杭电嵌入式系统原理期末复习题(含部分答案)

《嵌入式系统原理》习题
一、嵌入式硬件子系统
1.名词解释
Embedded System 嵌入式系统
MCU 微控制器
SOC 系统芯片
DSP 数字信号处理
JTAG 联合测试工作组。

一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试。

ICE在线仿真器。

支持片上断点与调试
RISC精简指令集计算机
CISC复杂指令集计算机
ARM RISC微处理器
Cortex-M3 32位处理器内核
WatchDog 看门狗。

监测单片机程序运行状态的芯片。

2.简单题
(1)在进行嵌入式存储系统设计时，如何在SRAM、DRAM、FLASH、
EEPROM等存储方案中进行选择？
RAM分为：SRAM（静态存储器）和DRAM（动态存储器）。

SRAM 掉电不丢失数据，速度比DRAM快，但价格特别昂贵，只有在苛刻的地方使用，比如CPU的缓冲。

DRAM虽然速度相对慢，但比任何的ROM都要快，做内存比较合适。

Flash存储器，适用于速度要求高，容量要求大，掉电时要求数据不丢
失的场合。

EEPROM适用于速度不高，容量不大，掉电时要求数据不丢失的场合。

在单片机中，RAM主要是做运行时数据存储器,FLASH主要是程序存储器,EEPROM主要是用以在程序运行保存一些需要掉电不丢失的数据. (2)比较Nand Flash、Nor Flash之间的区别。

NOR闪存是随机存储介质，读取可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，用于数据量较小的场合。

NAND闪存是连续存储介质，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，用户不能直接运行NAND Flash上的代码。

采用这种技术的Flash比较廉价，适合存放大的数据。

(3)嵌入式系统硬件的时钟（Clock）的作用是？简要介绍下常见的时钟设计
方案。

作用主要是实现数据传输和接受的同步。

实时时钟设计如下：
脉冲计数器对时钟源输出的时钟进行计数，当达到一定值后和数字比较器比较，如果一致则触发硬件中断。

程序在硬件中断中进行处理。

(4)STM32的CLOCK SOURCE可以配置成哪些？（新增）
在STM32中，有五个时钟源，为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。

HSI是高速内部时钟。

HSE是高速外部时钟。

LSI是低速内部时钟。

SE是低速外部时钟。

PLL为锁相环倍频输出。

(5)MCU和外围器件连接时常用的总线有哪些？分别做简要介绍。

SPI总线、CAN总线、I2C总线、SSP总线
(6)如何理解UART异步传输和IIC/SPI同步传输方式之间的差异。

(7)以自己使用的手机/PC为例，了解下它的硬件构成部件及其主要指标。

二、嵌入式软件子系统
1.名词解释
ISR 中断服务程序。

中断中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，
机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序。

中断向量表中断源的识别标志，可用来形成相应的中断服务程序的入
口地址或存放中断服务程序的首地址。

RTOS 实时操作系统。

可重入函数/不可重入函数可以被中断的函数。

可以在这个函数执行的
任何时刻中断它，转入OS调度下去执行另外一段代码。

不可重入函数
反之。

临界区指的是一个访问共用资源（例如：共用设备或是共用存储器）
的程序片段，而这些共用资源又无法同时被多个线程访问的特性。

当有
线程进入临界区段时，其他线程或是进程必须等待。

硬实时/软实时硬实时是指一个刚性的、不可改变的时间限制，它不允
许任何超出时限的错误。

超出时间限制可能导致系统错误。

软实时能够
包容偶尔的超时。

porting(移植) context(上下文)
2.简单题
(1)微控制器（MCU）的中断处理过程是怎样的？
准备部分：
其基本功能是保护现场。

确定中断源，最后开放中断，允许更高级的中断请求打断低级的中断服务程序。

处理部分：
即真正执行具体的为某个中断源服务的中断服务程序；
结束部分：
首先要关中断，以防止在恢复现场过程中被新的中断请求打断。

接着恢复现场，然后开放中断，以便返回原来的程序后可响应其他的中断请求。

(2)前后台系统中设备服务的最差响应时间是在什么情况下产生的？
最坏情况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。

(3)C语言关键字volatile有什么含意?并给出三个不同的例子。

一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。

精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。

下面是volatile变量的三个例子：（一）并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）。

（二）一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables)。

（三）多线程应用中被几个任务共享的变量。

(4)写一段C语言代码，将寄存器（地址为：0x2000FCB0）的Bit2清零、
Bit3置1，其它位保持原有值不变。

unsigned int a = 0x2000FCB0;
a &= ~(1<<2);
a |= (1<<3);
(5)下面的ISR存在什么问题？
①ISR 不能返回一个值（都应该为void类型）。

②ISR 不能传递参数。

3)ISR应该是短而有效率的，③在ISR中做浮点
运算是不明智的。

(6)列举常见的RTOS。

（不少于5个）
QNX、RTLinux、uC/OS-II、Nucleus Plus、VRTX、VxWorks、eCos
(7)RTOS常用的任务调度策略有哪些？分别做简要介绍。

抢占式调度。

每个任务都有不同的优先级，任务会一直运行直到被高优先级任务抢占。

时间片调度，每个任务优先级相同，每个任务都会运行固定的时间片个数。

(8)什么是RTOS任务调度的优先级翻转问题？如何解决？
先级翻转是当一个高优先级任务通过信号量机制访问共享资源时，该信号量已被一低优先级任务占有，因此造成高优先级任务被许多具有较低优先级任务阻塞，实时性难以得到保证。

使用优先级继承。

当发现高优先级的任务因为低优先级任务占用资源而阻塞时，就将低优先级任务的优先级提升到等待它所占有的资
源的最高优先级任务的优先级。

(9)列举会引起RTOS进行任务调度的因素。

（不少于5个）
(1)正在执行的进程执行完毕。

这时，如果不选择新的就绪进程执行，将浪费处理机资源。

(2)执行中进程自己调用阻塞原语将白己阻塞起来进入睡眠等状态。

(3)执行中进程调用了P原语操作，从而因资源不足而被阻塞；或调用了v原语操作激活了等待资源的进程队列。

(4)执行中进程提出I/O请求后被阻塞。

(5)在分时系统中时间片已经用完。

(10)将ucOSii移植到STM32时，要完成哪些关键步骤（配置）？
(11)如何理解ucOSii是一个确定性的（deterministic）RTOS？
系统全部的函数调用和服务的执行时间都具有可确定性。

三、嵌入式组件系统
1.名词解释
MAC 称为物理地址、硬件地址，用来定义网络设备的位置。

MAC地址是网卡决定的，是固定的。

PHY 指物理层，OSI的最底层。

DMA 直接内存存取。

它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于CPU的大量中断负载。

DCS 分布式控制系统
SCADA 数据采集与监视控制系统
YAFFS 一个专门为NAND Flash存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。

GUI 图形用户界面
HMI 人机界面
2.嵌入式网络与协议栈
(1)嵌入式网络通信中的阻塞式通信和非阻塞式通信的区别是？
以TCP协议发送一个报文为例：在阻塞模式下，如果低层协议没有可用空间来存放用户数据，则应用进程将阻塞等待直到协议有可用的空间。

而在非阻塞模式下，调用将直接返回而不需等待。

(2)简要介绍下Ethernet、CAN网络的特点和适用场景。

作为一种标准开放式的网络以太网传输信号相较于CAN总线有着传输速率高、传输距离长等优势在。

但是CAN安全性比以太网高，CAN总线通过物理信号来进行连接，而以太网则是交换机连接。

造成一方面以太网的成本比较高。

对于安全第一的汽车来讲，无疑是CAN总线更为适合。

(3)请列举下工业控制网络中常见的现场总线。

（不少于5个）
Profibus现场总线、P-NET现场总线、FF HSE现场总线、SwiftNET现场总线、World FIP现场总线、FF H1现场总线
(4)请列举常见的嵌入式TCP/IP协议栈。

（不少于5个）
BSD、uC/IP、LwIP、uIP、TinyTcp
3.嵌入式文件系统
(1)嵌入式文件系统有什么特点，与PC上的文件系统有什么不同？
①在嵌入式系统中，文件系统是嵌入式系统的一个组成模块。

它是作为系统的一个可加载选项提供给用户，由用户决定是否需要加载它。

②需要满足结构紧凑、代码量小的特点，合理地对文件存储器进行管理。

嵌入式系统中的文件存储器空间相对不会太大，必须对其进行高效的管理，以避免对资源的浪费。

③使用简单便捷。

用户只要知道文件名、文件路径等简单信息特征，就可以方便地对文件进行操作，不必知道文件在具体物理存储空间的运作过程。

④安全可靠。

对文件、数据的保护是文件系统的基本功能。

嵌入式系统的应用通常要求系统必须有较高的可靠性。

⑤支持多种存储设备、可伸缩、可剪裁、可移植等特点。

嵌入式应用的领域相当广泛，其采用的硬件环境和操作系统也各不相同。

为了适应这种差异性，文件系统应降低对具体硬件环境和操作系统的依赖，具备良好的可移植性。

嵌入式系统的应用条件往往比桌面计算机恶劣的多，在恶劣使用环境下系统的稳定性、安全性还要得到足够的保障，通用的文件系统对于可靠性和文件系统自身的安全性并没有特殊的保障机制，因此无法保证这些性能。

所以，虽然有许多已经较为成熟的桌面操作系统下的文件系统，如DOS下的FAT文件系统、WINDOWS NT下的NTFS文件系统以及UNⅨ下的inocde文件系统等，但这些文件系统都不能直接适用于嵌入式系统。

要想适用于嵌入式系统，必须进行重新设计。

(2)基于NAND Flash的文件系统主要有哪些？分别有什么特点？适合于哪
方面的应用？
(3)请列举常见的嵌入式文件系统。

（不少于5个）
romfs、ramdisk、cramfs、jffs、tmpfs、yaffs
4.嵌入式GUI
(1)什么是嵌入式GUI？其主要作用是什么？
嵌入式GUI是指嵌入式系统的图形化界面，其作用是方便用户通过图形化界面直观了解系统运行状态。

(2)请列举常见的嵌入式GUI。

（不少于5个）
MicroWindows、MiniGUI、QT、GTK+
5.其他嵌入式软件组件
(1)LED和LCD各自主要特点是什么？
LED较LCD的优点在于重量轻，厚度薄，省电。

(2)什么是RTC？其主要作用是？
RTC是实时时钟。

是集成电路，通常称为时钟芯片。

其作用是为人们提供精确的实时时间,或者为电子系统提供精确的时间基准。

四、综合题
1.某个MCU通过IO端口模拟一个键盘，电路设计如下，请回答如下问题：
(1)MCU的输出IO端口应该输出高电平还是低电平？为什么？
(2)什么是按键抖动？如何防止？
单片机上的按键所用开关大多为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。

因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。

可以采用软件方法去抖，即检测出键闭合后执行一个延时程序，5ms～10ms 的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。

当检测到按键释放后，也要给5ms～10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。

(3)假设要设计一个0-9、A-F共有16个键的键盘，采用4 *4的行列扫描方
式，请画出键盘和MCU的连接，并写出每个键的扫描码。

2.有CPU和存储器电路设计如下，请回答：
(1)ROM和RAM的地址空间分别是？
(2)指令MOV R0, [0x9A00]是CPU将地址为0x9A00的存储器单元的数据
读入寄存器R0，实际读的是哪个存储器器件？地址是多少？数据宽带是几位？
3.假设用户需求如下：超时员工每周一晚22:00要对在售商品进行盘库，
检查商品价格标签上的价格是否与数据库系统中的价格一致。

现在他们要求提供一个解决方案，采用手持终端的设备来完成这样工作。

具体要求如下：
(1)手持终端采用电池供电，持续供电不少于8小时；
(2)手持终端扫描商品的条形码，通过WiFi或其他无线通信方式查询商
品价格，并显示价格；
(3)手持终端要能识别和记录操作员工的身份。

请设计系统方案，详细描述系统的硬件组成和软件软件设计。