《嵌入式系统设计》2024期末题（题目+参考答案+分析）

fcc13461862452

904人浏览 · 2025-12-14 17:21:52

fcc13461862452 · 2025-12-14 17:21:52 发布

一、简答题（共20分，每题4分）

名词解释：PWM、DMA、AMBA、EMPU
PWM：脉宽调制（Pulse Width Modulation）（第5章Timer）
DMA：直接存储器访问（Direct Memory Access）（第5章）
AMBA：先进微控制器总线架构（Advanced Microcontroller Bus Architecture）（第5章S3C2440体系架构）
EMPU：嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit）（第1章嵌入式处理器）

根据嵌入式系统的特点，写出嵌入式系统的定义。
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

简述 ARM 处理器的 7 种运行模式及各自的用途。

模式	说明
用户（usr）	正常程序执行
快速中断（fiq）	高速中断处理
外部中断（irq）	通用中断处理
管理（svc）	操作系统保护模式
中止（abt）	内存访问异常处理
未定义（und）	未定义指令异常
系统（sys）	特权任务运行

在这里插入图片描述

什么是嵌入式处理器？嵌入式处理器分为哪几类？请举例说明。
嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，是一种专用、高度定制化的计算机处理器。具有体积小、高稳定性、低功耗和环境适应性强等特点。

分类：

类别	核心特征	举例
嵌入式微处理器（EMPU）	CPU内核。需要外部扩展内存、总线和外设才能构成完整系统。是嵌入式系统中的“性能担当”，可运行复杂操作系统。	ARM架构：Cortex-A系列
嵌入式微控制器（EMCU）	单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中。	STM32系列
嵌入式数字信号处理器（EDSP）	专为数字信号处理算法优化。	德州仪器（TI）：TMS320系列
嵌入式片上系统（ESoC）	在单一芯片上集成多个处理器核心	苹果A系列芯片

ARM 体系结构相对于一般 RISC 指令集的特别之处表现在哪里？

二、简单应用题（共20分，每题4分）

初始值 R1=23H，R2=0FH，执行指令
BIC R0, R1, R2, LSL #1
后，寄存器 R0 和 R1 的值分别是多少？
R0：0x21
R1：0x23（不变）

在这里插入图片描述

小端模式下，[0x40003000]=0x11223344，请图示说明数据在存储器中是如何存储的。
小端模式
0x40003000 0X44
0x40003001 0X33
0x40003002 0X22
0x40003003 0X11

CMP 指令的操作是什么？写一个程序，判断 R1 的值是否大于 0x30，是则将 R1 减去0x30。
CMP指令的格式是：CMP{<cond>} <Rn>, <op1>
CMP指令执行 Rn - op1 的减法操作，并根据结果更新CPSR中的条件标志位（N、Z、C、V），但不保存减法结果。

CMP R1, #0x30 	;判断R1的值是否大于0x30
SUBHI R1, R1, #0X30	;	若大于（HI），则R1减去（SUB）0x30

条件码

cond	含义	英文助记
EQ	相等	Equal
NE	不等	Not Equal
CS/HS	无符号数大于等于	Carry Set/Unsigned High or Same
HI	无符号数大于	Unsigned High
CC/LO	无符号数小于	Carry Clear/Unisgned Lower
LS	无符号数小于等于	Unsigned Lower or Same

在这里插入图片描述

进行基于 ARM 核的嵌入式系统软件开发时，调用如下函数：

int Func1(int arg1, void *arg2, char arg3, int *arg4)

请说明这四个参数通过什么方式从调用程序传入被调函数？

前4个参数使用寄存器传递
根据 AAPCS（ARM Architecture Procedure Call Standard），前4个整型或指针参数依次通过 R0、R1、R2、R3 传递。这4个参数恰好全部使用寄存器，无需使用堆栈。
在这里插入图片描述

请指出 LDR 伪指令的用法。指令格式与 LDR 加载指令的区别是什么？

LDR伪指令格式为：
LDR <Rd>, =expr （加载立即数）
LDR <Rd>, =label （加载标号地址）
加载32位的立即数或一个地址值到目标寄存器Rd。

特性	LDR伪指令	LDR加载指令
本质	伪指令，在汇编期间由汇编器处理	机器指令，CPU直接执行
格式	`LDR Rd, =expr/label`（带等号）	`LDR{cond}{size} Rd, <addr>`（各种寻址模式）
操作数	右操作数为立即数或标号	右操作数为内存地址表达式（如[Rn]、[Rn,#offset]）
功能	将常数或地址加载到寄存器	从内存地址加载数据到寄存器
汇编结果	可能被转换为一条或多条实际指令（如MOV或LDR从文字池读取）	直接对应一条二进制机器指令
用途	初始化寄存器值，获取变量/函数地址	内存数据访问，是加载/存储架构的核心

LDR伪指令是汇编器提供的便捷工具，用于加载常数和地址，其本质是汇编时的替换机制；而LDR加载指令是机器指令，是CPU执行的真实内存访问指令。
在这里插入图片描述

三、硬件应用题（共20分，每题4分）

说明 S3C2440 中断优先级管理模块的工作原理。
S3C2440中断控制器采用两级仲裁机制来管理中断优先级：
每个一级仲裁器（ARBITER0 ~ ARBITER5）从它管理的中断源中选择优先级最高的一个，输出到二级仲裁器。
二级仲裁器（ARBITER6）从6个一级仲裁器的输出中再次选择优先级最高的一个，向ARM核发出中断请求。
每一个仲裁器有两个控制信号：ARB_MODE、ARB_SEL。
ARB_MODE：仲裁模式，0=固定优先级，1=循环优先级。
ARB_SEL：仲裁选择，指出最低优先级。01=REQ1，10=REQ2，11=REQ3，00=REQ4

阅读下列与看门狗有关的寄存器描述，解释每一行代码的功能：

 #define rWTCON (*(volatile unsigned *)0x53000000)
 #define rWTDAT (*(volatile unsigned *)0x53000004)
 #define rWTCNT (*(volatile unsigned *)0x53000008)
 void watchdog_test(void)
 {
 rWTCON = ((PCLK/1000000-1)<<8)|(3<<3)|(1<<2); 	// 第1行
 rWTDAT = 7812;		// 第2行
 rWTCNT = 7812;		// 第3行
 rWTCON|=(1<<5);	 // 第4行
 }

（白话理解看门狗定时器功能，不严谨，帮助理解）
看门狗听着很高级，其实还是个定时器，基础功能用于定时。
首先要理解看门狗的三个寄存器：
WTCON：看门狗控制寄存器，Config，配置功能、数值、控制信息等。
WTDAT：看门狗数值寄存器，Data，决定定时多长时间，保存计数初值。
WTCNT：看门狗计数寄存器，Count，决定变化的节拍，保存当前的计数值。
大致理解定时过程：通过config配置，我们知道计数的最小单位（根据时钟频率等等），Data告诉我们总共要计数多少次，Count首先记为Data中的初值，开始工作后根据节拍持续的-1，-1，…，直至为0，产生中断，这一次规定的定时就完成了。

rWTCON = ((PCLK/1000000-1)<<8)|(3<<3)|(1<<2); 	// 第1行

配置看门狗控制寄存器 WTCON，设置预分频值、时钟分频因子，并使能中断。
预分频值和分频因子共同决定看门狗时钟频率。
中断使能，但看门狗定时器本身尚未使能（WTCON[5]仍为0），复位功能也未使能（WTCON[0]为0）。
在这里插入图片描述

rWTDAT = 7812;		// 第2行

设置看门狗数据寄存器 WTDAT 的值为 7812。
WTDAT 保存计数初值。
当 WTCNT 递减到0时，自动将 WTDAT 中的值（7812）重新加载到 WTCNT。
在这里插入图片描述

rWTCNT = 7812;		// 第3行

设置看门狗计数寄存器 WTCNT 的当前值为 7812。
看门狗使能时，WTDAT 的值不会自动加载到 WTCNT。
必须在使能看门狗前手动给 WTCNT 赋初始值，否则可能因初值不确定而导致立即触发中断或复位。
在这里插入图片描述

 rWTCON|=(1<<5);	 // 第4行

使能看门狗定时器。
看门狗定时器开始工作，WTCNT 从7812开始递减计数。在这里插入图片描述

当 PCLK 为 40MHz 时，串口 0 的波特率为 2400bps，串口 1 的波特率为 115200bps，相应的控制寄存器如何设置？
UBRDIVn值的计算公式：
$UBRDIVn=round(源时钟波特率×16)−1UBRDIVn=round(\frac{源时钟}{波特率\times16})-1$
串口0： $UBRDIV0=round(40,000,0002400×16)−1=round(1041.6667)−1=1041UBRDIV0=round(\frac{40, 000, 000}{2400\times16})-1=round(1041.6667)−1=1041$
即UBRDIV0=0X411
串口1： $UBRDIV1=round(40,000,000115200×16)−1=round(21.7014)−1=21UBRDIV1=round(\frac{40, 000, 000}{115200\times16})-1=round(21.7014)−1=21$
即UBRDIV1=0X15

S3C2440 外部最大寻址空间是多少？分几个存储模块？使用哪些引脚作为片选信号？
S3C2440外部最大寻址空间是1GB，分8个存储模块，使用引脚nGCS7~0作为通用片选信号。

说明 S3C2440 如何通过中断检测触摸屏的按压事件，并简述中断触发的条件和处理流程。

中断触发的条件：
在等待中断模式下，触摸屏控制器监控XP、XM、YP、YM引脚的状态。
当触摸屏未被按下时，由于上拉电阻，Y_ADC为高电平。
当触摸屏被按下时，X和Y方向的导电层接触，导致Y_ADC的电压被拉低，从而产生一个低电平信号。产生INT_TC中断。

处理流程简述：

初始化：配置ADC和触摸屏接口的寄存器，ADCTSC设置为等待中断模式，并设置中断使能。
等待中断：系统进入等待状态，当触摸屏被按下时，硬件产生INT_TC中断。
中断服务程序：
在中断服务程序中，首先清除中断标志。
然后，改变触摸屏工作模式（例如设置为自动XY坐标转换模式）。
启动A/D转换，读取X和Y坐标值。
处理坐标数据（例如通过串口输出）。
重新配置为等待中断模式，以便检测下一次按压。
清除中断并返回。

四、程序设计题（共20分，每题10分）

编写完整的ARM汇编程序，实现读取 ARM 指令中 SWI 指令的立即数。

首先我们要明白我们在做什么？
step1：SWI指令是干什么的？
SWI指令是软件中断指令，是因为ARM指令在用户模式中受到很大的局限，有一些资源不能够访问，所以，我们使用软件控制-软件中断指令的方式访问这些资源。
那我们也就明白了，SWI软件中断指令是用于产生软件中断，调用系统历程。
~
step2：我们为什么想要读取SWI指令的立即数？
SWI指令的格式：SWI {<cond>} 24位立即数
其中24位立即数就是用于指定调用历程的类型。
我们根据这24位立即数就可以判断我们应该调用哪个系统历程。
~
setp3：如何读取SWI指令的立即数？
所以，当我们已经进入了SWI中断处理程序后，我们如何读取原先SWI指令中的这24位立即数呢？
这就是我们本题考查的内容：编写ARM汇编程序，读取ARM指令中SWI指令的立即数。

	T_bit EQU 0x20	;常量定义
SWI_Hander
	STMFD SP!, {R0-R3, R12, LR}	;现场保护
	MRS R0, SPSR	;读取SPSR到R0
	TST R0. #T_bit	;测试T位
	LDRNEH R0, [LR, #-2]	;读取16位Thumb指令码
	BICNE R0, R0, #0xFF00	;提取8位立即数
	LDREQ R0,[LR, #-4]	;读取32位ARM指令码
	BICEQ R0, R0, #0xFF000000	;提取24位立即数
	...
	LDMFD SP!, {R0-R3, R12, PC}^	;恢复现场并返回

迷了😵？？别着急，主包现在就跟你一起研读代码😋！）
T_bit EQU 0x20 ;常量定义
EQU 是ARM汇编语言中的伪指令，用于定义符号常量。
0x20的二进制为0010 0000，对应第5位为1。
也就是：定义了一个T_bit符号常量，其数值为0x20，后续把它T_bit作为一个掩码，我们就可以知道一个数的第5位是0还是1。
在这里插入图片描述

STMFD SP!, {R0-R3, R12, LR} ;现场保护
LDMFD SP!, {R0-R3, R12, PC}^ ;恢复现场并返回
这两条指令我们合在一起看，STMFD和LDMFD是堆栈寻址指令，用于数据栈与寄存器组之间批量数据传输。
我们经常会说，中断程序，保护现场，恢复现场等等，就是使用堆栈指令实现的。所以我们经常会在中断程序中看到他们。我们记住他们就可以！
STMFD满递减堆栈存储指令，其中R0-R3，R12是可能被中断处理程序修改的通用寄存器，LR(R14)包含返回地址，是我们需要保护的数据。
LDMFD恢复寄存器，从堆栈弹出到R0-R3，R12，PC。欸！有同学要问了，怎么冒出来个PC?
PC：将返回地址直接加载到程序计数器，即实现了跳转。
^后缀：将SPSR（特权异常模式）恢复到CPSR（全局）。
在这里插入图片描述

MRS R0, SPSR ;读取SPSR到R0
MRS：将程序状态寄存器CPSR的数据保存至通用寄存器R0中。（其实还是为了保存现场数据！）
还有跟他一对的MSR是将通用寄存器的数据写到程序状态寄存器中。
在这里插入图片描述
TST R0, #T_bit ;测试T位
TST指令：按位与操作并设置标志位Z，不保存结果。
我们刚刚得到了SPSR的数据在R0中，同时使用最开始定义的常量T_bit(0010 0000)作为掩码，二者与，就可以巧妙地得到SPSR的第5位数是为0还是1。
Q1：为什么是第5位？程序状态寄存器CPSR/SPSR的第五位为T位，决定是ARM指令（32位）还是Thumb指令（16位）
T=0：ARM模式；T=1：Thumb模式。
在这里插入图片描述
结果若标志位Z：
Z=1：T位=0（ARM状态）
Z=0：T位=1（Thumb状态）

在这里插入图片描述

Thumb状态处理（Z=0）
LDRNEH R0, [LR, #-2] ;读取16位Thumb指令码
BICNE R0, R0, #0xFF00 ;提取8位立即数
LDRH：半字数据加载指令（16位）
NE条件码：Z清零

Q：为什么是LR -2？
三级流水线下，执行Thumb指令时PC值为：指令地址 + 4
发生异常时，LR = 异常返回地址 = SWI指令地址 + 4
因此：SWI指令地址 = LR - 4
但：Thumb指令长度为2字节，所以：
下一条指令地址 = SWI指令地址 + 2
实际LR保存的是：SWI指令地址 + 4（流水线原因）
因此：SWI指令地址 = LR - 2

BIC：位清除指令，将第二操作数为1的位，对应R0的位清0
Thumb SWI指令格式：11011111 imm8
高8位：0xDF（固定）
低8位：立即数
BICNE R0, R0, #0xFF00：清除高8位，保留低八位，把立即数存储到R0中。

在这里插入图片描述
ARM状态处理（Z=1）
LDREQ R0,[LR, #-4] ;读取32位ARM指令码
BICEQ R0, R0, #0xFF000000 ;提取24位立即数
同理✨
EQ条件码：Z=1满足条件

Q：为什么是 LR-4？
ARM指令长度为4字节
流水线中PC值 = 指令地址 + 8
发生异常时，LR = SWI指令地址 + 8
因此：SWI指令地址 = LR - 8
但：ARM处理异常时，硬件会自动调整LR：
对于SWI异常，硬件将LR设置为：SWI指令地址 + 4
所以：SWI指令地址 = LR - 4
(（这方面要详细讲起来其实还能讲好多，主包干不动了🥲）

ARM SWI指令格式：[cond:4][1111:4][imm24:24]
高8位：条件码（4位）+ 操作码（4位）
低24位：立即数
BICEQ R0, R0, #0xFF000000：清除高8位，保留低24位，把立即数存储到R0中。

（呕吼！搞定！多看几遍就能理解了！对照着知识点PPT看，遇到不明白的知识点就去翻一翻，实在不想花时间，直接背😖总能拿下的！😎）

使用 ARM 汇编语言实现给定符号函数：
假定 x 是-5，编写程序实现符号函数的功能：

int sign(int x) {
	if (x > 0) return 1;
 	else if (x < 0) return-1;
 	else return 0;
}

; 代码段
    AREA    SignFunction, CODE, READONLY
    ENTRY

; 主程序入口
start
    LDR     R0, =x_value  ; 加载 x 的值 (-5) 到 R0
    BL      sign_function ; 调用符号函数
    LDR     R1, =result   ; 将结果存储到 result 变量
    STR     R0, [R1]

    ; 程序结束
    MOV     R0, #0x18
    LDR     R1, =0x20026
    SWI     0x123456

; 符号函数：sign(int x)
; 输入：R0 = x
; 输出：R0 = sign(x)
sign_function
    CMP     R0, #0  ; 比较 x 与 0
    MOVGT   R0, #1  ; 如果 x > 0，返回 1
    BGT     sign_exit
    MOVLT   R0, #-1 ; 如果 x < 0，返回 -1
    BLT     sign_exit
    MOVEQ   R0, #0  ; 否则 x == 0，返回 0

sign_exit
    BX      LR

; 数据段
    AREA    SignData, DATA, READWRITE
    
x_value DCD   -5        ; 假设 x = -5
result  DCD   0         ; 存储结果

    END

ARM汇编模板：


; 代码段
    AREA    Function, CODE, READONLY
    ENTRY

; 主程序入口
start
    ...

; 程序结束
stop
    MOV     R0, #0x18
    LDR     R1, =0x20026
    SWI     0x123456

; 数据段
    AREA    Data, DATA, READWRITE
...
    END

MOV, BL涉及的条件码：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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