微处理器系统结构与嵌入式系统

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……电子科技大学2014-2015学年第 1 学期期 末 考试 A 卷课程名称：微处理器系统结构与嵌入式系统设计 考试形式：一本书开卷 考试日期：2015年1月8日 考试时长：120分钟平行班课程成绩构成：平时 10 %， 期中 15 %， 实验 15 %， 期末 60 % 英才班课程成绩构成：平时 30 %， 期中 0 %， 实验 20 %， 期末 50 % 本试卷试题由 三 部分构成，共 5 页。

注意：请将第一、二题答案填入指定位置。

一、单选题答案（共30分，共30空，每空1分）二、填空题答案（共20分，共20空，每空1分） 1. ① 运算器 ② 控制器 2. ① 528 ② 528 3. ① 1 ② DRAM （动态RAM ） 4. ① 空递增5. ① 高 ② 嵌套6. ① FIQ （快中断、快速中断）7. ① 4 ② 4 ③ 0 ④ 1 8. ① MRS ② LDR ③ LDM………密………封………线………以………内………答………题………无………效……9.①同步控制②电路简单，速度快③时钟以最慢设备为准，高速设备速度受影响………密………封………线………以………内………答………题………无………效……一、单选题（共30分，共30空，每空1分）1.程序计数器PC通常用于存放（ D ）。

A、数据B、指令C、正在执行的指令地址D、待取指的指令地址2.微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是（ B ）。

A、每一条机器指令由一条微指令来执行B、每一条机器指令由一段微指令编写的微程序来执行C、每一条微指令由一段机器指令编写的程序来执行D、一条微指令由若干条机器指令组成3.指令之间存在的相关性可能会引起流水线的停顿，从而影响流水线的性能和效率。

下列不属于指令相关的为（ C ）。

A、数据相关B、结构相关C、名字相关D、控制相关4.某微处理器的结构之所以称为超标量结构，是因为该微处理器（ B ）。

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……电子科技大学2012-2013学年第 1 学期期 末 考试 A 卷课程名称：微处理器系统结构与嵌入式系统设计 考试形式：一本书开卷 考试日期：2013年1月16日 考试时长：120分钟平行班课程成绩构成：平时 10 %， 期中 15 %， 实验 15 %， 期末 60 % 英才班课程成绩构成：平时 30 %， 期中 0 %， 实验 20 %， 期末 50 % 本试卷试题由 3 部分构成，共 4 页。

注意：请将第一、二题答案填入指定位置。

一、单选题答案（共30分，共30空，每空1分）二、填空题答案（共28分，共28空，每空1分）1. ① 存储器 ② I/O 端口 （可交换顺序）2. ① 一条机器指令由一段微程序来解释执行3. ① 指令 ② 总线4. ① IRQ ② FIQ （可交换顺序）5. ① 1.78 ② 44.94 ③ 2.886. ① 1100 0011 0000 1010 ② 1010 0010 1001 1010 ③ 1 ④ 1 ⑤ 1 ⑥ 0 （说明：该题评阅时按上述答案给分，但实际ARM 是32位CPU ，基本没有同学考虑到）7. ① 非流水线执行时间相对流水线执行时间之比8. ① 一段时间内，计算机工作时所需的指令和数据总是集中存放在临近地址的存储单元 9. ① 复位 ② 电源 ③ 时钟 ④ 存储系统 ⑤ 调试接口 （可交换顺序） 10. ① 异常 （或中断） 11. ① BIC ② ORR12. ① =ULCON0(或=0x50000000) ② #0x2B （或#0xAB ）………密………封………线………以………内………答………题………无………效……一、单选题（共30分，共30空，每空1分）1.以下常用总线标准中，不属于片内总线的是（）。

A、Core ConnectB、AMBAC、AvalonD、SATA2.计算机系统中，以下不属于“异常”的是（）。

嵌入式系统硬件体系结构设计一、嵌入式计算机系统体系结构体系主要组成包括：硬件层中涵盖嵌入式微处理器、存储器（sdram、rom、flash等）、通用设备USB和i/oUSB（a/d、d/a、i/o等）。

在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。

其中操作系统和应用程序都可以固化在rom中。

硬件层与软件层之间为中间层，也称作硬件抽象化层（hardwareabstractlayer，hal）或板级积极支持纸盒（boardsupportpackage，bsp），它将系统上层软件与底层硬件拆分开去，并使系统的底层驱动程序与硬件毫无关系，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据bsp层提供更多的USB即可展开研发。

该层通常涵盖有关底层硬件的初始化、数据的输出/输入操作方式和硬件设备的布局功能。

3.系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（real-timeoperationsystem，rtos）、文件系统、图形用户USB（graphicuserinterface，gui）、网络系统及通用型组件模块共同组成。

rtos就是嵌入式应用软件的基础和研发平台。

功能层主要由实现某种或某几项任务而被开发运行于操作系统上的程序组成。

一个嵌入式系统装置通常都由嵌入式计算机系统和继续执行装置共同组成，而嵌入式计算机系统就是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层共同组成。

继续执行装置也称作被控对象，它可以拒绝接受嵌入式计算机系统收到的掌控命令，继续执行所规定的操作方式或任务。

本网关硬件环境以单片机s3c2440芯片和dm9000以太网控制芯片为主，实现rj45接口和rs232接口的数据传输。

内容包括硬件环境的初始化，数据的收发控制，封包解包设计，操作系统的移植等。

硬件框图就是直观的将每个功能模块列举，也就是一个基本的模块女团，可以简约的每个模块的功能彰显出。

嵌入式微处理器分类：根据微处理器的字长宽度：微处理器可分为4位、8位、16位、32位、64位。

一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器，32位以上的称为嵌入式微处理器。

根据微处理器系统集成度，可划分为两类：一般用途的微处理器，即微处理器内部仅包含单纯的中央处理单元；单芯片微控制器，即将CPU、Rom、RAM及I/O等部分集成到同一个芯片上。

根据嵌入式微处理器的用途：可分为以下几类：1、嵌入式微控制器（MCU），又称为单片机。

微控制器的片上外设资源通常比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

微控制器芯片内部集成有ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。

微控制器的最大特点是单片化，功耗成本低，可靠性高。

常用的有8051、MCS系列、C540、MSP430系列等，目前，微控制器占嵌入式系统的约70%的市场份额。

2、嵌入式微处理器（EMPU）。

由通用计算机中的CPU发展而来，主要特点是具有32位以上的处理器，具有比较高的性能，价格也较高。

与计算机CPU不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，因此其体积小、重量轻、功耗低、成本低及可靠性高。

通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等元件做到同一个芯片上，也称为单板计算机。

目前，主要的嵌入式微处理器有ARM、MIPS、POWER PC和基于X86的386EX等。

特点：嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。

嵌入式系统（STM32微控制器）实训指导书意法半导体公司的STM32微控制器具有32位字长的CPU，使用精简指令系统（RISC）。

精简指令系统的指令字长固定，译码方便，相对于复杂指令系统（CISC），精简指令系统的处理效率更高。

具有32位字长CPU的STM32系列微控制器的处理能力远高于8位和16位单片机，同时集成了与32位CPU相适应的强大外设（如双通道ADC、多功能定时器、7通道DMA、SPI等），能够完成过去一般单片机所无法达到控制功能。

现在，已经形成了以8位单片机为主流的低端产品和以32位微控制器为主流的高端产品两大市场。

对于自动化领域的从业人员，了解32位微控制器的结构、特点，掌握其使用方法，是很有必要的。

一、关于学习方法此前，我们已经学习过《C语言程序设计》、《微机原理》、《单片机原理及应用》等相关课程。

这些课程的学习是系统的、完整的、全面的，是有老师讲授的。

这种学习方法，适合在学校学习一些重要的基础理论课程。

在工作中，我们常常会遇到新的东西，需要以已有的知识作为基础，去解决问题、完成任务。

这就需要不同于前述的另一种学习方法。

这种方法是建立在自学基础上的，以解决实际问题为目的，允许通过局部的、模仿性的手段，来实现既定目标。

这种方法在工程实践中的应用是非常普遍的。

“白猫黑猫，能抓住老鼠就是好猫”。

能解决问题的方法就是好方法。

本次实训采取的方法是：将参考资料发给同学，同学自学其中需要的部分。

在指导教师引导下，体验各个控制项目、理解各组成部分，再以原控制软件为基础进行修改和移植，获得要达到的控制效果。

在本次实训中，我们使用的微控制器型号为STM32F103RB。

STM32F103RB是STM32微控制器系列中的一种，内部具有128KB程序存储器、20KB随机读写存储器、1个16位高级定时器、3个16位通用定时器、2个SPI、2个I2C、3个USART、1个USB、1个CAN、2个ADC。

芯片为64引脚LQFP封装，有51个I/O引脚。

1、什么是嵌入式系统？它由哪几部分组成？有何特点？写出你所想要的嵌入式系统。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，从而能狗适应实际应用中队功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。

嵌入式系统有以下特点：（1）软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、行业技术于一体；（2）需要操作系统支持，代码小，执行速度快；（3）专用进抽，用途固定，成本敏感；（4）可靠性要求高；（5）多样性，应用广泛，种类繁多。

我想要的系统应该体积小，功能强大，操作简单。

2、ARM英文原意是什么？它是一个怎样的公司？其处理器有何特点？ARM：Advanced RISC MachinesARM公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商，通过将其高性能、低成本的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术转让给合作伙伴来生产各具特色的芯片。

ARM处理器有3答特点：（1）小体积、低功耗、低成本而高性能；（2）16/32位双指令集；（3）去拿球的合作伙伴众多。

3、实时操作系统常用的任务调度算法有哪几种？基于优先级的抢占式调度算法；（1）非抢占式调度（2）抢占式调度同一优先级的时间片轮转调度算法；单调速率调度算法。

4、用什么方法解决优先级反转问题？（1）优先级继承：设C为正占用着某项共享资源的进程P以及所有正在等待占用此项资源的进程集合。

找出这个集合中的优先级最高者P_h，其优先级为p'。

把进程P的优先级设置成p'。

（2）优先级封顶：设C为所有可能竞争使用某项共享资源的进程的集合。

事先为这个集合规定一个优先上限p'，使得这个集合中所有进程的优先级都小于p'。

在创建保护该项资源的信号量或互斥量时，将p'作为一个参数。

每当有进程通过这个信号量或互斥量取得对共享资源的独占使用权时，九江此进程的优先级暂时提高到p'，一直到释放该资源时菜回复其原有的优先级。

《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》教学大纲教案课程英文名称：Microcomputer System Theory and Embedded System Design课程代码：E0130340 学时数：64 学分数：4课程类型：学科基础课程适用学科专业：工学，仪器仪表类、电气类、电子信息类、自动化类、计算机类各专业以及机械类、测绘类、航空航天类、能源动力类、交通运输类、生物医疗工程类各相关专业先修课程：数字逻辑设计及应用，高级语言程序设计，软件技术基础执笔者：编写日期：审核人：一、课程简介本课程是工学电子电气信息工程及相关专业的学科基础课程，与实践类课程《微处理器系统与嵌入式系统综合设计》（课程代码：K0175010）互为配套课程。

本课程在阐述通用微处理器系统的架构、组成及工作原理的基础上，介绍了基于ARM CPU的、现代嵌入式微系统的设计与实现技术。

课程全面涵盖了微处理器、存储器、总线及接口等计算机子系统，重点体现了嵌入式系统/片上系统中硬件电路和软件程序的协同工作原理与设计方法，具体讲述了微处理器中数据通路、控制部件及指令的实现技术、分层存储器设计技术、输入/输出接口控制技术，以及ARM微处理器程序设计技术、异常处理技术，嵌入式系统引导程序设计、接口驱动程序设计及操作系统移植等内容。

This course is a basic subject-centered course in electrical and electronic information engineering and other related specialties. It will be helpful to understand the knowledge of the co-requisite experimental course K0175010 - Microprocessor and Embedded System Laboratory.The architecture, organization and operation principles of general-purpose microprocessor systems will be elaborated, as well as the design and implementation technology for current embedded microsystems based on ARM CPU. The subsystems in a computer, including microprocessor, memories, buses, input/output interfaces and others, will be completely involved. The primary goal of this course is to studying the cooperated relationship between the hardware and software in an embedded system or a System-on-Chip, by discussing in detail on the design method for data path and the controller inside CPU, the implementation technology for hierarchy storage system, the control mode for peripherals, and the program skill for APPs, exception handlers, boot codes, drivers and operating system transplantation, and so on.二、课程目标本课程旨在培养学生深入理解微处理器芯片与嵌入式系统的架构、组成及工作原理，熟练掌握现代嵌入式微系统中硬件电路和软件程序的基本分析、设计与实现方法。

嵌入式系统（Embedded System），一般指非桌面计算机系统（即非PC、服务器、大中小型机等），有计算机功能且可以“嵌入”到专用设备并发挥专用功能的计算机设备或器材。

它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。

简单地说，这种计算机通过和设备的电气连接，并通过在计算机上运行的专用程序对接口进行通讯和控制，使设备成为智能化的设备，比如：基于网络的工业控制器、带彩色显示的智能终端等。

嵌入式系统主要由嵌入式处理器为核心的硬件系统、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。

一、嵌入式处理器为核心的硬件系统嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。

嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

2）具有功能很强的存储区保护功能。

这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。

2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。

这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，硬件一般由高性能微处理器和外围接口电路组成，软件一般由操作系统和应用程序构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSP层，板级支持包）连接。

嵌入式系统的硬件有：嵌入式微处理器、存储器、输入输出（I/O、A/D、D/A）。

嵌入式系统的软件有：操作系统、应用软件。

操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。

嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。

实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。

实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要时间在规定的时间内做出正确的响应。

分时操作系统，软件在时间上的执行并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性后果。

嵌入式系统从组织层次上看，嵌入式系统一般由硬件层、中间层、软件层和功能层组成。

（1）硬件层硬件层由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）组成。

在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路（ROM和RAM 等），就构成了一个嵌入式核心控制模块。

其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

（2）中间层硬件层和软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层HAL和板级支持包BSP，它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关，一般应具有相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。

（3）软件层软件层由实时多任务操作系统RTOS、文件系统、图形用户接口GUI、网络系统及通用组件模块组成。

（4）功能层功能层由基于RTOS开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。

功能层是面向被控对象和用户的。

在专用的嵌入式板子上面运行GNU/Linux系统已经变得越来越流行。

一个嵌入式Linux 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：（1）引导加载程序。

基于MicroBlaze的嵌入式系统设计基于MicroBlaze 的嵌入式系统设计由技术编辑于星期二, 03/26/ - 23:06 发表摘要：当今时代,嵌入式系统已经无所不在,与人们的日常生活息息相关。

嵌入式系统以微处理器为核心,以计算机技术为基础,其主要特征是实时性强。

据统计,当前世界上微处理器每年生产总量的95 %以上都是面向嵌入式系统应用,围绕Xilinx 公司的MicroBlaze 微处理器,对其体系结构、设计流程和相关开发工具一一做出介绍,而且经过一个简单的实例来说明以MicroBlaze 处理器为内核的嵌入式系统的开发过程。

1 MicroBlaze 处理器结构MicroBlaze 处理器是Xilinx 公司针对嵌入式处理器开发应用推出的一种32 位嵌入式处理器内核,她是一种软核结构,简单但灵活性强,在目标器件中能够进行任意配置。

她采用RISC 指令集、Harvard 体系结构,该处理器有以下一些特征：(1) 32 个32 位通用寄存器和2 个专用寄存器。

(2) 32 位指令系统, 支持3 个操作数和2 种寻址方式。

(3) 分离的32 位指令和数据总线,符合IBM 的OPB总线规范。

(4) 经过本地存储器总线(LMB) 直接访问片内块存储器(BRAM) 。

(5) 具有高速的指令和数据缓存(cache) ,三级流水线结构。

(6) 具有硬件调试模块(MDM) 。

(7) 带8 个输入/ 输出快速链路接口( FSL) 。

说明：DOPB 器件内部的外围设备数据接口总线,用于处理器与片内的设备进行数据交换。

DLMB 实现数据交换的本地块存储器总线,该总线为处理器内核与块存储器(BRAM) 之间提供专用的高速数据交换通道。

IOPB 用于实现外部程序存储器的总线接口。

当程序较大时,需要外接大容量的存储器,该总线提供读取指令的通道。

ILMB 用于取指令的本地存储器总线,该总线与器件内部的块存储器(BRAM) 相连,实现高速的指令读取。