ARM嵌入式系统结构与编程(第2版)_第1-4章_习题答案
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值； （4） 强制 PC 指向相应的异常向量地址。
ARM 在异常返回时
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
（1） 从 SPSR_<mode>恢复 CPSR； （2） 从 LR_<mode>恢复 PC 。
不合法
9) 0x5580000 0B 0101 0101 1000 (0000)[4] 不合法
10) 0x7F80000
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷 0B 0111 1000 0001 (0000)[4] 不合法 11) 0x39C000 0B 0011 1001 1100 0000 0000 0000 1001 11100111(18/2) 12) 0x1FE80000 0B 0001 1111 1110 (0000)[4] 不合法
V＝1 表示符号位溢出，其他的指令通常不影响 V 位。 例如：两个正数（最高位为 0）相加，运算结果为一个负数（最高位为 1），则
符号位溢出，相应 V=1。 C—进位或借位标志位
对于加法指令（包括比较指令 CMN），结果产生进位，则 C＝1，表示无符号 数运算发生上溢出，其他情况下 C＝0；
在减法指令中（包括比较指令 CMP），结果产生借位，则 C＝0，表示无符号数 运算发生下溢出，其他情况下 C＝1；
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，第 1~4 章思 考与练习题答案（此答案仅供教师教学用）
第 1 章 绪论
思考与练习题答案
1. 国内嵌入式系统行业对“嵌入式系统”的定义是什么？如何理解？ 答：见教材 1.1 节。
在大端存储格式中，对于地址为 A 的字单元，其中字节单元由高位到低位字节地 址顺序为 A,A+1,A+2，A+3；对于地址为 A 的半字单元，其中字节单元由高位到低 位字节地址顺序为 A,A+1。
7． 分析带有存储器访问指令（LDR）的流水线运行情况，并用图示说明其流 水线的运行机制。
答：在 ARM 三级流水线下：
5. 未来嵌入式技术的发展趋势有哪些？ 答：见教材 1.4 节的嵌入式技术的发展趋势。
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
第 2 章 ARM 技术与 ARM 体系结构
思考与练习题答案
1． 简述 ARM 处理器内核调试结构原理。 答：见教材 1.2 节的图 2-1 进行描述。
（1） 取指：从指令 Cache 中读取指令。 （2） 译码：对指令进行译码，识别出是对哪个寄存器进行操作并从通用寄存
器中读取操作数。 （3） 执行：进行 ALU 运算和移位操作，如果是对存储器操作的指令，则在
ALU 中计算出要访问的存储器地址。 （4） 存储器访问：如果是对存储器访问的指令，用来实现数据缓冲功能（通
3． 在 ARM 指令中，什么是合法的立即数？判断下面各立即数是否合法，如果合
法则写出在指令中的编码格式（也就是 8 位常数和 4 位的移位数）。
0x5430
0x108
0x304
0x501
0xFB10000
0x334000
0x3FC000
0x1FE0000
0x5580000
0x7F800
0x39C000
6． 在 Load/Store 指令寻址中，字、无符号字节的 Load/Store 指令寻址和半字、有 符号字节寻址，试分析它们之间的差别。
答：在 Load/Store 指令寻址中，字、无符号字节的 Load/Store 指令寻址有三种，具 体见教材 3.3.2 节； 在 Load/Store 指令寻址中，半字、有符号字节寻址有两种，具体见教材 3.3.3 节；
0x1FE80000
答：每个立即数由一个 8 位的常数进行 32 位循环右移偶数位得到，其中循环右
移的位数由一个 4 位二进制的两倍表示。即：
<immediate>=immed_8 进行 32 位循环右移（2*rotate_4）位
符合这一条件的都为合法的立即数。
1) 0x5430 0B 0101 0100 0011 0000
2． 分析 ARM7TDMI-S 各字母所代表的含义。 答：参考教材 2．1．2 ARM 核版本命名规则说明。
3． ARM 处理器的工作模式有哪几种，其中哪些为特权模式，哪些为异常模式， 并指出处理器在什么情况下进入相应的模式。
答：ARM 处理器共有 7 种工作模式： 用户模式：非特权模式，也就是正常程序执行的模式，大部分任务在这种模式 下执行。在用户模式下，如果没异常发生，不允许应用程序自行改变处理器的工作 模式，如果有异常发生，处理器会自动切换工作模式 FIQ 模式：也称为快速中断模式，支持高速数据传输和通道处理，当一个高优 先级(fast)中断产生时将会进入这种模式。 IRQ 模式：也称为普通中断模式，:当一个低优先级中断产生时将会进入这种模 式。在这模式下按中断的处理器方式又分为向量中断和非向量中断两种。通常的中 断处理都在 IRQ 模式下进行。 SVC 模式：称之为管理模式，它是一种操作系统保护模式。当复位或软中断指 令执行时处理器将进入这种模式。 中止模式：当存取异常时将会进入这种模式，用来处理存储器故障、实现虚拟 存储或存储保护。 未定义指令异常模式：当执行未定义指令时会进入这种模式，主要是用来处理 未定义的指令陷阱，支持硬件协处理器的软件仿真，因为未定义指令多发生在对协 处理器的操作上。 系统模式：使用和 User 模式相同寄存器组的特权模式，用来运行特权级的操作 系统任务。 在这 7 种工作模式中，除了用户模式以外，其他 6 种处理器模式可以称为特权 模式，在这些模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理 器模式的切换。在这 6 种特权模式中，除了系统模式外的其他 5 种特权模式又
2. 嵌入式系统是从何时产生的，简述其发展历程。 答：见教材 1.1 节。
3. 当前最常见的源码开放的嵌入式操作系统有哪些，请举出两例，并分析其特点。 答：见教材 1.2.1 节的嵌入式 Linux 和嵌入式实时操作内核 µC /OS-II。
4. 举例说明嵌入式设备在工控设备中的应用。 答：见教材 1.3 节的“工业控制领域”。
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
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第 3 章 ARM 指令集寻址方式
在图中，处理器用 6 个时钟周期执行了 4 条指令，指令平均周期数 (CPI) = 1.5 时 钟周期。 8． 简述 ARM9 的 5 级流水线每一级所完成的功能和实现的操作。 答：在 ARM9 在指令操作上采用 5 级流水线。
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
对存储器的访问指令 LDR 就是非单周期指令。这类指令在“执行”阶段后，还 要进行“存储器访问”和“寄存器回写”操作，每一步占用 1 个时钟周期。在指令 执行时空图中，处于时钟周期 T5 时，LDR 指令要进行数据的存储器操作（访存）， 在时钟周期 T6 要进行寄存器的回写操作，这两步还要占用执行单元，因此其下 1 条指令的“执行”就被阻断了，其下数第 2 条指令的译码被阻断，要等待 LDR 指令 操作完毕后，流水线的正常运行才能被恢复。
4． 分析逻辑右移、算术右移、循环右移、带扩展的循环右移它们间的差别。 答：见教材 3.2 节的图 3-1 移位操作功能描述。
5． ARM 数据处理指令具体的寻址方式有哪些，如果程序计数器 PC 作为目标寄存 器，会产生什么结果？
答：ARM 数据处理指令具体的寻址方式有 5 种，见教材 3.2 节的具体说明。 如果程序计数器 PC 作为目标寄存器，会产生程序发生跳转。
对于包含移位操作的非加/减法运算指令，C 中包含最后一次溢出位的数值； 对于其他非加/减法运算指令，C 位的值通常不受影响。 Z—结果为 0 标志位
Z＝1 表示运算结果是 0，Z＝0 表示运算结果不是零； 对于 CMP 指令，Z＝1 表示进行比较的两个数大小相等。 N—T 符号标志位
本位设置成当前指令运算结果的 bit[31]的值。当两个补码表示有符号整数运算 时，N＝1 表示运算的结果为负数，N＝0 表示结果为正数或零。
6． ARM 处理器字数据的存储格式有哪两种？并指出这两种格式的区别。 答： （1） 小端存储格式（Little-Endian）
在小端存储格式中，对于地址为 A 的字单元，其中字节单元由低位到高位字节地 址顺序为 A,A+1,A+2，A+3；对于地址为 A 的半字单元，其中字节单元由低位到高 位字节地址顺序为 A,A+1； （2） 大端存储格式（Big-Endian）
过数据 Cache）；如果不是对存储器访问的指令，本级流水线为一个空 的时钟周期。 寄存器回写：将指令运算或操作结果写回到目标寄存器中。
9． 什么叫做流水线互锁？应如何来解决，举例说明。 答： 在流水线运行过程中可能会出现这种情况：当前指令的执行可能需要前面指令 的执行结果，但这时前面的指令没有执行完毕，从而会导致当前指令的执行无法获 得合法的操作数，这时就会引起流水线的等待，这种现象在流水线机制里称为互锁。 举例：参见教材第 29 页： 当互锁发生时，硬件会停止这个指令的执行，直到数据准备好为止。如图所示， LDR 指令进行完执行阶段，还需要两个时钟周期来完成存储器访问和寄存器写操作， 但这时指令 MOV 中用到的 R9 正是 LDR 中需要进行寄存器加载操作后的寄存器， 因此 MOV 要进行等待，直到 LDR 指令的寄存器写操作完成。
6) 0x334000
0B 0011 0011 0100 0000 0000 0000 1001 11001101(18/2)
7) 0x3FC000
Biblioteka Baidu
0B 0011 1111 0000 0000 0000
1010 00111111(18/2)
8) 0x1FE0000 0B 0001 1111 1110 (0000)[4]
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
称为异常模式
4． 分析程序状态寄存器（PSR）各位的功能描述，并说明 C、Z、N、V 在什 么情况下进行置位和清零。
答：PSR 的具体格式为
V—溢出标志位 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制补码表示的带符号数时，
5． 简述 ARM 处理器异常处理和程序返回的过程。 答：ARM 在异常产生时会进行以下操作： （1） 将引起异常指令的下一条指令地址保存到新的异常模式的 LR 中，使异
常处理程序执行完后能根据 LR 中的值正确返回； （2） 将 CPSR 的内容复制到新的异常模式下的 SPSR 中； （3） 根据异常类型将 CPSR 模式控制位强制设定为发生异常所对应的模式
不合法
2) 0x108
0B 0001 0000 1000
1111 01000010(30/2)
3) 0x304
0B 0011 0000 0100
1111 11000001(30/2)
4) 0x501
0B 0101 0000 0001
不合法
5) 0xFB10000 0B 1111 1011 0001 0000 0000 0000 不合法
思考与练习题答案
1． 在指令编码中，条件码占有几位，最多有多少个条件，各个条件是如何形成的？ 答：见教材 3.1 节的描述。
2． 指令条件码中，V 标志位在什么情况下才能等于 1？ 答：当指令的算术运算发生异常时，V 标志位置 1。例如，两个正数相加，其
结果为一负数；或者是两个负数相加，其结果为一正数，都会置 V 标志位。
ARM 在异常返回时
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（1） 从 SPSR_<mode>恢复 CPSR； （2） 从 LR_<mode>恢复 PC 。
不合法
9) 0x5580000 0B 0101 0101 1000 (0000)[4] 不合法
10) 0x7F80000
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷 0B 0111 1000 0001 (0000)[4] 不合法 11) 0x39C000 0B 0011 1001 1100 0000 0000 0000 1001 11100111(18/2) 12) 0x1FE80000 0B 0001 1111 1110 (0000)[4] 不合法
V＝1 表示符号位溢出，其他的指令通常不影响 V 位。 例如：两个正数（最高位为 0）相加，运算结果为一个负数（最高位为 1），则
符号位溢出，相应 V=1。 C—进位或借位标志位
对于加法指令（包括比较指令 CMN），结果产生进位，则 C＝1，表示无符号 数运算发生上溢出，其他情况下 C＝0；
在减法指令中（包括比较指令 CMP），结果产生借位，则 C＝0，表示无符号数 运算发生下溢出，其他情况下 C＝1；
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，第 1~4 章思 考与练习题答案（此答案仅供教师教学用）
第 1 章 绪论
思考与练习题答案
1. 国内嵌入式系统行业对“嵌入式系统”的定义是什么？如何理解？ 答：见教材 1.1 节。
在大端存储格式中，对于地址为 A 的字单元，其中字节单元由高位到低位字节地 址顺序为 A,A+1,A+2，A+3；对于地址为 A 的半字单元，其中字节单元由高位到低 位字节地址顺序为 A,A+1。
7． 分析带有存储器访问指令（LDR）的流水线运行情况，并用图示说明其流 水线的运行机制。
答：在 ARM 三级流水线下：
5. 未来嵌入式技术的发展趋势有哪些？ 答：见教材 1.4 节的嵌入式技术的发展趋势。
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
第 2 章 ARM 技术与 ARM 体系结构
思考与练习题答案
1． 简述 ARM 处理器内核调试结构原理。 答：见教材 1.2 节的图 2-1 进行描述。
（1） 取指：从指令 Cache 中读取指令。 （2） 译码：对指令进行译码，识别出是对哪个寄存器进行操作并从通用寄存
器中读取操作数。 （3） 执行：进行 ALU 运算和移位操作，如果是对存储器操作的指令，则在
ALU 中计算出要访问的存储器地址。 （4） 存储器访问：如果是对存储器访问的指令，用来实现数据缓冲功能（通
3． 在 ARM 指令中，什么是合法的立即数？判断下面各立即数是否合法，如果合
法则写出在指令中的编码格式（也就是 8 位常数和 4 位的移位数）。
0x5430
0x108
0x304
0x501
0xFB10000
0x334000
0x3FC000
0x1FE0000
0x5580000
0x7F800
0x39C000
6． 在 Load/Store 指令寻址中，字、无符号字节的 Load/Store 指令寻址和半字、有 符号字节寻址，试分析它们之间的差别。
答：在 Load/Store 指令寻址中，字、无符号字节的 Load/Store 指令寻址有三种，具 体见教材 3.3.2 节； 在 Load/Store 指令寻址中，半字、有符号字节寻址有两种，具体见教材 3.3.3 节；
0x1FE80000
答：每个立即数由一个 8 位的常数进行 32 位循环右移偶数位得到，其中循环右
移的位数由一个 4 位二进制的两倍表示。即：
<immediate>=immed_8 进行 32 位循环右移（2*rotate_4）位
符合这一条件的都为合法的立即数。
1) 0x5430 0B 0101 0100 0011 0000
2． 分析 ARM7TDMI-S 各字母所代表的含义。 答：参考教材 2．1．2 ARM 核版本命名规则说明。
3． ARM 处理器的工作模式有哪几种，其中哪些为特权模式，哪些为异常模式， 并指出处理器在什么情况下进入相应的模式。
答：ARM 处理器共有 7 种工作模式： 用户模式：非特权模式，也就是正常程序执行的模式，大部分任务在这种模式 下执行。在用户模式下，如果没异常发生，不允许应用程序自行改变处理器的工作 模式，如果有异常发生，处理器会自动切换工作模式 FIQ 模式：也称为快速中断模式，支持高速数据传输和通道处理，当一个高优 先级(fast)中断产生时将会进入这种模式。 IRQ 模式：也称为普通中断模式，:当一个低优先级中断产生时将会进入这种模 式。在这模式下按中断的处理器方式又分为向量中断和非向量中断两种。通常的中 断处理都在 IRQ 模式下进行。 SVC 模式：称之为管理模式，它是一种操作系统保护模式。当复位或软中断指 令执行时处理器将进入这种模式。 中止模式：当存取异常时将会进入这种模式，用来处理存储器故障、实现虚拟 存储或存储保护。 未定义指令异常模式：当执行未定义指令时会进入这种模式，主要是用来处理 未定义的指令陷阱，支持硬件协处理器的软件仿真，因为未定义指令多发生在对协 处理器的操作上。 系统模式：使用和 User 模式相同寄存器组的特权模式，用来运行特权级的操作 系统任务。 在这 7 种工作模式中，除了用户模式以外，其他 6 种处理器模式可以称为特权 模式，在这些模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理 器模式的切换。在这 6 种特权模式中，除了系统模式外的其他 5 种特权模式又
2. 嵌入式系统是从何时产生的，简述其发展历程。 答：见教材 1.1 节。
3. 当前最常见的源码开放的嵌入式操作系统有哪些，请举出两例，并分析其特点。 答：见教材 1.2.1 节的嵌入式 Linux 和嵌入式实时操作内核 µC /OS-II。
4. 举例说明嵌入式设备在工控设备中的应用。 答：见教材 1.3 节的“工业控制领域”。
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
第 3 章 ARM 指令集寻址方式
在图中，处理器用 6 个时钟周期执行了 4 条指令，指令平均周期数 (CPI) = 1.5 时 钟周期。 8． 简述 ARM9 的 5 级流水线每一级所完成的功能和实现的操作。 答：在 ARM9 在指令操作上采用 5 级流水线。
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
对存储器的访问指令 LDR 就是非单周期指令。这类指令在“执行”阶段后，还 要进行“存储器访问”和“寄存器回写”操作，每一步占用 1 个时钟周期。在指令 执行时空图中，处于时钟周期 T5 时，LDR 指令要进行数据的存储器操作（访存）， 在时钟周期 T6 要进行寄存器的回写操作，这两步还要占用执行单元，因此其下 1 条指令的“执行”就被阻断了，其下数第 2 条指令的译码被阻断，要等待 LDR 指令 操作完毕后，流水线的正常运行才能被恢复。
4． 分析逻辑右移、算术右移、循环右移、带扩展的循环右移它们间的差别。 答：见教材 3.2 节的图 3-1 移位操作功能描述。
5． ARM 数据处理指令具体的寻址方式有哪些，如果程序计数器 PC 作为目标寄存 器，会产生什么结果？
答：ARM 数据处理指令具体的寻址方式有 5 种，见教材 3.2 节的具体说明。 如果程序计数器 PC 作为目标寄存器，会产生程序发生跳转。
对于包含移位操作的非加/减法运算指令，C 中包含最后一次溢出位的数值； 对于其他非加/减法运算指令，C 位的值通常不受影响。 Z—结果为 0 标志位
Z＝1 表示运算结果是 0，Z＝0 表示运算结果不是零； 对于 CMP 指令，Z＝1 表示进行比较的两个数大小相等。 N—T 符号标志位
本位设置成当前指令运算结果的 bit[31]的值。当两个补码表示有符号整数运算 时，N＝1 表示运算的结果为负数，N＝0 表示结果为正数或零。
6． ARM 处理器字数据的存储格式有哪两种？并指出这两种格式的区别。 答： （1） 小端存储格式（Little-Endian）
在小端存储格式中，对于地址为 A 的字单元，其中字节单元由低位到高位字节地 址顺序为 A,A+1,A+2，A+3；对于地址为 A 的半字单元，其中字节单元由低位到高 位字节地址顺序为 A,A+1； （2） 大端存储格式（Big-Endian）
过数据 Cache）；如果不是对存储器访问的指令，本级流水线为一个空 的时钟周期。 寄存器回写：将指令运算或操作结果写回到目标寄存器中。
9． 什么叫做流水线互锁？应如何来解决，举例说明。 答： 在流水线运行过程中可能会出现这种情况：当前指令的执行可能需要前面指令 的执行结果，但这时前面的指令没有执行完毕，从而会导致当前指令的执行无法获 得合法的操作数，这时就会引起流水线的等待，这种现象在流水线机制里称为互锁。 举例：参见教材第 29 页： 当互锁发生时，硬件会停止这个指令的执行，直到数据准备好为止。如图所示， LDR 指令进行完执行阶段，还需要两个时钟周期来完成存储器访问和寄存器写操作， 但这时指令 MOV 中用到的 R9 正是 LDR 中需要进行寄存器加载操作后的寄存器， 因此 MOV 要进行等待，直到 LDR 指令的寄存器写操作完成。
6) 0x334000
0B 0011 0011 0100 0000 0000 0000 1001 11001101(18/2)
7) 0x3FC000
Biblioteka Baidu
0B 0011 1111 0000 0000 0000
1010 00111111(18/2)
8) 0x1FE0000 0B 0001 1111 1110 (0000)[4]
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
称为异常模式
4． 分析程序状态寄存器（PSR）各位的功能描述，并说明 C、Z、N、V 在什 么情况下进行置位和清零。
答：PSR 的具体格式为
V—溢出标志位 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制补码表示的带符号数时，
5． 简述 ARM 处理器异常处理和程序返回的过程。 答：ARM 在异常产生时会进行以下操作： （1） 将引起异常指令的下一条指令地址保存到新的异常模式的 LR 中，使异
常处理程序执行完后能根据 LR 中的值正确返回； （2） 将 CPSR 的内容复制到新的异常模式下的 SPSR 中； （3） 根据异常类型将 CPSR 模式控制位强制设定为发生异常所对应的模式
不合法
2) 0x108
0B 0001 0000 1000
1111 01000010(30/2)
3) 0x304
0B 0011 0000 0100
1111 11000001(30/2)
4) 0x501
0B 0101 0000 0001
不合法
5) 0xFB10000 0B 1111 1011 0001 0000 0000 0000 不合法
思考与练习题答案
1． 在指令编码中，条件码占有几位，最多有多少个条件，各个条件是如何形成的？ 答：见教材 3.1 节的描述。
2． 指令条件码中，V 标志位在什么情况下才能等于 1？ 答：当指令的算术运算发生异常时，V 标志位置 1。例如，两个正数相加，其
结果为一负数；或者是两个负数相加，其结果为一正数，都会置 V 标志位。