周立功版嵌入式课后习题答案
第一章嵌入式系统概述
一、举出3个课本中未提到的嵌入式系统的例子。（红绿灯控制、数字空调、机顶盒）
二、什么是嵌入式系统？特点是？
答：嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。
英国电机工程师协会定义：
嵌入式系统为控制、检测或辅助某个设备、机器或工厂运作的装置。
（1）以技术角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
（2）从系统角度的定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。
特点：1、嵌入式系统通常应用在为特定用户设计的系统中，具有功耗低、体积小、集成度高等特点。将通用CPU中由板卡完成的任务集成在了嵌入式CPU内部。
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于各个行业的具体应用相结合的产物。所以是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
3、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，去除冗余。
4、为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或处理器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。由于嵌入式系统必须有较高的时实性，因此对程序的质量，特别是可靠性有较高的要求。
5、嵌入式系统本身不具备自举开发能力，必须有一套专用的开发工具和环境才能进行开发。
三、什么叫嵌入式处理器？嵌入式处理器分为哪几类？
答：嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元，与普通台式计算机的微处理器相比，其工作稳定性更高，功耗较小，对环境（如温度、湿度、电磁场、震动等）的适应能力更强，体积更小，且集成的功能较多。
嵌入式处理器从应用角度，可以大致分为以下几类：
1.注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于新型电子娱乐等不注重计算的设备；
2.注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等高速计算密集型的设备；
3.注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用于各种工业控制设备；
按照结构分类：嵌入式微处理器（EMPU）；嵌入式微控制器(MCU)；嵌入式DSP处理器(DSP)；嵌入式片上系统（SOC）。嵌入式系统的分类也是以上答案（P5）。
四、什么是嵌入式操作系统？为何要使用嵌入式操作系统？
答：操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。
使用嵌入式操作系统原因之一就是因为其具有实时性。使用嵌入式实时操作系统具有以下优点：
1.嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。
2.嵌入式实时操作系统提高了开发效率，缩短了开发周期。
3.嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。
第二章 ARM7体系结构
一、基础知识
（1）ARM7TDMI中的T、D、M、I的含义是什么？（P19）
答：T后缀：高密度16位Thumb指令集扩展。 D后缀：支持片上调试。
M后缀：64位乘法指令。 I后缀：Embedded ICE硬件仿真功能模块。
（2）ARM7TDMI采用几级流水线？（P20）使用何种存储器编址方式？
答：采用三级流水线，三个阶段分别为：取指、译码、执行。使用了冯?诺依曼结构，指令和数据共用一条32位总线。
（3）ARM处理器模式和ARM处理器状态有何区别？（P24~P26）
答：处理器模式指的是处理器在执行程序时，在不同时刻所处的不同状态。处理器状态指的是处理器当前所执行的指令集。
（4）分别列举ARM的处理器模式和状态。
答：处理器模式：7种，：用户模式（usr）和特权模式，特权模式包括系统模式（sys）和异常模式，异常模式包括：管理模式(svc)、中止模式(abt)、未定义模式（und）、中断模式(irq)、快速中断模式(fiq)。
处理器状态：ARM状态为32位，这种状态下执行的是字方式ARM指令，具有最完整的功能，处理器在系统上电时默认为ARM状态。
Thumb状态为16位，这种状态下执行半字方式的Thumb指令。
（5）PC和LR分别使用哪个寄存器？（P31~P32）
答：程序计数器（PC）使用R15寄存器，链接寄存器（LR）使用R14寄存器。
（6）R13寄存器的通用功能是什么？（P29~P30）
答：ARM处理器通常将寄存器R13作为堆栈指针(SP),用于保存堆栈的出入口处地址。
（7）CPSR寄存器中哪些位用来定义处理器状态？
答：程序状态寄存器CPSR,
（8）描述一下如何禁止IRQ和FIQ的中断？(P38)
答：当控制位I置位时，IRQ中断被禁止，否则允许IRQ中断使能；
当控制位F置位时，FIQ中断被禁止，否则允许FIQ中断使能。
二.存储器格式
定义R0=0x12345678, 假设使用存储指令将R0的值存放在0x4000单元中。如果存储器格式为大端格式，请写出在执行加载指令将存储器0x4000单元的内容取出存放到R2寄存器操作后所得R2的值。如果存储器格式改为小端模式，所得R2值又为多少？低地址0x4000单元的字节内容分别是多少？（P49）
三、处理器异常
请描述一下ARM7TDMI产生异常的条件是什么？各种异常会使处理器进入哪种模式？进入异常时内核有何操作？各种异常的返回指令又是什么？
答：只要正常的程序被暂时中止，处理器就进入异常模式。
第三章ARM7TDMI(-S)指令系统
一、基础知识
（1）ARM7TDMI(-S)有几种寻址方式（P53）？“LDR R1,[R0, #0x08]”属于哪种寻址方式？答：共有8种寻址方式：寄存器寻址、立即寻址、寄存器移位寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、多寄存器寻址、堆栈寻址、相对寻址。
LDR R1,[R0, #0x08]属于基址寻址，意思是读取R0+0x08地址上的存储单元的内容，存入R1。
（2）ARM指令的条件码有多少个（P60）？默认条件码是什么？
答：有16个，EQ、NE、CS/HS、CC/LO、MI、PL、VS、VC、HI、LS、GE、LT、GT、LE、AL、NV, 默认条件码是AL。
（3）ARM指令中第2个操作数有哪几种形式（P58）？列举5个8位图立即数。
答：有3种形式：immed_8r——常数表达式。Rm——寄存器方式。Rm,shift——寄存器移位方式。
5个8位图立即数：0x3FC(0xFF<<2)、0、0xF0000000(0xF0<<24)、200(0xC8)、0xF0000001(0x1F<<28)。
（4）LDR/STR指令的偏移形式有哪4种（P62）？LDRB指令和LDRSB指令有何区别？
答：LDR/STR指令的偏移形式有4种,分别是：零偏移、前索引偏移、程序相对偏移、后索引偏移。LDRB指令是加载无符号字节数据，LDRSB指令则是加载有符号字节数据。LDRB就是读出指定地址的数据并存入指定寄存器，LDRSB读出指定地址的数据，高24位符号位用于扩展，再存入指定寄存器。
（5）请指出MOV指令与LDR加载指令的区别及用途。
答：MOV指令的源操作数是常数或（带偏移量的）寄存器，用于寄存器之间的数据传送；LDR
指令的源操作数是地址，用于存储器到寄存器的数据传送。
（6）CMP指令是如何执行的？写一程序，判断R1的值是否大于0x30，是则将R1减去0x30。(P71)
答：CMP 指令将寄存器Rn 的值减去operand2 的值，根据操作的结果更新CPSR 中的相应条件标志位，以便后面的指令根据相应的条件标志来判断是否执行。CMP指令不保存运算结果，在进行两个数据的大小判断时，常用CMP指令及相应的条码来操作。
程序： CMP {cond} Rn, operand2
CMP R1,#0x30 ；将R1与常数0x30比较
LDRLE PC，LR ；如果小于或等于0x30，则程序返回
SUB R1，R1, #0x30 ；大于0x30，则将R1减去0x30，结果存回R1
（7）调用子程序是用B指令还是用BL指令？请写出返回子程序的指令。（P73）
答：BL 指令用于子程序调用。 MOV PC，LR 或者 BX LR
（8）请指出LDR伪指令的用法。（P61）指令格式与LDR加载指令的区别是什么？
答：LDR指令用于从内存中读取数据放入寄存器或者用于加载32位的立即数，还常用于加载芯片外围功能部件的寄存器地址，指令格式与LDR加载指令的区别在于第二个数为地址表达式，伪指令的LDR的参数有“=”号。
（9）ARM状态与Thumb状态的切换指令是什么？请举例说明。
答：切换指令是BX指令。BX指令跳转到Rm指定的地址去执行程序。若Rm的bit0为1，则跳转时自动将CPSR中的标志T置位，即把目标地址的代码解释为Thumb代码；若Rm的bit0为0，则跳转时自动将CPSR中的标志T复位，即把目标地址的代码解释为ARM代码。
（10）Thumb状态与ARM状态寄存器有区别吗（P28、P34、P35、P81）？Thumb指令对哪些寄存器的访问受到一定限制？
答：Thumb状态与ARM状态的寄存器有区别：1、由于Thumb指令集不包含MSR和MRS指令，如果用户需要修改CPSR的任何标志位，必须回到ARM模式。通过BX和BLX指令来改变指令集模式，而且当完成复位（Reset）或者进入到异常模式时，将会被自动切换到ARM模式。2、访问R8-R15的Thumb数据处理指令不能更新CPSR中的ALU状态标志。(Thumb指令集较ARM 指令集有如下限制：只有B指令可以条件执行，其它指令都不能条件执行；分支指令的跳转范围有更多限制；数据处理指令的操作结果必须放入其中一个；单寄存器访问指令，只能操作R0～R7；LDM和STM指令可以对R0～R7的任何子集进行操作；)
Thumb指令对R8-R15寄存器访问受限。
（11）Thumb指令集的堆栈入栈、出栈指令是哪两条？（P83）
入栈指令PUSH，出栈指令POP
（12）Thumb指令集的BL指令转移范围为何能达到 4MB? 其指令编码是怎样的？(P85) Thumb 采用两条16 位指令组合成22 位半字偏移(符号扩展为32 位)，使指令转移范围为±4MB。BL label。LR←PC-4，PC←label
2.有符号和无符号加法
下面给出A和B的值，可以先手动计算A+B，并预测N、Z、V和C标志位的值。然后修改程序清单3.1中R0、R1的值，将这两个值装载到这两个寄存器中（使用LDR伪指令，如“LDR R0,=0xFFFF0000”）,使其执行两个寄存器的加法操作。调试程序，每执行一次加法操作就将标志位的状态记录下来，并将所得结果与预先计算得出的结果相比较。如果两个操作数看作有符号数，如何解释所得标志位的状态？同样，如果把两个操作数看作是无符号数，所得标志位又当如何理解？
（1） 0xFFFF000F (A)
+0x0000FFF1 (B)
------------------
0x00000000 NZCV=0110
如果两个操作数是有符号的，A是负数，B是正数，和是0，没有溢出，所以V=0。如果两个操作数是无符号数，和是0，有进位，所以C=1。
（2） 0x7FFFFFFF (A)
+0x02345678 (B)
------------------
0x82345677 NZCV=1001
如果两个操作数是有符号数，A是正数，B是正数，和是负数，有溢出，所以V=1。如果两个操作数是无符号数，没有进位，所以C=0。
（3） 67654321 (A)
+23110000 (B)
------------------
0x0568F421 NZCV=0000
如果两个操作数是有符号数，A是正数，B是正数，和是正数，没有溢出，所以V=0。如果两个操作数是无符号数，没有进位，所以C=0。
第四章 LPC2000系列ARM硬件结构
一、基础知识
1、LPC2114可使用的外部晶振频率范围是多少(P115)（提示使用/不使用PLL功能时(P116)）？
答：晶振频率范围：1～30 MHz，若使用PLL 或ISP 功能时，输入时钟的频率不超过：10～25MHz。
2、请描述LPC2210/2220的PO.14、P1.20、P1.26、BOOT1和BOOT0引脚在芯片复位时分别有什么作用？（P95，P96，P119）并简单说明LPC2000系列ARM7微控制器的复位处理流程。答：P0.14 为低电平时，强制片内引导装载程序复位后控制器件的操作，即进入ISP 状态。P1.20 当RESET 为低电平，使 P1.25～P1.16 复位后用作跟踪端口。
P1.26当RESET 为低电平，使 P1.31～P1.26 复位后用作一个调试端口。
当RESET 为低时，BOOT0 与BOOT1 一同控制引导和内部操作。引脚的内部上拉确保了引脚未连接时呈现高电平。
外部复位输入：当该引脚为低电平时，器件复位，I/O口和外围功能进入默认状态，处理器
从地址0 开始执行程序。复位信号是具有迟滞作用的TTL 电平。
3、LPC2000系列ARM7微控制器对向量表有何要求（提示向量表中的保留字）？
答：向量表所有数据32 位累加和为零(0x00000000～0x0000001C 的8 个字的机器码累加)，才能脱机运行用户程序，这是LPC2114/2124/2212/2214 的特性。
4、如何启动LPC2000系列ARM7微控制器的ISP功能？（P122）相关电路应该如何设计？答：有两种情况可以使芯片进入ISP状态：（1）将芯片的P0.14引脚拉低后，复位芯片，可以进入ISP状态；（2）在芯片内部无有效用户代码时，Boot Block自动进入ISP状态。
5、LPC2000系列ARM7微控制器片内Flash是多位宽度的接口？（P145）它是通过哪个功能模块来提高Flash的访问速度？
答：128位宽度接口, 通过存储器加速模块（MAM）来提高Flash的访问速度。
6、若LPC2210/2220的bank0存储块使用32位总线，访问bank0时，地址线A1、A0是否有效？EMC模块中的BLSO～BLS4具有什么功能？（P159）
答：无效,( 如果存储器组配置成 16 位宽,则不需要 A0；8 位宽的存储器组需要使用A0 。)；字节定位选择信号。
7、LPC2000系列ARM7微控制器具有引脚功能复用特性，那么如何设置某个引脚为指定功能？（P172）
答：通过引脚功能选择寄存器的设定来设置某个引脚为指定功能。
8、FIQ、IRQ有什么不同？向量IRQ和非向量IRQ有什么不同？（P189）
答：FIQ为快速中断，具有最高优先级，中断响应最快，常用于处理非常重要、非常紧急的事件，IRQ为普通中断。向量IRQ具有中等优先级，对外部事件响应比较及时，常用于处理重要事件。非向量IRQ优先级最低，中断延迟时间比较长，常用于处理一般事件中断。
9、在使能、禁止FIQ和IRQ时，为什么操作SPSR寄存器而不操作CPSR寄存器？(P75，P189，P200)
答：在用户模式下，无法修改CPSR，只有在特权模式下修改SPSR后，通过退出特权模式，然后恢复SPSR到CPSR，才能实现修改CPSR。
10、ARM内核对FIQ、向量IRQ和非向量IRQ有什么不同？（P200）
FIQ优先级最高，中断响应最迅速。一旦发生FIQ中断，ARM处理器进入FIQ模式，而且ARM 处理器为FIQ模式多设计了R8～R12这5个私有寄存器，加速FIQ的处理；向量IRQ具有中等优先级，处理中断比较迅速；非IRQ中断优先级最低。
11、向量中断能嵌套吗？请结合ARM体系结构进行阐述。
答：能，但需要重新开中断。
12、VIC的软件中断和ARM内核的软件中断一样吗？（Ｐ188）
ARM内核本身只有快速中断FIQ和普通中断IRQ这2条中断输入信号线，只能接受2个中断。如果处理2个以上的中断事件，就需要借助向量中断控制器（VIC）。
13、设置引脚为GPIO功能时，如何控制某个引脚单独输入/输出？（P181）当前要知道某个引脚当前的输出状态时，是读取IOPIN寄存器还是读取IOSET寄存器？
答：通过GPIO方向寄存器来控制引脚单独输入/输出。比如某引脚作输出时，将IODIR寄存器的相应位设置为1。当前要知道某个引脚当前的输出状态时，读取IOPIN寄存器，因为IOSET 寄存器控制引脚输出高电平。
14、P0.2和P0.3口是I2C接口，当设置它们为GPIO时，是否需要外接上拉电阻才能输出
高电平？(P183)
答：需要外接上拉电阻。
15、写出至少3种GPIO的应用实例。（P183-187）
1、将P0.0设置为输出高电平。
2、使用GPIO控制蜂鸣器。
3、读取P0.0引脚的电平状态。
4、读取按键状态。
5、在多个I/O口线上输出数据。
15、使用SPI主模式时，SSEL引脚是否可以作为GPIO？(P238) 若不能，SSEL引脚应如何处理？
答：不能，SSEL引脚应接上拉电阻。
16、LPC2114的2个UART符合什么标准？(P276)哪一个UART可用作ISP通信？（P278）哪一个UART具有Modem接口？
答：符合16C550工业标准。UART0可用作ISP通信，UART1具有Modem接口。
17、介绍I2C和SPI总线的特点，并分别介绍几款基于这两种总线的芯片。（P238，P250）答：I2C BUS（Inter IC BUC）是NXP半导体公司推出的芯片间串行传输总线，它以2根连线实现了完善的双向数据传送，可以极为方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C 总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法。从而使硬件系统具有最简单而灵活的扩展方法。基于I2C的芯片有FM24CL04和ZLG7290等。
SPI总线（串行外设接口）总线系统是一种全双工同步串行外设接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。一个SPI总线可以连接多个主机和多个从机，但是在同一时刻只允许有一个主机操作总线。基于SPI总线的芯片有ISD4003语音芯片和电能计量芯片ATT7022等等。
18、LPC2114具有几个32位定时器？(P222) PWM定时器是否可以作通用定时器使用？（没讲）
答：有2个32位定时器，分别是定时器0和定时器1。PWM定时器不能用作通用定时器使用。
19、LPC2000系列ARM7微控制器具有哪两种低耗模式？如何降低系统的功耗？（P89，P141）答：2个低功耗模式：空闲模式和掉电模式；可以通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。
2．计算PLL设置值
假设有一个基于LPC2114的系统，所使用的晶振为11.0592MHZ石英晶振。请计算出最大的系统时钟（CCLK）频率为多少MHz？此时PLL的M值和P值各为多少？请列出计算公式，
并编写设置PLL的程序段。
解：LPC2214最大的系统时钟频率是60MHz，Fcclk＝M*Fosc=60MHZ Fosc＝11.0592MHz所以M=5
Fcclk＝Fosc*M=55.296MHz
又156MHz P=Fcco/(Fcclk*2) 当Fcco取156MHZ时，P=1.3 当个Fcco取最高频率时即320时，P=2.67 所以P=2 程序清单： Uint8 PLLSet(uint32 Fcclk,uint32 Fosc,uint32 Fcco) { Uint8 i; Uint32 plldat; i = (Fcco/Fcclk); switch(i) { case 2: plldat=((Fcclk/Fosc)-1)|(0<<5); break; case 4: plldat=((Fcclk/Fosc)-1)|(1<<5); break; case 8: plldat=((Fcclk/Fosc)-1)|(2<<5); break; case 16: plldat=((Fcclk/Fosc)-1)|(3<<5); break; default: return(FALSE); break; } PLLCON = 1; PLLCFG = plldat; PLLFEED = 0xaa; PLLFEED = 0x55; while((PLLSTAT & (1<<10)) == 0); PLLCON = 3; PLLFEED = 0xaa; PLLFEED = 0x55; return(TRUE);