【正文】 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程習(xí)題與解答第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基本概念（緒論）嵌入式系統(tǒng)的定義是什么？你是如何理解嵌入式系統(tǒng)的? （P3） 答：嵌入式系統(tǒng)一般定義為以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計算機系統(tǒng)。一個嵌入式系統(tǒng)就是一個硬件和軟件的集合體，它包括硬件和軟件兩部分。其中硬件包括嵌入式處理器/控制器/數(shù)字信號處理器（DSP）、存儲器及外設(shè)器件、輸入輸出（I/O）端口、圖形控制器等；軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（嵌入式操作系統(tǒng)）和應(yīng)用程序（應(yīng)用軟件），由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，應(yīng)用程序千差萬別。列出并說明嵌入式系統(tǒng)不同于其他計算機系統(tǒng)的主要特征。（P3~P4） 答：主要特征有： 系統(tǒng)內(nèi)核?。河捎谇度胧较到y(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。 專用性強：嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定任務(wù)的，個性化很強，其中軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行軟件系統(tǒng)的移植。 運行環(huán)境差異大：嵌入式系統(tǒng)使用范圍極為廣泛，其運行環(huán)境差異很大。 可靠性要求高：嵌入式系統(tǒng)往往要長期在無人值守的環(huán)境下運行，甚至是常年運行，因此對可靠性的要求特別高。 系統(tǒng)精簡和高實時性操作系統(tǒng)： 具有固化在非易失性存儲器中的代碼：為了系統(tǒng)的初始化，幾乎所有系統(tǒng)都要在非易失性存儲器中存放部分代碼（啟動代碼）。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)常常把所有代碼（或者其壓縮代碼）固化，存放在存儲器芯片或處理器的內(nèi)部存儲器件中，而不使用外部存儲介質(zhì)。 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作和環(huán)境：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。簡述嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。（P5） 答：嵌入式系統(tǒng)自底向上包含四個部分：硬件平臺、嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）、硬件抽象層（HAL）和嵌入式實時應(yīng)用程序。硬件抽象層位于操作系統(tǒng)和硬件之間，包含了系統(tǒng)中與硬件相關(guān)的大部分功能。屏蔽了底層硬件的多樣性，操作系統(tǒng)不再直接面對具體的硬件環(huán)境，而是面向由這個中間層次所代表的、邏輯上的硬件環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)是怎樣分類的？（P8） 答：根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，嵌入式系統(tǒng)有不同的分類方法。按嵌入式微處理器的位數(shù)分類：嵌入式系統(tǒng)可分為4位、8位、16位、32位和64位等；按軟件實時性需求分類：可分為非實時系統(tǒng)（如PDA）、軟實時系統(tǒng)（如消費類產(chǎn)品）和硬實時系統(tǒng)（如工業(yè)實時控制系統(tǒng)）。按嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度分類：嵌入式系統(tǒng)可分為小型嵌入式系統(tǒng)、中型嵌入式系統(tǒng)和復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。什么是實時操作系統(tǒng)，其主要功能是什么？（P8） 答：實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real Time multitasking Operation System，RTOS）簡稱實時操作系統(tǒng)，主要用來完成嵌入式實時應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能。這些功能是通過內(nèi)核服務(wù)函數(shù)形式交給用戶調(diào)用的，也就是RTOS的系統(tǒng)調(diào)用，或者叫做RTOS的API。在日常生活中，你接觸過哪些嵌入式產(chǎn)品？他們都有些什么功能？（P9~P10） 答：[略] 第2章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基本概念嵌入式系統(tǒng)的硬件由哪幾個部分組成？（P12~13） 答：嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是由嵌入式處理器、存儲器、I/O接口電路、通信模塊以及其他外部設(shè)備組成的。其核心是嵌入式處理器。存儲器是構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)硬件的重要組成部分。嵌入式處理器工作時，必須有附屬電路支持，如時鐘電路、復(fù)位電路、調(diào)試電路、監(jiān)視定時器、中斷控制電路等，這些電路并不完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出功能，而是為嵌入式處理器的工作提供必要的條件。嵌入式處理器與通用處理器的最大區(qū)別在于嵌入式處理器集成了大量的不同功能的I/O模塊。用戶在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時，可以根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的嵌入式處理器，而無需再另外配備I/O電路。此外，嵌入式系統(tǒng)通常還包括人機交互界面，用于系統(tǒng)與用戶的交互。人機界面常常使用鍵盤、液晶屏、觸摸屏等部件，以方便與用戶的交互操作。通用處理器與嵌入式處理器有哪些相同和不同的地方？（P13） 答：嵌入式微處理器一般具備四個特點： 對實時和多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時操作系統(tǒng)的執(zhí)行時間減少到最低限度； 具有功能很強的存儲區(qū)保護功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷； 可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能迅速地擴展出滿足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器； 嵌入式處理器的功耗必須很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，功耗只能為mW甚至μW級。 嵌入式處理器與通用處理器的最大區(qū)別在于嵌入式處理器集成了大量的不同功能的I/O模塊。用戶在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時，可以根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的嵌入式處理器，而無需再另外配備I/O電路。常用的嵌入式處理器通常分成哪幾大類？（P13） 答：嵌入式系統(tǒng)中的處理器通常分為三大類，即微處理器（MicroProcessor Unit，MPU）、微控制器（MicroController Unit，MCU）和數(shù)字信號處理器（DSP）。微處理器是指功能較強大的CPU，它不是為任何特定的計算目標(biāo)而設(shè)計的。因此這種芯片通常用于個人計算機與服務(wù)器。微控制器是針對嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的，它將CPU、存儲器以及其他外設(shè)都集成在同一片電路板上。數(shù)字信號處理器（DSP）中的CPU是針對快速離散時間信號處理計算的。因此，DSP非常適用于音頻及視頻通信?，F(xiàn)代的芯片生產(chǎn)工藝已經(jīng)允許將重要處理器的內(nèi)核和各種外圍的芯片器件整合在一起，以進一步降低功耗，達到專用的需求，這時，便出現(xiàn)了片上系統(tǒng)SoC（System On Chip）。什么是嵌入式外圍設(shè)備？簡要說明嵌入式外圍設(shè)備是如何分類的。（P22~23） 答：嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段？（P28）答：嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了四個階段：第一階段：無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，具有與監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。第二階段：以嵌人式CPU為基礎(chǔ)、簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。由于CPU種類繁多，因此通用性比較差；系統(tǒng)開銷小，效率高；具有一定的兼容性和擴展性；系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運行。第三階段：通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)階段。以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)，能運行于各種類型的微處理器上，兼容性好；內(nèi)核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口（APl）；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。第四階段：以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這是一個正在迅速發(fā)展的階段。嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。現(xiàn)階段常用的操作系統(tǒng)有哪些？通過調(diào)研，指出幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)的特點是什么？常用在什么場合？（P28~29） 答：常用的嵌入式RTOS分三大類：商用系統(tǒng)、專用系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。商品化的嵌入式實時操作系統(tǒng)，主要有WindRiver的Vxworks和pSOS+，3Com的Palm OS以及Microsoft的Windows CE等。專用操作系統(tǒng)功能相對較弱，但針對性強，其安全可靠性大都超過普通商用系統(tǒng)，如應(yīng)用于手機的嵌入式操作系統(tǒng)SymbianOS。開放系統(tǒng)的典型代表是嵌入式Linux和mC/OSⅡ。嵌入式操作系統(tǒng)的主要任務(wù)有哪些？（P28） 答：嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。 嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應(yīng)用程序。嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程包括哪幾個階段？每一個階段的主要工作有哪些？（P33） 答：以自頂向下的角度來看，系統(tǒng)設(shè)計包括五個階段，從系統(tǒng)需求分析開始；第二步是規(guī)格說明，在這一步，我們對需設(shè)計的系統(tǒng)功能進行更細(xì)致地描述，這些描述并不涉及系統(tǒng)的組成；第三步是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，在這一階段以大的構(gòu)件為單位設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)部詳細(xì)構(gòu)造，明確軟、硬件功能的劃分；第四步是構(gòu)件設(shè)計，它包括系統(tǒng)程序模塊設(shè)計、專用硬件芯片選擇及硬件電路設(shè)計；第五步是系統(tǒng)集成，在完成了所有構(gòu)件設(shè)計的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)集成，構(gòu)造出所需的完整系統(tǒng)。需求分析階段細(xì)分為哪幾個步驟？每個步驟完成什么工作？（P34~35） 答：需求分析階段可細(xì)分為四個階段：需求與規(guī)格說明：通過與客戶進行交流，了解用戶的意圖，明確客戶需求，整理成正式的規(guī)格說明，這些規(guī)格說明里包含了進行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的足夠信息。確認(rèn)需求：確認(rèn)這一系列的需求不僅需要理解什么是用戶需要的，而且需要理解他們是如何表達這些需求的。簡單的需求表格：將復(fù)雜而費時的工作用相對少量的格式清晰、簡單的需求表格來表示，在考慮系統(tǒng)基本特征時可以將這個表格作為檢查表。需求的內(nèi)部一致性：在寫完需求分析以后，應(yīng)該對它們的內(nèi)部一致性進行檢查。試通過各種渠道調(diào)查目前市場上主要有哪些嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，它們各自有什么特點。 答：[略]第3章 ARM體系結(jié)構(gòu)及基于ARM9處理器的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺OMAP5912試比較RISC和CISC體系結(jié)構(gòu)的異同，為什么ARM內(nèi)核要采用RISC體系結(jié)構(gòu)？（P47）答：ARM體系結(jié)構(gòu)總的設(shè)計思路是在不犧牲性能的同時盡可能簡化處理器。同時從體系結(jié)構(gòu)的層面上支持靈活的處理器擴展。這種簡化和開放的思路使ARM處理器采用了很簡單的結(jié)構(gòu)——精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）體系結(jié)構(gòu)來進行實現(xiàn)。傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點，即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復(fù)雜，然而，在CISC指令集的各種指令中，其使用頻率卻相差懸殊，大約有20％的指令會被反復(fù)使用，占整個程序代碼的80％。而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占20％，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。基于以上的不合理性，1979年美國加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC的概念。RISC并非只是簡單地去減少指令。RISC是一種設(shè)計思想，其目標(biāo)是設(shè)計出一套能在高時鐘頻率下單周期執(zhí)行、簡單而有效的指令集。RISC的設(shè)計重點在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復(fù)雜度，因為軟件比硬件容易提供更大的靈活性和更高的智能。因此，RICS設(shè)計對編譯器有更高的要求；相反，傳統(tǒng)的CISC則更側(cè)重于硬件執(zhí)行指令的功能性，使CISC指令變得更復(fù)雜。簡述ARM的設(shè)計思想及其與單純的RISC定義的不同。（P48~49） 答：ARM內(nèi)核并不是一個純粹的RISC體系結(jié)構(gòu)，這是為了使它能夠更好地適應(yīng)其主要應(yīng)用領(lǐng)域——嵌入式系統(tǒng)。為了使ARM指令集能夠更好地滿足嵌入式應(yīng)用的需要，ARM指令集和單純的RISC定義有以下幾個方面的不同： 一些特定的指令周期數(shù)可變——并不是所有的ARM指令都是單周期的。例如：多寄存器裝載/存儲的Load/Store指令的執(zhí)行周期就是不確定的，必須根據(jù)被傳送的寄存器個數(shù)來定。如果是訪問連續(xù)的存儲器地址，就可以改善性能，因為連續(xù)的內(nèi)存訪問通常比隨機訪問要快；同時，代碼密度也得到了提高，因為在函數(shù)的起始和結(jié)尾，多個寄存器的傳輸是很常用的操作。 內(nèi)嵌桶形移位器產(chǎn)生了更為復(fù)雜的指令——內(nèi)嵌桶形移位器是一個硬件部件，在一個輸入寄存器被一條指令使用之前，內(nèi)嵌桶形移位器可以處理該寄存器中的數(shù)據(jù)。它擴展了許多指令的功能，以此改善了內(nèi)核性能，提高了代碼密度。 Thumb 16位指令集——ARM內(nèi)核增加了一套稱之為Thumb指令的16位指令集，使得內(nèi)核既能夠執(zhí)行16位指令，也能夠執(zhí)行32位指令，從而增強了ARM內(nèi)核的功能。16位指令與32位的定長指令相比較，代碼密度可以提高約30%。 條件執(zhí)行——只有當(dāng)某個特定條件滿足時指令才會被執(zhí)行。這個特性可以減少分支指令的數(shù)目，從而改善性能，提高代碼密度。ARM體系結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中，主要有哪些變種，對各變種做簡要介紹。（P49~50）答：我們將在ARM體系中增加的某些特定功能稱為ARM體系的某種變種（variant），下面介紹ARM體系的一些變種形式。 （1）Thumb指令集（T變種） Thumb指令集是將ARM指令集的一個子集重新編碼而形成的一個指令集。ARM指令長度為32位，Thumb指令長度為16位。這樣，使用Thumb指令集可以得到密度更高的代碼，這對于需要嚴(yán)格控制產(chǎn)品成本的設(shè)計非常有意義。 （2）長乘法指令（M變種） M變種增加了兩條用于進行長乘法操作的ARM指令：其中一條指令用于實現(xiàn)32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘法操作，另一條指令用于實現(xiàn)32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，然后再加上32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘加操作。 （3）增強型DSP指令（E變種） E變種包含了一些附加的指令，這些指令用于增強處理器對一些典型DSP算法的處理性能，主要包括：幾條新的實現(xiàn)16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令，實現(xiàn)飽和的帶符號數(shù)的加減法操作的指令。 （4）Java加速器Jazelle（J變種）ARM的Jazelle技術(shù)將Java的優(yōu)勢和先進的32位RISC芯片完美地結(jié)合在一起。Jazelle技術(shù)提供了Java加速功能，可以得到比普通Java虛擬機高得多的性能。與普通的Java虛擬機相比，Jazelle使Java代碼運