. 嵌入式系统的基本构成：P2

答：1嵌入式微处理器、2外围硬件设备、3嵌入式操作系统、4用户应用程序。

6. 嵌入式的应用：P3

答：1工业控制、2交通管理、3信息家电、4家庭智能管理系统、5 pos网络及电子商务、6环境工程与自然、7机器人。

7. 嵌入式的发展趋势（作业）：P14

答：1高可靠性，高稳定性、2运行速度快，开发周期短、3强大的扩展功能和网络运输功能。

8. 学习嵌入式系统技术的目的：

答：略。

                                                   第二章

1. 单片机系统与嵌入式微处理器系统在开发流程上的异同：P17

答：这两种系统开发流程很相似，只是各自复杂程度不同，具体设计过程略有不同。单片机系统的软件部分不需要嵌入式操作系统的支持，只需要采用汇编语言编写针对特定应用的程序即可。

单片机系统的基本开发流程：1用户需求、2选择处理器设计硬件平台、3根据硬件平台编写软件、4修改硬件平台、5测试软件、6整个系统测试、7结束

嵌入式微处理器的基本开发流程：1用户需求、2选择微处理器及硬件平台、3选择操作系统、4基于操作系统开发应用程序、5测试应用程序、6整个系统测试、7结束。

2. 传统嵌入式系统的设计方法及缺点：P20

答：1需求分析和总体设计、2软硬分开设计 3软硬件集成验证、4对集成的系统进行测试

缺点：1缺乏统一的软硬件协同表示方法，不易发现软硬件之间存在的接口问题、2软件的测试必须在硬件全部完成之后才能进行，设计周期长、3缺乏对软件构架和实现机制的清晰了解，硬件设计工作带有一定的盲目性、4不能对系统做出较好的综合优化。

3. 软硬件协同设计的基本过程，它们与传统设计方法异同（作业）：P21-22

答：流程：1系统描述、2软硬件划分（依据成本函数）、3协同综合、4协同仿真与验证

比较：1软硬件协同设计方法采用并行设计和协同设计的思想，提高设计效率和缩短了开发周期、2软硬件协同设计采用统一的工具描述，可合理划分系统软硬件，分配系统功能，在性能、成本、功耗等方面进行权衡折衷，获得更优化设计、3支持多领域专家协同开发。

4. 软件的测试技术：P23-25

答：方法：1白盒测试与黑盒测试、2目标环境测试和宿主环境测试

工具：1内存分析工具、2性能分析工具、3 GUI测试工具、4覆盖分析工具

策略：1单元测试、2集成测试、3系统测试和确认测试

                                                   第三章

1. 选择

一个完整的计算机系统包括 硬件系统和软件系统。

目前大部分的微处理器使用的半导体技术称为CMOS

在嵌入式系统的存储器结构中，存储速度最快的是 寄存器组。

下面 不可定制 特性不符合嵌入式系统的特点

嵌入式应用软件一般在宿主机上开发，在目标机运行，因此需要一个 交叉编译 环境。

2. 简答

（1）什么是嵌入式系统？

答：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的专用系统，用于实现对其它设备控制、监视和管理等功能。

（2）嵌入式处理器分类（作业）：P31

书本答：1 ARM处理器、2 PowerPC处理器、3 FPGA、4 SoC

网上答：1嵌入式微处理器(Embedded Micro- processor Unit, EMPU)，主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、Motorola 68000、MIPS、ARM系列等。

2嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)，比较有代表性的通用系列有8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。

3嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)，比较有代表性的嵌入式DSP处理器是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。

4嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)，SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。

（3）简述ARM处理器的工作状态：P39

答：ARM状态（32位）、Thumb状态（16位）

    Thumb指令集的功能是32位ARM指令集的功能子集。正在执行Thumb指令集的处理器是处于Thumb状态下，正在执行ARM指令集的处理器是处于ARM状态下。在ARM状态下的处理器不能执行Thumb指令，在Thumb状态下的处理器不能执行ARM指令，而且要确保处理器不接受对当前状态来说为错误指令集的指令。不过每个指令集都包括切换处理状态的指令，ARM处理器总是在ARM状态下开始执行代码。

（4）可以从哪几方面来理解PowerPC处理器的体系结构？P45

答：3个；

1指令集体系结构（定义了基本的用户指令集、用户级寄存器、数据类型以及寻址方式。在这一层定义的成分构成了任何软件程序的基本组成部分。这是对指令集体系结构的一个基本定义）

2虚环境体系结构（描述了软件程序必须遵守的存储器模型、定义了一些附加指令、解释了定时控制装置）

3操作环境体系结构（描述存储器管理结构、监控级存储器和异常模型）。

（5）简述FPGA的结构资源（作业）：P48

答：包括硬件资源、软件资源和IP核资源。

1硬件资源：a.输入输出引脚资源(I\O)、b.内部资源

2软件资源：设计输入工具、编译和综合工具、仿真工具

3 IP核资源（IP核可以解析为用于知识产权的设计）

（6）简述SoC设计方法学P51

答：传统：分为逻辑设计与物理实现两个相互独立阶段。

新：1软硬件协同设计、2 IP核生成及复用技术、3超声亚微米设计

（7）简述使用多处理器结构需要考虑的几个问题（作业）P55

书上答：1节点间的通信方式（分基于共享内存访问方式和基于消息传递的访问方式）、2任务调度策略（静态调度、动态调度）、3 Cache一致性问题（Cache是为了协调处理机和存储器速度不匹配问题。出现数据不一致问题的原因：a.共享存储数据、b.进程迁移和c.IO传输。为解决Cache不一致问题，提出两种协议机制：监听协议和基于目录的协议）、4系统的异构性问题。

网上答：1处理器功能满足需求，取决于片上资源、2价格便宜、3速度够快、4功耗够低、5生产方便、6供货持久（取决于供应商）、7易于开发（取决于开发工具）。

必考：ARM内核命名规则如ARM7TDMI：

T：支持16位压缩指令集Thumb

D：对调试的支持Debug

M：内嵌硬件乘法器（32x32=64或32x32+64=64）

I：嵌入ICE仿真器，支持丄断点和调试点 

ARM926 EJ-S

E：DSP指令集

J：Java指令集

S：可逻辑综合软内核

F：带向量浮点协运算。

                                                   第四章

1. 选择

存储单元是指 存放1个机器字的所在存储元的集合

存储周期是指 存储器进行连续读或写操作所允许的最短时间间隔。

和外存储器相比，内存的特点是 容量小、速度快、成本高。

某存储器容量位32k x 16位，则 地址线为15根、数据线为16根。（容量表示：字节数如128MB、字数x字长如128kx16）

下述说法中 半导体RAM是易失性RAM，而静态RAM只有在电源不掉时，所存信息时不易失的。是正确的

 

主存和CPU间增加高速缓冲存储器的目的是 解决CPU和主存间的速度匹配问题。

2. 填空

SRAM靠双稳态触发器存储信息，DRAM靠MOS管栅极电容存储信息。

DRAM的刷新一般有集中、分散和异步刷新方式，刷新的原因是DRAM是把信息以电荷形式存在电容上，电容存在漏电。（读写保持状态和刷新状态）。

主存可和CPU、Cache和外存 交换信息，外存可以和主存交换信息，高速缓存可以和CPU、主存交换信息。

缓存是设在CPU和主存之间的一种存储器，速度快、容量和价格有关。

存储时间由快到慢排列：通用寄存器组、高速缓存、主存、磁盘、磁带。

3. 简答

（1）解释下列概念：RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM即Flash存储器 P65

答：1 RAM：随机存取存储器、2 ROM：只读存储器、3 PROM：一次可编程存储器、4. EPROM：（光）可擦除可编程存储器、5 EEPROM：电擦除电可编程只读存储器、6 FLASH（闪存）：集EPROM和EEPROM优点。

（2）解释名词：存储元件、存储单元、存储单元地址及存储字：P68

答：1存储元件：用一个具有两种稳定状态，并且在一定条件下状态可互相装换的物理器件来表示二进制数码 0 和 1，这种器件称为存储组件。

2存储单元：有若干个存储元组成一个存储单元。

3存储单元地址：存储单元按照一定的规则编号，这个编号称为地址，与存储单元一一对应。

4存储字：一个二进制数有若干位组成，但这个二进制数作为一个整体存入或取出时，这个字称作存储字

（3）存储器的主要功能是什么？如何衡量存储器的性能？P61、P63

答：功能：记忆功能，用来存储程序和数据，是构成嵌入式系统硬件的重要组成部分。

性能：1存储容量、2存取速度、3价格、4功耗、5可靠性。

（4）为什么把存储器分成若干不同的层次？主要有哪些层次？有什么联系（作业）？P61

答：1 为了扩大存储器的容量和提高访存速度，将存储器系统分成若干不同的层次。

2 有高速缓冲存储器（Cache）-主存-辅存” 3 个层次。

3 增加 Cache 的目的是为了提高速度；增加辅存的目的是为了弥补主存的容量不足。

（5）试比较SRAM和DRAM？P70

答：静态 RAM和动态 RAM都属随机存储器，即在程序的执行过程中既可读出又可写入信息。但静态 RAM靠双稳态触发器保存信息，只要电源不掉电，信息就不丢失；

动态 RAM靠MOS电容存储电荷保存息，即使电源不掉电，由于电容要放电，信息也会丢失，故需再生刷新。

（6）试比较RAM和ROM？P65

答：RAM：可读可写、CPU对RAM内部任何一个存储单元的读出和写入时间一样，与其所处的位置无关、用作主存或高速缓存；

ROM 只读不写、存放不变内容如系统程序及子程序，函数发生器 控制存储器 微程序控制器。

（7）存储芯片内的译码方式有几种？试分析它们各自的特点及应用场合

答：设计方案有两种：单译码和双译码。

单译码结构也称字结构。在这种方式中。地址译码器只有1个。译码器的输出脚自选线，而自选线选择某个字的所有位。这种结构有一个缺点，就是当 n 较大时，译码器将变得复杂而庞大，使存储器的成本上升，性能下降。适用于小容量存储器。

在双译码方式中，地址译码器分成X向和Y向2个译码器，若每一个译码器有n/2个输入端，它们各可以译出2（n/2次方）个输入状态，那么2个译码器交叉译码的结果，共可译出 2(n/2 次方）*2（n/2 次方）=2（n 次方）个输入状态，其中 n 为地址码的二进制位数。但此时译码输出线却只有2*2（n/2 次方）根。双译码结构适用于大容量存储器。

（8）简述主存的读写过程

答：CPU先给出有效地址，然后给出片选（通常受 CPU访存信号控制）信号和读命令，这样就可将被选中的存储单元内的各位信息读至存储芯片的数据线上，完成了读操作。

存储器的写入过程是： CPU先给出有效地址，然后给出片选（通常受 CPU访存信号控制）信号和写命令，并将欲写入的信息送至存储器的数据线上，这样，信息便可写入到被选中的存储单元。

（9）嵌入式系统Cache主要有哪些特点？为什么说其功耗设计非常重要？（作业）P88

答：结构特点：1容量相对较小、2组相联Cache、3分离Cache。

a.容量相对较小：由于嵌入式系统对芯片面积和功耗都要求更高，因此Cache的容量不能太大。当然Cache的容量也不能太小，太小的Cache会导致对主存过度的存取，影响系统的性能。

b.组相联Cache：嵌入式系统Cache容量有限，为了提高命中率，需要使用组相联Cache结构，而直接映射Cache失效率太高，全相联Cache硬件代价太大。

c.分离Cache：支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。

Cache作为CPU和主存之间的重要桥梁，在计算机系统的性能优化中发挥了重要的作用，但它占据了大量的芯片面积，也消耗了大量的能量，由于功耗是衡量嵌入式非常重要的指标之一，而Cache占据微处理器面积的30%~60%，能耗则占整个芯片能耗的16%~43%，因此，Cache的低功耗设计对系统的性能和能耗具有重大的影响。

（10）嵌入式系统的存储器主要有哪几部分构成？如何选择不同的存储器？P97

答：构成：嵌入式系统的存储器主要有高速缓存（CACHE）,RAM,ROM,EPROM,EEPROM和闪存等组成

选择：遵循基本原则：需要考虑一些设计参数，包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器特性、擦写的耐久性以及系统总成本等。

选择存储器适应遵循的基本原则： 1内部存储器和外部存储器、2引导存储器、3配置存储器、4程序存储器、5数据存储器、6易失性存储器和非易失性存储器、7串行存储器和并行存储器、8 EEPROM 与闪存、9 EEPROM 与 FRAM 。

                                                   第五章

1. 键盘按键如何被嵌入式处理器获知？P101

答：处理器通过轮询或中断的方式。1、由处理器每隔一段时间检测键盘控制器 Key 引脚是否为高电平，若是高电平则表示有按键被按下，这种输入检测方式称为轮询。2、由 Key 引脚直接发出中断请求信号给处理器，处理器因为中断信号触发得知目前有按键被按下，这种方式称为中断方式。

2. 触摸屏电路获得真实的坐标值吗？P102

答：否。一般触摸屏将触摸时的X、Y方向的电压值传到 A/D 转换口，经过A/D转换后的X、Y值仅是对当前触摸点的电压值的A/D转换值。

3. 什么是LED？它有哪几种类型？

答: LED 是发光二极管。按发光颜色，LED可分为红色、橙色、绿色、蓝色等；根据发光二级管出光处是否掺散射剂、有色还是无色，LED 还可以分成有色透明、无色透明、有色散剂和无色散剂；按发光管出光面特征，LED分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管，表面安装用微型管等；按发光角度分，LED分为高指向型、标准型和散色姓；按发光二极管的结构分，LED分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等。

4. LCD 如何显示一个像素点？

答：液晶屏幕显示器上具有一大堆的液晶物质阵列，每一个图案像素用一个液晶单元表示，当一个像素需要改变显示状态时，就对这一个液晶单元施以电压，它就会对于背光所发射穿透液晶单元的光线做显示角度的改变，因而可以控制所显示的光线明暗。

5. 什么是嵌入式产品的扩充接口？列举PDA扩充接口的类型？P106

答：高级的嵌入式系统都会预留扩充的接口，以便在特别需求时，可以直接购买符合扩充接口规格的
设备，直接接上嵌入式系统使用。 类型有：PCMCIA、CF、SD、MS

6. 便携式嵌入式系统的电源系统在设计时有哪些考虑？P107

答：嵌入式系统强调它的可移植性，力求外观的小型化、重量的轻质化以及电源使用的延长化。

镍氢电池、锂电池的重量都很大，若想要有较多的蓄电量，就必须使用比较大型的电池，这样会造成便携式嵌入系统搭载上电池后，变得又大又笨重。

7. I2C总线使用仲裁器吗？如何解决多个设备同时发送的冲突？P108

答：使用 I2C 总线具有多主控制能力，可以对发生在 SDL 线上的总线竞争进行仲裁。

仲裁原则：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发
送低电平，则发送电平与此时 SDL 总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出线

8. I2S基本时序特点？P109

答：I2S 将音频数据与时钟信号分离，避免由时钟带来的抖动问题，因此系统中不再需要消除抖动的器件。

I2S 总线仅处理音频数据，对其他信号（如控制信号等）单独传送。

9. CAN历史、适用及传输原理？P109

答：CAN 最初由德国的 Bosch 公司所发展，用来让汽车进行不同的电子组件互相沟通。

适用范围：嵌入式系统的电子组件间数据传递的应用上CAN 总线在数据连接上采用点对点的方式 （Peer to Peer）， 如果连接在总线中一个电子组件发生问题，无法进行数据沟通时，其他连接在总线的电子组件仍然可以继续执行数据传输的工作，总线不会因此而全面瘫痪

10. 802.3的介质类型？P110

答：10Base5、10Base2、10Base-T、10Base-F、电缆、双绞线、光纤

11. ECP、EPP属于什么类型的接口？（作业）

答：ECP口(Extended Capabilities Port)：扩展并行口，EPP口(Enhanced Parallel Port)：增强并行口

12. 何谓UART？用于哪种协议？（作业）P111

答：UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步接收/发送装置)是一种通用串行数据总线，用于异步通信。

13. RS-423、RS-485的定义？

答：RS-232 是由 EIA 所制定的一个点对点的串行异步通信标准，包括机械特性规范和电气特性规范。

14. USB接口电气定义？P112

答：USB 就是设备插件的一种规范， 在 USB 方式下，所有的外设都在机箱外连接， 连接外设不必再打开机箱，允许外盒热插拔，而不必关闭主机电源

15. IEEE1394、USB的异同？P113

答：同：为通用外接设备接口、能快速大量数据传输、连接多个不同设备、支持热插拔、不用外部电源。异：传输速率不同、连接方式不同、智能化不同。

16. 红外线接口模块与蓝牙接口模块的区别？P115

答：传输用的技术不同，包括信号频段、通信协议等等，最大的区别在使用方便性上，红外有方向性必须对准两个红外口，距离也不能太远 30cm 以内最好，蓝牙没方向性，有效距离内任意方向都行，蓝牙接口模块有更好的安全性，蓝牙接口模块可以再系统移动时进行传输操作，而红外线接口模块不行，红外传输速度慢蓝牙速度快，红外传输距离近蓝牙距离远，蓝牙接口模块价格更昂贵。

17. ISM频带？

答：ISM 频带即为一个不需要额外管理单位提出申请的无线电通信频带

18. WLAN有几种类型？

答：1点对点型、2点对多点型、3多点对点型和混合型

19. GPRS（2.5G）、CDMA、3G定义

答： GPRS:General Packet Radio System,通用分组无线业务，是介于第二代和第三代之间的一种技术,通常称为2.5G

CDMA ： Code Division Multiple Access, 码分多址 ，是一种扩展频谱多址数据通讯技术

3G：英语 3rd-generation,是第三代移动通信技 术的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术

20. 嵌入式最小系统的构成、扩展方式、常用扩展芯片类型？

答：最小系统：1处理器、2内存、3时钟、4电源和复位

扩展方式：1内部模块扩展、2总线扩展、3 GPIO扩展

扩展芯片类型：1内存类、2通信类、3其它类

21. AHB、APB属于什么类型总线？

答：

22. 同步总线协议、异步总线协议？

答：同步协议:通常若在协议中有参考时钟，会被称为同步协议，则此时所有 数据的传送都必须根据时钟进行，所有的事件都会根据时钟来 排定。

异步协议:不包含*时钟，完全以握手的方式来沟通，所以在信号中通常会伴 随着 req、ack、ready等信号。

23. IO接口的组成、功能、编址方式？P126-127

答：功能：1数据缓冲和锁存功能、2信号转换功能、3数据格式变换功能、4接受和执CPU命令功能、5设备选择功能、6中断管理功能

编址方式：存储器映像法和IO地址法。

24. 什么是DMA？它的传输过程？P129

答：DMA：直接内存访问    

过程：1微处理器将数据移动的信息告诉DMA、2请求总线使用权、3得到使用权、4重复传输数据并检查是否传完、5释放总线控制权

25. 什么是中断、异常？它们的处理过程？（作业）P132

答：中断是指由外设主动提出信息传送的请求。

异常是指微处理器核心内部的突发状况，或者是程序要去一个非法的内存位置存取数据，也可能会发生异常。

当中断 /异常发生时微处理器核心必须暂时停止内部所有的执行动作，然后跳往中断向量位置。微处理器核心会把 pc 改成中断向量的值， 所以下一步微处理器核心就会跳往中断向量位置， 然后接下来就必须由终端服务程序负责接手。由于在中断发生时，系统并不清楚是由哪个外围发出的中断信号，因此系统要先检查中断控制器，才能知道到底是谁发出的中断，这样才可以执行正确的中断服务程序。

26. 如何编制外设接口的驱动程序？（作业）

答：编写驱动程序的第一步是仔细读说明书，以了解该外围提供的寄存器的意义与使用方法。寄存器的每一个字段为一个位，代表了一位意义，而在硬件上则是由一个个触发器所组成。驱动程序就是直接利用寄存器与周边外设沟通的程序。通常驱动程序可以有两种方式存取周边，一种是内存映像的方式来存取外围设备，对整个系统来说，外围设备处在一个内存地址，可以用 C 语言的指针来存取；另一种就是利用 I/O地址的方式，这种必须直接写汇编语言来控制。

                                                   第六章

1. 简述嵌入式操作系统的发展历史？P136

答：1无操作系统的嵌入算法阶段、2简单监控的实时操作系统阶段、3通用的嵌入式实时操作系统阶段

2. 嵌入式操作系统的特点？P136

答：1小巧、2实时性、3可装卸、4固化代码、5弱交互性、6强稳定性、7统一的接口

3. 什么是嵌入式实时操作系统？P142

答：嵌入式实时操作系统是强实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级，具有规模小（一般在几十K内）、可固化使用的特点。

4. 嵌入式实时操作系统的发展趋势是什么？P144

答：1正向实时超微内核开放发展、2开放环境正向开放的、集成化的方向发展。

5. 分别列举2~3种典型的嵌入式操作系统，并说明其主要应用领域？（作业）

答：1.VxWorks；卫星、军事、航空、航天等高精尖技术及实性要求较高的领域

2.Palm 0S；主要用于掌上电脑

6. 在进行嵌入式操作系统选择时，主要考虑哪些因素？

答：1市场进入时间、2可移植性、3可利用资源、4系统定制能力、5成本、6中文内核支持。

7. uCLinux系统采用哪种小型化方法？P156

答:1内核加载方式方面、2文件系统方面、3应用程序方面

8. WinCE 6.0有哪些新的特点？P164

答：1同时运行进程数上升到32 000个、2每个进程拥有2G虚拟内存、3移除了共享内存空间、4开放工具有大的变化、5用户态与内核态意义的转变、6提供了对VOIP支持、7 100%共享WinCE 6.0内核源代码、8功能更强的模拟器、9提供其它支持。