ARM嵌入式系统基础教程第二版课后习题答案

### ARM嵌入式系统基础教程第二版课后习题答案解析 #### 第1章 嵌入式系统概述 **1. 举出3个本书中未提到的嵌入式系统的例子。** - **智能手表**：具备显示时间、监测健康指标等功能，是一种常见的可穿戴嵌入式系统。 - **智能家居设备**：如智能灯泡、智能门锁等，通过互联网进行远程控制。 - **车载娱乐系统**：提供导航、音乐播放等服务，是现代汽车不可或缺的一部分。 **2. 什么叫嵌入式系统？** 嵌入式系统是指那些嵌入到其他设备中，实现特定功能的计算机系统。这类系统通常针对具体的应用场景进行优化设计，具有高性能、低功耗、高可靠性的特点，并且在成本、尺寸等方面也有严格的要求。 **3. 什么叫嵌入式处理器？嵌入式处理器分为哪几类？** 嵌入式处理器是专门为嵌入式系统设计的微处理器。它们通常具备以下特性： - 尺寸小、能耗低、成本低：适用于对尺寸和功耗有严格限制的场合。 - 性能高：满足需要较高计算能力的应用。 - 综合考虑性能、尺寸、能耗和成本的需求：平衡各方面因素，适合多数应用场景。 嵌入式处理器可以分为以下几类： 1. **微控制器**：集成度高，通常包含CPU、RAM、ROM以及I/O接口等，适合于小型嵌入式系统。 2. **数字信号处理器(DSP)**：擅长处理数字信号，广泛应用于音频和视频处理等领域。 3. **微处理器**：适用于复杂系统的控制核心，如工控机、路由器等。 **4. 什么是嵌入式操作系统？为何要使用嵌入式操作系统？** **嵌入式操作系统**是为嵌入式系统设计的操作系统，其特点在于体积小、启动速度快、实时性好。使用嵌入式操作系统的原因包括： - **提高系统的可靠性**：通过合理管理和调度资源，减少故障发生的可能性。 - **提高开发效率，缩短开发周期**：提供丰富的API和工具支持，简化软件开发流程。 - **发挥32位CPU的多任务潜力**：支持并发处理多个任务，提高系统的整体性能。 #### 第2章 ARM7体系结构 **1. 基础知识** **(1) ARM7TDMI中的T、D、M、I的含义是什么？** - **T**：表示支持Thumb指令集，这是一种精简指令集，可以减少代码大小。 - **D**：表示支持片上调试功能，便于开发者进行调试。 - **M**：表示支持64位乘法指令，提高整数运算性能。 - **I**：表示支持EmbeddedICE硬件仿真功能，有助于硬件和软件的协同调试。 **(2) ARM7TDMI采用几级流水线？使用何种存储器编址方式？** ARM7TDMI采用了3级流水线设计，这种设计有助于提高指令执行效率。它的存储器编址方式采用的是冯·诺依曼结构，即程序存储空间和数据存储空间共用同一总线。 **(3) ARM处理器模式和ARM处理器状态有何区别？** - **ARM处理器模式**：指的是当前处理器的工作模式，不同的模式下使用的寄存器组不同，例如用户模式、系统模式等。 - **ARM处理器状态**：指的是处理器当前执行的指令集状态，ARM状态和Thumb状态是两种基本状态，它们决定了处理器执行何种类型的指令。 **(4) 分别列举ARM的处理器模式和状态？** - **处理器模式**：用户模式、系统模式、管理模式、中止模式、未定义模式、中断模式、快速中断模式。 - **处理器状态**：ARM状态、Thumb状态。 **(5) PC和LR分别使用哪个寄存器？** - **PC**（程序计数器）：使用R15寄存器。 - **LR**（链接寄存器）：使用R14寄存器。 **(6) R13寄存器的通用功能是什么？** R13寄存器通常被用作堆栈指针（SP），在堆栈操作中起到关键作用。 **(7) CPSR寄存器中哪些位用来定义处理器状态？** CPSR寄存器中的某些位用来表示处理器的状态，主要包括： - 条件代码标志位：N、Z、C、V（分别为负标志、零标志、进位标志、溢出标志）。 - 控制标志位：I、F、T、M4~0（分别为IRQ禁用、FIQ禁用、Thumb状态、模式选择位）。 **(8) 描述一下如何禁止IRQ和FIQ的中断。** 要禁止IRQ中断，需要将CPSR寄存器中的I位设为1；要禁止FIQ中断，则需要将F位设为1。 **2. 存储器格式** 无论是大端格式还是小端格式，R2的值与R1一致。对于地址0x4000单元的字节，在大端格式下，该单元存储的是0x12；而在小端格式下，该单元存储的是0x78。 **3. 处理器异常** **(1) 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？** | 异常 | 模式 | 返回指令 | |--------|----------|-----------------| | 复位 | 管理模式 | 无 | | 未定义指令 | 未定义模式 | MOVSPC,R14 | | 软件中断 | 管理模式 | MOVSPC,R14 | | 预取指中止 | 中止模式 | SUBSPC,R14,#4 | | 数据中止 | 中止模式 | SUBSPC,R14,#8 | | IRQ中断 | 中断模式 | SUBSPC,R14,#4 | | FIQ | 快速中断模式 | SUBSPC,R14,#4 | 当发生异常时，内核会自动执行以下操作： - 将PC（程序计数器）的值保存到LR（链接寄存器）。 - 将CPSR（当前程序状态寄存器）的值复制到相应的SPSR（备份程序状态寄存器）。 - 设置CPSR为相应的异常模式。 - 将异常处理程序的中断入口向量地址装载到PC中。 #### 第3章 ARM7TDMI(-S)指令系统 **1. 基础知识** **(1) ARM7TDMI(-S)有几种寻址方式？“LDR R1,[R0,#0x08]”属于哪种寻址方式？** ARM7TDMI(-S)支持8种寻址方式，包括： 1. 寄存器寻址 2. 立即寻址 3. 寄存器移位寻址 4. 寄存器间接寻址 5. 基址寻址 6. 多寄存器寻址 7. 堆栈寻址 8. 相对寻址 其中，“LDR R1,[R0,#0x08]”属于基址寻址。 **(2) ARM指令的条件码有多少个？默认条件码是什么？** ARM指令支持16个条件码，每个条件码对应一种特定的执行条件，如EQ（等于）、NE（不等于）等。默认条件下，如果条件码没有指定，则默认条件码为AL（总是执行）。 **(3) ARM指令中的第2个操作数有哪几种形式？列举5个8位图立即数。** 第2个操作数可以是以下几种形式： 1. 常数表达式（8位图） 2. 寄存器方式 3. 寄存器移位方式 5个8位图立即数示例： - 0x3FC - 0x000 - 0xF0000000 - 200 (十六进制为0xC8) - 0xF0000001 **(4) LDR/STR指令的偏移形式有哪4种？LDRB指令和LDRSB指令有何区别？** LDR/STR指令的偏移形式包括： 1. 零偏移 2. 前索引偏移 3. 程序相对偏移 4. 后索引偏移 LDRB指令用于加载无符号字节数据，而LDRSB指令则用于加载有符号字节数据，并将其扩展为32位的值。 **(5) 请指出MOV指令与LDR加载指令的区别及用途？** - **MOV指令**：用于寄存器之间的数据传送，其源操作数可以是寄存器或常数值。 - **LDR指令**：用于存储器到寄存器的数据传送，其源操作数必须是内存地址。 **(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。** CMP指令通过比较两个操作数的值，并更新CPSR中的相应条件标志位来工作。下面是一个简单的示例程序： ```assembly CMP R1, #0x30 SUBGT R1, R1, #0x30 ``` 这里，`SUBGT`指令仅在R1大于0x30时执行减法操作。 **(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。** 在ARM指令集中，调用子程序一般使用BL指令，因为BL指令会在调用之前将返回地址保存到LR寄存器中。返回子程序的指令是： ```assembly MOV PC, R14 ``` **(8) 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**用于加载常数到寄存器中，其指令格式如下： ```assembly LDR{cond} Rd, =立即数/标号+立即数 ``` 与LDR加载指令相比，LDR伪指令的源操作数是一个常数或者标号加立即数的形式，而不是一个内存地址。