嵌入式系统原理第二章习题

1 比较CISC体系结构和RISC体系结构的特点。

CISC指令集设计的主要趋势是增加指令集的复杂度。而复杂指令集的高性能是以宝贵、有限的芯片面积为代价的。RISC的中心思想是精简指令集的复杂度、简化指令实现的硬件设计，硬件只执行很有限的最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则由简单指令合成。RISC 思想大幅度提高了计算机性能价格比。

2 简述ARM体系结构的特点。

ARM采用RISC体系结构，采用了若干Berkeley RISC处理器设计中的特征，包括：Load/store体系结构，固定的32位指令和3地址指令格式。

3 什么是Thumb技术？其优点是什么？与ARM指令集相比，Thumb指令集具有哪些局限？

Thumb是ARM体系结构的扩展。它从标准32位ARM指令集抽出来的36条指令格式，重新编成16位的操作码，提高了代码密度。在运行时，这些16位Thumb指令又由处理器解压成32位ARM指令。Thumb技术的优点是能带来更高的代码密度，在性能和代码之间取得平衡。

与ARM指令集相比．Thumb指令集具有以下局限：

1）完成相同的操作，Thumb指令集通常需要更多的指令，因此在对系统运行时间要求苛刻的应用场合ARM指令集更为适合；

2）Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，因此在异常中断时，还是需要使用ARM指令，这种限制决定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。

5 目前ARM处理器核有哪几种？简述ARM7TDMI内核的重要特性。

目前的ARM处理器核主要有：ARM7TDMI,ARM9TDMI,ARM10TDMI,ARM11，SecurCore和Cortex。

ARM7TDMI是ARM体系结构4T版本，支持64位结果的乘法，支持Thumb指令集,支持片上调试以及Embedded ICE片上断点和观察点。

6 分别以ARM7TDMI和ARM9TDMI为例，介绍3级流水线和5级流水线的执行过程，并进行相应的比较。

3级流水线分为：取指，译码和执行。5级流水线分为：取指、译码、执行、缓冲\数据、回写。

它们的区别在于3级流水执行级中的寄存器读（reg读）在5级流水的译码级中处理。3级流水执行级中的寄存器写（reg写）在5级流水的回写级中处理。5级流水中的第4级缓冲\数据表示如果需要则访问数据存储器，否则只是简单地缓冲一个时钟周期。3级流水采用冯诺依曼结构，不能同时访问指令存储器和数据存储器；5级流水采用哈佛结构，指令存储器与数据存储器分开，可以同时访问。

8 ARM微处理器支持哪几种工作模式？

共支持7中工作模式：用户模式，系统模式，快速中断（FIQ）模式，普通中断(IRQ)模式，管理(SVC)模式，中止模式和未定义模式。

9 ARM处理器共有多少个寄存器？这些寄存器在用户编程中的功能是如何划分的？ARM状态下的通用寄存器可分为哪几类？

ARM处理器共有37个寄存器，其中31个为通用寄存器，其余6个为状态寄存器。通用寄存器可分为未分组寄存器R0-R7,分组寄存器R8-R14和程序计数器R15。

10 简述ARM状态下分组寄存器R13，R14,R15的特殊功能及R15的使用注意事项。

寄存器R13通常用做堆栈指针SP；寄存器R14用作子程序链接寄存器LR；寄存器R15被用作程序计数器PC。R15值的改变将引起程序执行顺序的变化，这有可能引起程序执行中出现一些不可预料的结果，因此，对R15的使用一定要慎重。ARM处理器采用多级流水线技术，因此保存在R15的地址并不是当前指令的地址。

11 简述ARM程序状态寄存器各位的功能。

1）状态寄存器的最高4位为条件码标志位：N、Z、C、V。ARM的大多数指令可以是条件执行的，即通过检测条件码标志来决定程序指令如何执行。

N——在结果是带符号的二进制补码情况下，如果结果为负数，则N=1；如果结果为非负数，则N=0。

Z——如果结果为0，则Z=1；如果结果为非0，则Z=0。

C——它的设置分以下几种情况；

对于加法指令（包括比较指令CMN），如果产生进位，则C=1；否则C=0。

对于减法指令（包括比较指令CMP），如果产生借位，则C=0；否则C=1。

对于有移位操作的非加减法指令，C为移位操作中最后移出位的值。

对于其他指令，C通常不变。

V——它的设置也分为以下两种情况：

对于加减法指令，在操作数和结果是带符号的整数时，如果发生溢出，则V=1；如果无溢出发生，则V=0。

对于其他指令，V通常不发生变化。

2）状态寄存器的最低8位为控制位：I、F、T、M[4:0]。当异常出现时改变控制位。当处理器在特权模式下时也可以由软件改变控制位。

中断禁止位：I =1则禁止IRQ中断；F=1则禁止FIQ中断。

T位：T=0指示ARM执行；T=1指示Thumb执行。

M模式位：M4，M3，M2，M1和M0（M［4：0］）是模式位，决定处理器的工作模式。

3）其他位

其他位保留用作以后的扩展。

14 简述ARM处理器对异常中断的响应过程。（用伪代码表示）

响应过程（用伪代码表示）：

R14_=return link

SPSR_=CPSR

STMFD SP!,{reglist}

CPSR[4:0]=exception mode number

CPSR[5]=0

if=Reset or FIQ

then CPSR[6]=1

CPSR[7]=1

PC=exception vector address

15 ARM如何从异常中断处理程序中返回？

返回过程：

1）所有修改过的用户寄存器必须从处理程序的保护堆栈中恢复（即出栈）；

2）将SPSR_寄存器内容复制到CPSR中，使得CPSR从相应的SPSR中恢复，即恢复被中断的程序的处理器工作状态；

3）根据异常类型将PC变回到用户指令流中相应指令处；

4）最后清除CPSR中的中断禁止标志位I/F。

16 什么是ARM异常中断向量表？它有何作用？存储在什么地方？

中断向量表中指定了各异常中断与其处理程序的对应关系。在ARM体系中，异常中断向量表大小为32字节，每个异常中断占据4个字节。ARM异常向量表通常以存储器的低端0x0为起始地址，大多数ARM处理器核也支持将异常向量表存放在以0xFFFF0000为起始地址的32字节空间中。每个异常中断对应的中断向量表的4个字节的空间中存放一个跳转指令或者一个向PC寄存器中赋值的数据访问指令LDR。通过这两种指令，程序将跳转到相应的异常中断处理程序处执行。

17 如果FIQ、IRQ和第3个异常（不是复位）同时发生，ARM应如何处理？

如果第3个异常是数据中止，处理器将在进入数据中止处理程序后立即进入FIQ处理程序。数据中止将“记”在返回路径中，当FIQ处理程序返回时进行处理。

如果第3个异常不是数据中止，将立即进入FIQ处理程序。当FIQ和IRQ两者都完成时，程序返回到产生第3个异常的指令并进行相应处理。