嵌入式-考试复习题

第一章 嵌入式系统概述

嵌入式系统组成

嵌入式系统一般由硬件和软件两部分组成，硬件通常包含嵌入式微处理器、存储器和外围接口电路，软件通常由引导程序、操作系统和应用程序组成。

嵌入式微控制器MCU,又称单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中,以微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM 、RAM 、Flash 、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog 、I/O 、串行口、脉宽调制输出、A/D 、D/A 等各种必要的功能模块。

例如:8051系列；汉芯16位DSP 芯片

嵌入式微处理器EMPU ，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的功能，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面表现优越。嵌入式微处理器体积小、重量轻、成本低和可靠性高,电路板上必须包括ROM 、RAM 、总线接口和各种外设等器件。嵌入式微处理器及其存储器、总线和外设等安装在一块电路板上，也被称为单板计算机。 例如:ARM 系列芯片SAMSUNGS2C440BOX

系统引导程序（BootLoader ）是系统上电后首先运行的第一段代码，它是嵌入式系统中的重要组成部分。 在嵌入式系统中，没有像BIOS 那样的器件，系统的启动由BootLoader 来完成。BootLoader 在系统上电或复位时从地址0x00000000处开始执行，初始化硬件设备，建立内在空间映射，配置软硬件环境，将控制权交给操作系统，最后启动操作系统。

常用的嵌入式操作系统平台有：

（1）Linux （2）Windows CE （3）μC/OS-Ⅱ （4）VxWorks

软件系统

硬件系统

图1-1嵌入系统的组成

第二章 ARM体系结构

处理器工作状态和工作模式

工作状态切换

从ARM状态进入Thumb状态：

(1)当操作数寄存器的状态位为1时，可以采用执行BX指令的方法，使微处理器从ARM状态切换至Thumb状态；

(2)当处理器处于Thumb状态时发生异常，如IRQ、FIQ、UNDEF、ABORT、SWI等，则异常处理返回时，自动切换到Thumb状态；

从Thumb状态进入ARM状态：

(1)当操作数寄存器的状态位为0时，执行BX指令可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM状态；

(2)在处理器进行异常处理时，把PC指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到ARM状态；

处理器工作模式

ARM体系结构支持7种工作模式，分别是：

?用户模式（usr）

?快速中断模式（fiq）

?外部中断模式（irq）

?管理模式（svc）

?数据访问终止模式（abt）

?系统模式（sys）

?未定义指令中止模式（und）

ARM处理器的当前工作模式是在当前程序状态寄存器，也就是CPSR的低5位中定义的。

除用户模式外，其余的六种模式称为非用户模式或特权模式，

除用户模式和系统模式外的五种又称为异常模式，常用于处理中断、异常、以及需要访问受保护的系统资源等。

ARM处理器异常：

所谓异常就是说正在执行的程序突然发生短暂的停止，当前处理器状态已得到保护，异常处理完成后，当前的程序还可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将按固定的优先级进行处理。

异常发生过程

异常的发生过程用简单的几句话概括就是：程序在运行时遇到了中断，则停下当前的程序去执行中断程序；当执行完中断程序时，自动返回到原来程序运行的过程。

当异常发生的时候会经历以下过程：

（1）将下一条指令的地址存入相应的连接寄存器中

（2）复制CPSR到相应的SPSR。

（3）根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位。

（4）强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处。

ARM处理器中共有37个32位寄存器

R14也称作子程序连接寄存器或连接寄存器LR。当执行子程序调用指令时，

R14中存放返回地址R15（PC）的备份。

寄存器R15用作程序计数器

ARM程序状态寄存器

所有操作模式下均可以访问当前的程序状态寄存器CPSR

（1）条件代码标志（了解）

N、Z、C、V均为条件码标志位。可根据算术或逻辑运算的结果改变，也可通过MSR和LDM指令进行设置，并且可用来作为一些指令是否运行的检测条件。

如果指令带S后缀，则会修改条件代码标志，也有一些指令总是改变条件标志。

N：N=1表示运算结果为负；N=0运算结果为正数或零；

Z：Z=1表示运算结果为零；Z=0表示运算结果为非零；C：可以有几种方法设置C的值：

加法运算，结果有进位时，C=1，否则C=0；

减法运算，结果有借位C=1，否则C=0；

移位操作指令，C为移出值的最后一位；

V：溢出标志，加减运算指令，运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，

V=1表示符号位溢出；

对于其他非加/减运算指令，V的值通常不改变。

（2）控制位（了解）

CPSR的低8位称为控制位，发生异常时可以被改变，如果处理器运行特权模式，这些位也可以由程序修改。

I：中断禁止位，I=1表示禁止IRQ中断。

F：中断禁止位，F=1表示禁止FIQ中断。

T：反映处理器的运行状态，对于ARM体系结构v5及以上版本的T系列处理器，当该位为1时，处理器执行于Thumb状态，否则执行于ARM状态。注意软件绝不能改变CPSR的T位状态。

数据类型与存储格式

在大端格式中，地址为A的字单元包括字节单元A、A+1、A+2、A+3，其中字节单元有高位到低位字节顺序为A、A+1、A+2、A+3；地址为A的字单元包括半字单元A、A+2，其中半字单元有高位到低位字节顺序位A，A+2；地址为A的半字单元包括字节单元A、A+1，其中字节单元有高位到低位字节顺序为A、A+1。

在小端格式中，地址为A的字单元包括字节单元A、A+1、A+2、A+3，其中字节单元有高位到低位字节顺序为A+3、A+2、A+1、A；地址为A的字单元包括半字单元A、A+2，其中半字单元有高位到低位字节顺序位A+2、A；地址为A的半字单元包括字节单元A、A+1，其中字节单元有高位到低位字节顺序为A+1、A。

例：32位立即数0x87524861分别采用大端格式和小端格式存放在地址0x900100处，则其在内存中的分布情况如何？

解：大端格式：

小端格式：

第三章 ARM指令系统

ARM指令寻址方式

1.立即数寻址

立即数寻址也称为立即寻址，指令地址码就是操作数本身。

立即数在指令中要以“#”为前缀，十六进制表示的立即数，“#”后面跟“0x”或“&”；二进制表示的立即数，“#”后面加上“0b”；十进制表示的立即数，“#”后面加上“0d”或缺省。

例如： MOV R1，#0x01；

2.寄存器寻址

寄存器寻址方式，把寄存器中的数值作为操作数，指令执行时直接取出寄存器值进行操作。

该寻址方式是一种执行效率较高的寻址方式。

例如：

MOV R1，R2 ；R1←R2

ADD R0，R1，R2 ；R0 ←R1+R2

3.寄存器移位寻址

寄存器移位寻址是操作数由寄存器的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。例如：

ADD R0，R1，R2，LSL #1； R2的值向左移一位，所得的值与R1加，结果存入R0

MOV R0，R1，LSL R3； 将R1中的值向左移位，移位次数由R3中的值决定，结果存入R0中。

移位操作在ARM 指令集中不作为单独的指令使用，ARM 指令集共有5种位移操作： LSL 逻辑左移，寄存器中字的低位空出位补0； LSR 逻辑右移，寄存器中字的高位空出位补0；

ASR 算术右移，移位过程中保持符号位不变，即若源操作

数为正数，则字的高位空出位补0，否则补1； ROR 循环右移，由字的低位移出位填入字的高位空出位；

RRX 带扩展的循环右移，操作数右移一位高位空出位用原C 标志值填充；

4.寄存器间接寻址

寄存器间接寻址是指操作数放在存储单元中，地址又是通过寄存器给出的，即寄存器为操作数的地址指针。

ARM 的传送指令都是基于寄存器的间接寻址，即通过Load/Store 完成对数据的传送操作。例如：

LDR R0，[R4]； R0←[R4] 5.基址加偏移寻址

基址加偏移寻址也称为变址寻址，将基址寄存器的值与指令中给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址。

基址寻址用于访问基址附近的存储单元，常用于查表、数据操作及功能部件寄存器访问等。

变址寻址方式可分为前变址、自动变址和后变址寻址方式。 （1）前变址模式 LDR R1，[R2，#05] ； 基址寄存器R2的值+5后所指向的存储单元的值送到寄存器R1 （2）自动变址模式

LDR R0，[R1，#4]！ ；R0←mem32[R1+4],R1←R1+4

叹号表示在完成数据传送后将更新基址寄存器的值，更新的方式是每执行完一次操作基址寄存器自动加上前变址的字节数。 （3）后变址模式

LDR R0，[R1]，#4 ；R0←mem32[R1] ，R1←R1+4

不再需要叹号，因为立即数偏移量的唯一用途是作为基址寄存器的修复量。（4）偏移地址

LDR R0，[R1，R2] ；R0←mem32[R1+R2]

6.多寄存器寻址

一条指令可以完成多个寄存器值的传送，一次最多可传16个通用寄存器的值。

例：LDMIA R0！，{R1-R4} ；R1←[R0] R2←[R0+4] R3←[R0+8]、R4←[R0+12]指令中后缀IA表示在每次完成加载操作后，R0按字长度增加，因此可将连续存储单元的值传送到R1-R4。

7.堆栈寻址

堆栈是一块用于保存数据的连续内存，是按后进先出的原则存取数据的存储区。指向堆栈的地址寄存器称为堆栈指针SP，堆栈的访问是通过堆栈指针控制的，指针所指向单元是栈顶。

在ARM指令中，堆栈寻址通过Load/Store指令来实现。

例如：STMFD SP！，{R1-R7，LR}；将R1～R7，LR入栈，满递减堆栈

LDMFD SP！，{R1-R7，LR}；数据出栈，放入R1～R7，LR寄存器

在Thumb指令中，堆栈寻址通过PUSH/POP指令来实现。

例如：PUSH {R1-R7，LR} ；将R1～R7，LR入栈

POP {R1-R7，PC} ；数据出栈，放入R1～R7，PC寄存器

8.相对寻址

相对寻址是基址寻址的一种变通方式，与基址寻址方式基本相似。相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加之后得到的操作数的有效地址。例如：

BL NEXT ；跳转到子程序NEXT处执行

…

NEXT MOV R0，#1

…

MOV PC，LR ；从子程序返回

…

9.块复制寻址

块复制寻址可实现连续地址数据从存储器的某一位置到另一位置。

例如：

STMIA R0！，{R1～R7}；将R1～R7的数据保存到存储器中。存储指针

在保存第一个值后增加，增加方向为向上增长

STMIB R0！，{R1～R7}；将R1～R7的数据保存到存储器中。存储指针

在保存第一个值前增加，增加方向为向上增长

STMDA R0！，{R1～R7}；将R1～R7的数据保存到存储器中。存储指针在

保存第一个值后增加，增加方向为向下增长

STMDB R0！，{R1～R7}；将R1～R7的数据保存到存储器中。存储指针

在保存第一个值前增加，增加方向为向下增长

ARM指令集

分支指令

分支指令用于实现程序流程的跳转、改变程序执行流程或调用子程序。ARM 有两种方式实现跳转：一种是使用跳转指令直接跳转；另一种则是直接向PC寄存器赋值实现跳转；

1．B

功能：跳转到指定地址执行，地址范围限制在当前指令的±32MB范围

例如：

BACKWARD CMP R1，#0 ；比较R1和0

BEQ FORWARD ；若=0跳转到FORWARD

SUB R1，R2，#3

FORWARD ADD R1，R2，#4

B BACKWARD ；跳转到BACKWARD

2．BL

功能：带链接的跳转指令。指令将下一条指令的地址复制到R14（即LR）链接寄存器中，然后跳转到指定地址运行程序

例如：

…

BL FUNC ；保护断点，跳转到子程序

ADD R1，R2，#2 ；子程序调用后返回执行的语句

…

FUNC ；子程序

…；子程序代码

MOV R15，R14 ；复制返回地址到PC，实现子程序的返回

3．BX

功能：跳转到指令中所指定的目标地址，并实现状态切换

例如：

CODE32 ；32位编码

ARM1 LDR R0，=Thumb1+#1 ；把Thumb地址赋给R0，末位置1

MOV LR,PC ；设置返回地址

BX R0 ；跳转，切换状态

ADD R1,R2,#2

CODE16 ；16位编码

Thumb1 ADD R1，R3,#1 ；Thumb程序

…

BX LR ；跳转到返回地址，状态切换

4．BLX

功能：跳转到指令中所指定的目标地址，实现状态切换，同时将R15的值保存到R14中

例如：

CODE32 ；32位编码

ARM1 LDR R0，=Thumb1+#1 ；把Thumb地址赋给R0，末位置1；

MOV LR,PC 设置返回地址，此条指令注销

BLX R0 ；跳转，切换状态， LR ← PC

ADD R1,R2,#2

CODE16 ；16位编码

Thumb1 ADD R1，R3,#1 ；Thumb程序

…

BX LR ；跳转到返回地址，状态切换

数据传送指令

(1)MOV

功能：将源操作数传送到目的寄存器中

例如：

MOV R1，R0

MOV PC，R14 ；常用于子程序返回

MOV R1，#5

MOVS R3，R1，LSL#2 ；R3=R1<<2，影响标志位

算术逻辑运算指令

(1)ADD

功能：把寄存器Rn加操作数2，结果存放到Rd中

例如：

ADD R0，R1，R2

ADD R0，R1，#2

ADD R0，R2，R1，LSL#2 ；R0=R2+（R1左移2位）

(2)SUB

功能：把寄存器Rn减去操作数2，结果存放到Rd中

例如：

SUB R0，R1，R2

SUB R0，R1，#2

SUB R0，R1，R2，LSL R3；R0=R1-（R2左移寄存器R3中值所确定的位数）

比较测试指令

(1)CMP

功能：比较指令。把Rn寄存器的内容和另一个操作数operand2作减法比较，同时更新CPSR中条件标志位的值，但不存储结果，只是刷新CPSR条件标志位，表示两个操作数大小关系

例如：

CMP R1，#10 ；R1与10比较

ADDGT RO，RO，#5 ；若R1>10，则执行ADDGT指令，R0+5

移位指令

例：MOV R0，R1，LSL#1

MOV R0，R1，ASR #1

MOV R0，R1，ROR #1

MOV R0，R1，RRX #1

存储器访问指令

LDR和STR

例如：

LDR R3，[R0，#0x11] ；将R0+0x11地址处的数据读出，保存到R3中（R0的值不变）LDR R4，[R3] ；将R3地址处的数据读出，保存到R4指定的地址中

LDR R1，[R0，R2] ；将R0+R2地址处的数据读出，保存到R1中（R0的值不变）

LDR R1，[R0，-R2]；将R0-R2地址处的数据读出，保存到R1中（R0的值不变）

LDR R1，[R0，R2，LSL #2] ；将R0+R2*4地址处的数据读出保存到R1中,R0R2的值不变

例如：

LDR R0，START ；将存储地址为START的字数据读入R0

STR R1，DATA2 ；将R1存入地址为DATA2单元

STR R0，[R1，R2]！；将R0字数据存入地址为R1+R2单元中，并将新地址R1+R2写入R1 LDRB R0，[R1] ；将地址为R1的字节数据读入R0，且将R0高24位清0

STRB R0，[R1，#8] ；将寄存器R0中的字节数据写入以R1+8为地址的存储单元中

LDRH R0，[R1，R2] ；将存储地址为R1+R2的半字数据读入R0，R0高16位清0

软件中断指令及其它

使用IRQ中断

ENABLE_IRQ

MRS R0,CPSR

BIC R0,R0,#0x80

MSR CPSR_C,R0

MOV PC,LR

禁止IRQ中断

DISABLE_IRQ

MRS R0，CPSR

ORR R0，R0，#0x80

MSR CPSR_C,R0

MOV PC,LR

思考与练习

8. 编制程序，使SUM=1+2×3+3×4+4×5+…+N×（N+1），直到N等于10为止。练习8提示:

AREA EX8,CODE,READONLY

ENTRY

CODE32

START MOV R0,#1 ;R0用作累加,置初值1,SUM

MOV R1,#2 ;R1用作第一个乘数,初值为2,N

REPEAT ADD R2,R1,#1 ;R2用作第二个乘数,N+1

MUL R3,R2,R1 ;实现N*(N+1)部分积存于R3

ADD R0,R0,R3 ;将部分积累加至R0

ADD R1,R1,#1 ;修改N的值得到下一轮乘数

CMP R1,#10 ;循环次数比较

BLE REPEAT ;未完则重复

B START

END

9. 已知32位有符号数X存放在存储器的地址0x90010中，要求实现：

练习9提示:

AREA EX9,CODE,READONLY

ENTRY

CODE32

START LDR R1,=0x90010 ;加载变量X的地址->R1

LDR R2,[R1] ;加载X的值->R2

CMP R2,#0 ;与0比较

BEQ ZERO ;为0则跳转到ZERO处理

BGT PLUS ;大于0则跳转到PLUS处理

MOV R0,#-1 ;否则小于0,将R0设置为-1

B FINISH ;跳转到结束

PLUS MOV R0,#1 ;大于0,将R0设置为0

B FINISH ;跳转到结束

ZERO MOV R0,#0 ;等于0,将R0设置为0

FINISH STR R0,[R1] ;将结果R0保存

B START

END

第四章嵌入式Linux操作系统

Linux内核主要由5个子系统组成：进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口和进程通信。

Samba服务

SMB（Server Message Block，服务信息块）协议是实现网络上不同类型计算机之间文件和打印机共享服务的协议。Samba服务的工作原理是：在TCP/IP 协议之上运行SMB和NetBIOS协议，利用NetBIOS名字解释功能让Linux计算机可以在Windows计算机的网上邻居中看到，从而实现Linux计算机与Windows 计算机之间相互访问共享文件和打印机的功能。

Samba服务配置步骤如下：

1、执行启动配置命令

“主菜单”|“系统设置”|“服务器设置”|“Samba服务器”。

2、配置Linux共享目录

点击工具栏上的“增加”按钮，打开“创建Samba共享目录”对话框，在基本页中，点击“目录”栏右侧的“浏览”按钮，选择/mnt/hgfs作为共享区域的目录，并在“描述”栏的文本框中加以说明。配置完成后，单击“确定”按钮。至此，Linux端的Samba服务配置完成。

3、配置Windows共享目录

选择虚拟机菜单命令“虚拟机”|“设置”，打开“虚拟机设置”对话框，设置Windows系统中用于共享的目录和说明

4、测试Samba共享

在Windows操作系统下，拷贝一个文件到Windows的共享目录中；启动Linux 操作系统，打开Samba共享目录/mnt/hgfs，若能看到Share目录及其中的文件，则说明Samba服务器工作良好。

NFS服务

网络文件系统NFS（NetWork File System，NFS）是由SUN开发的一种基于网络的文件共享协议，它使不同系统平台上的用户通过网络能够共享同一个文件系统。

思考与练习

5、什么是Smaba服务？其功能如何？怎样配置？

答：实现网络上不同类型计算机之间文件和打印机共享服务。

功能：实现Linux计算机与Windows计算机之间相互访问共享文件和打印机。

配置：执行启动配置命令，配置Linux共享目录，配置Windows共享目录，测试Samba共享。

6、什么是NFS服务？其功能如何？怎样配置？

答：网络文件系统NFS（NetWork File System，NFS）是由SUN开发的一种基于网络的文件共享协议，它使不同系统平台上的用户通过网络能够共享同一个文件系统。

功能：Linux支持NFS文件系统，把主机端配置成NFS服务器端，目标板配置成NFS客户端。通过NFS将主机端文件目录共享给目标板，在目标机Linux上就可以访问该目录下的文件。

配置：选择NFS服务，配置NFS服务器，关闭防火墙，测试NFS共享

第五章嵌入式开发平台组建

软件开发环境

（1）ADS开发环境

（2）Linux交叉编译环境

嵌入式系统的调试方式有多种，常见的有模拟器方式、监控器方式、仿真器方式和在线调试器方式四种。

核心板结构

UP-NETARM2410-S开发平台核心板资源主要有：

（1）CPU: ARM920T结构芯片，工作频率202MHz ，SAMSUNG公司的S3c2410X （2）FLASH:64MB NAND型，型号为SAMSUNG的K9F1208

（3）RAM：64MB SDRAM，型号为HY57V561620AT－H

（4）200管脚精密插座

建立交叉编译工具链

交叉编译就是在一个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。在嵌入式Linux应用系统开发中，就是在宿主机上编译可在目标机上运行的代码。交叉编译环境是一个由编译器、连接器和解释器组成的综合环境。

Makefile文件的编写

实例：

编写一个Makefile文件，将main.c、file1.c、file2.c、file1.h、file2.h 编译成可执行文件test.exe。

实现以上要求的Makefile文件如下：

#这是一个简单的Makefile文件实例

CC= arm-linux-gcc-3.4.6

EXEC=test

OBJS=main.o file1.o file2.o

$(EXEC) : $(OBJS)

$(CC) -o $(EXEC) $(OBJS)

$(OBJS) : %.o %.c

$(CC) –c $<

clean:

-rm $(EXEC) $(OBJS)

第6章嵌入式软件系统

BootLoader工作原理

BootLoader是嵌入式系统加电启动的第一段软件代码。通过PC机的体系结构可以知道，PC机中的引导加载程序由BIOS（其本质就是一段硬件程序）和位于硬盘MBR中的引导程序组成的。

功能：引导程序的主要任务是将内核映像从硬盘上读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，即开始启动操作系统。

常用的BootLoader主要有vivi和uboot两种。

必考：vivi裁剪实验步骤

内核移植

内核移植一般分为移植准备、内核配置、内核编译和内核下载四个步骤。必考：内核移植实验步骤

根文件系统的建立

根文件系统是Linux系统启动的一个重要组成部分，是存放系统配置文件、设备文件和数据文件的外部设备。通常包含/etc、/dev、/bin、/usr、/usr/bin、/var等目录。

Linux下的文件系统主要分为三个层次：一是上层用户空间的应用程序对文件系统的调用，二是虚拟文件系统VFS（Virtual Filesystem Switch）,三是挂载到VFS中的各种实际文件系统，体系架构如图

目前比较流行的有Cramfs、Yaffs和NFS。

必考：Cramfs根文件系统的创建

第七章嵌入式应用程序开发

嵌入式系统由嵌入式硬件和嵌入式软件组成。嵌入式软件呈现明显的层次化倾向，从与硬件相关的设备驱动、BSP（板级支持包）到操作系统内核、FS文件系统、GUI图形界面、数据库，以及用户层的应用软件等，各部分可以清晰地划分出来，如图所示:

嵌入式应用程序的开发流程

1.系统需求分析

2.体系结构设计

3.硬件与软件协同设计

4.系统集成

5.总体测试

6.运行维护

附录：（必考）

实验五 BootLoader的下载与使用

实验六 Linux内核移植

实验七根文件系统的建立

实验八应用程序的开发

嵌入式考试题型：

1 填空

2 名词解释

3 简答

4 编程

5 实验综合分析题