嵌入式系统设计大学教程 - 习题与解答(2)

5、嵌入式操作系统的发展经历了哪几个阶段？（P28）

答：嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展，大致经历了四个阶段：

第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。

第二阶段：以嵌人式CPU为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。由于CPU种类繁多，因此通用性比较差；系统开销小，效率高；具有一定的兼容性和扩展性；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。

第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段。以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统，能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（APl）；嵌入式应用软件丰富。

第四阶段：以基于Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。

6、现阶段常用的操作系统有哪些？通过调研，指出几种常用的嵌入式操作系统的特点是什么？常用在什么场合？（P28~29）

答：常用的嵌入式RTOS分三大类：商用系统、专用系统和开放系统。商品化的嵌入式实时操作系统，主要有WindRiver的Vxworks

和pSOS+，3Com的Palm OS以及Microsoft的Windows CE等。专用操作系统功能相对较弱，但针对性强，其安全可靠性大都超过普通商用系统，如应用于手机的嵌入式操作系统SymbianOS。开放系统的典型代表是嵌入式Linux和?C/OS-Ⅱ。

7、嵌入式操作系统的主要任务有哪些？（P28）

答：嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。

8、嵌入式系统的基本设计过程包括哪几个阶段？每一个阶段的主要工作有哪些？（P33）

答：以自顶向下的角度来看，系统设计包括五个阶段，从系统需求分析开始；第二步是规格说明，在这一步，我们对需设计的系统功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的组成；第三步是系统结构设计，在这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分；第四步是构件设计，它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电路设计；第五步是系统集成，在完成了所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出所需的完整系统。

9、需求分析阶段细分为哪几个步骤？每个步骤完成什么工作？（P34~35）

答：需求分析阶段可细分为四个阶段：

1、需求与规格说明：通过与客户进行交流，了解用户的意图，明确客户需求，整理成正式的规格说明，这些规格说明里包含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。

2、确认需求：确认这一系列的需求不仅需要理解什么是用户需要的，而且需要理解他们是如何表达这些需求的。

3、简单的需求表格：将复杂而费时的工作用相对少量的格式清晰、简单的需求表格来表示，在考虑系统基本特征时可以将这个表格作为检查表。

4、需求的内部一致性：在写完需求分析以后，应该对它们的内部一致性进行检查。

10、试通过各种渠道调查目前市场上主要有哪些嵌入式系统开发平台，它们各自有什么特点。 答：[略]

第3章 ARM体系结构及基于ARM9处理器的嵌入式系统硬件平台OMAP5912

1、试比较RISC和CISC体系结构的异同，为什么ARM内核要采用RISC体系结构？（P47）

答：ARM体系结构总的设计思路是在不牺牲性能的同时尽可能简化处理器。同时从体系结构的层面上支持灵活的处理器扩展。这种简化和开放的思路使ARM处理器采用了很简单的结构——精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）体系结构来进行实现。

传统的复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20％的指令会被反复使用，占整个程序代码的80％。而余下的80％的指令却不经常使用，在程序设计中只占20％，显然，这种结构是不太合理的。

基于以上的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC的概念。

RISC并非只是简单地去减少指令。RISC是一种设计思想，其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行、简单而有效的指令集。RISC的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度，因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此，RICS设计对编译

器有更高的要求；相反，传统的CISC则更侧重于硬件执行指令的功能性，使CISC指令变得更复杂。

2、简述ARM的设计思想及其与单纯的RISC定义的不同。（P48~49） 答：ARM内核并不是一个纯粹的RISC体系结构，这是为了使它能够更好地适应其主要应用领域——嵌入式系统。为了使ARM指令集能够更好地满足嵌入式应用的需要，ARM指令集和单纯的RISC定义有以下几个方面的不同：

? 一些特定的指令周期数可变——并不是所有的ARM指令都是单周期的。例如：多寄存器装载/存储的Load/Store指令的执行周期就是不确定的，必须根据被传送的寄存器个数来定。如果是访问连续的存储器地址，就可以改善性能，因为连续的内存访问通常比随机访问要快；同时，代码密度也得到了提高，因为在函数的起始和结尾，多个寄存器的传输是很常用的操作。

? 内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令——内嵌桶形移位器是一个硬件部件，在一个输入寄存器被一条指令使用之前，内嵌桶形移位器可以处理该寄存器中的数据。它扩展了许多指令的功能，以此改善了内核性能，提高了代码密度。

? Thumb 16位指令集——ARM内核增加了一套称之为Thumb指令的16位指令集，使得内核既能够执行16位指令，也能够执行32位指令，从而增强了ARM内核的功能。16位指令与

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