2025年大學(xué)嵌入式系統(tǒng)原理期末試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種處理器架構(gòu)常用于嵌入式系統(tǒng)？（）A.x86B.ARMC.PowerPCD.以上都是答案：D。x86架構(gòu)在工業(yè)控制等嵌入式領(lǐng)域有應(yīng)用；ARM架構(gòu)憑借低功耗、高性能廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等眾多嵌入式場景；PowerPC曾在蘋果早期設(shè)備及一些工業(yè)、航空航天等嵌入式系統(tǒng)中使用，所以以上架構(gòu)都常用于嵌入式系統(tǒng)。2.嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的主要特點(diǎn)是（）A.高吞吐量B.實(shí)時(shí)響應(yīng)C.多用戶支持D.圖形化界面答案：B。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心特點(diǎn)是能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對外部事件做出響應(yīng)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而高吞吐量一般不是RTOS最突出的特點(diǎn)；多用戶支持常見于通用操作系統(tǒng)；圖形化界面也不是RTOS的主要特性。3.在ARM匯編語言中，以下哪個(gè)指令用于數(shù)據(jù)傳送？（）A.ADDB.MOVC.SUBD.CMP答案：B。MOV指令用于在寄存器之間或寄存器與立即數(shù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；ADD是加法指令；SUB是減法指令；CMP是比較指令。4.嵌入式系統(tǒng)中，中斷服務(wù)程序（ISR）的執(zhí)行過程中，通常會(huì)（）A.禁止所有中斷B.允許所有中斷C.只允許高優(yōu)先級中斷D.只允許低優(yōu)先級中斷答案：C。在中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)，一般為了避免中斷嵌套導(dǎo)致系統(tǒng)混亂，會(huì)禁止同級或低優(yōu)先級中斷，但允許高優(yōu)先級中斷，以保證高優(yōu)先級事件能及時(shí)得到處理。5.下列哪個(gè)不是嵌入式系統(tǒng)的硬件組成部分？（）A.處理器B.操作系統(tǒng)C.存儲(chǔ)器D.輸入輸出設(shè)備答案：B。操作系統(tǒng)屬于嵌入式系統(tǒng)的軟件部分，而處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備是構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的基本組成部分。6.在嵌入式系統(tǒng)中，SPI總線是一種（）A.并行總線B.串行總線C.異步總線D.模擬總線答案：B。SPI（SerialPeripheralInterface）即串行外設(shè)接口，是一種高速、全雙工、同步的串行通信總線。7.以下哪種方法可用于嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試？（）A.示波器觀察B.邏輯分析儀分析C.JTAG調(diào)試D.以上都是答案：D。示波器可用于觀察信號的波形、頻率等參數(shù)；邏輯分析儀能對數(shù)字信號進(jìn)行分析；JTAG（JointTestActionGroup）是一種常用的嵌入式系統(tǒng)調(diào)試接口，可實(shí)現(xiàn)對芯片內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器的訪問，所以以上方法都可用于嵌入式系統(tǒng)調(diào)試。8.嵌入式系統(tǒng)的Bootloader的主要功能是（）A.加載操作系統(tǒng)B.實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)C.提供圖形界面D.管理內(nèi)存答案：A。Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序，其主要功能是初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備，也就是加載操作系統(tǒng)。9.在ARMCortexM系列處理器中，NVIC是指（）A.嵌套向量中斷控制器B.內(nèi)存管理單元C.直接內(nèi)存訪問控制器D.通用輸入輸出端口答案：A。NVIC（NestedVectoredInterruptController）即嵌套向量中斷控制器，用于管理ARMCortexM系列處理器的中斷。10.嵌入式系統(tǒng)中，GPIO端口的主要作用是（）A.實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸B.連接外部設(shè)備C.處理音頻信號D.進(jìn)行圖形處理答案：B。GPIO（GeneralPurposeInput/Output）即通用輸入輸出端口，可通過軟件配置為輸入或輸出模式，用于連接各種外部設(shè)備，如按鍵、LED等。二、填空題（每題2分，共20分）1.嵌入式系統(tǒng)是一種以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2.ARM處理器有7種運(yùn)行模式，分別為用戶模式、快中斷模式、中斷模式、管理模式、中止模式、未定義指令異常模式和系統(tǒng)模式。3.在嵌入式系統(tǒng)中，常見的操作系統(tǒng)有Linux、uC/OSII、VxWorks等。4.嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，電源管理模塊的主要作用是為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定的電源，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。5.SPI總線通常由時(shí)鐘線（SCK）、主輸出從輸入線（MOSI）、主輸入從輸出線（MISO）和片選線（SS）四條線組成。6.中斷處理過程一般包括中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回四個(gè)階段。7.在ARM匯編中，寄存器R13通常用作堆棧指針（SP）。8.嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程一般包括需求分析、設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試和測試等階段。9.I2C總線是一種兩線式串行總線，由數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCL）組成。10.嵌入式系統(tǒng)中，DMA（直接內(nèi)存訪問）的主要優(yōu)點(diǎn)是在不占用CPU資源的情況下實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。三、簡答題（每題10分，共30分）1.簡述嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)。答：嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：專用性強(qiáng)：嵌入式系統(tǒng)是為特定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其軟硬件都是針對具體的應(yīng)用需求進(jìn)行裁剪和優(yōu)化，以滿足特定功能的要求。例如，智能手環(huán)主要用于健康監(jiān)測，其系統(tǒng)功能和硬件配置都是圍繞這一應(yīng)用展開的。資源受限：通常在體積、功耗、處理能力和存儲(chǔ)容量等方面受到限制。為了降低成本和功耗，嵌入式系統(tǒng)的處理器性能、內(nèi)存和存儲(chǔ)容量往往比通用計(jì)算機(jī)小。比如，一些物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器性能較低，內(nèi)存也只有幾KB到幾十KB。實(shí)時(shí)性要求高：很多嵌入式系統(tǒng)需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對外部事件做出響應(yīng)，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如，汽車的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）必須在極短的時(shí)間內(nèi)對車輪的轉(zhuǎn)速變化做出反應(yīng)，否則可能導(dǎo)致剎車失靈?？煽啃愿撸涸谝恍╆P(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，如航空航天、醫(yī)療設(shè)備等，嵌入式系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。系統(tǒng)需要能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，具備容錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，以避免因系統(tǒng)故障而造成嚴(yán)重后果。軟硬件緊密結(jié)合：嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件是相互依存、緊密結(jié)合的。軟件直接控制硬件的運(yùn)行，硬件為軟件提供運(yùn)行平臺(tái)。為了提高系統(tǒng)的性能和效率，往往需要對軟硬件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和優(yōu)化。開發(fā)難度大：開發(fā)嵌入式系統(tǒng)需要同時(shí)掌握硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)知識，并且要熟悉特定的開發(fā)工具和調(diào)試方法。此外，由于資源受限，開發(fā)過程中需要對代碼進(jìn)行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能和效率。2.說明ARM處理器的異常處理機(jī)制。答：ARM處理器的異常處理機(jī)制是其保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的重要組成部分，主要包括以下幾個(gè)方面：異常類型：ARM處理器有多種異常類型，如復(fù)位（Reset）、未定義指令異常（UndefinedInstruction）、軟件中斷（SWI）、預(yù)取中止（PrefetchAbort）、數(shù)據(jù)中止（DataAbort）、快速中斷請求（FIQ）和中斷請求（IRQ）。每種異常都有其特定的觸發(fā)條件，例如復(fù)位異常在系統(tǒng)上電或復(fù)位引腳有效時(shí)觸發(fā)；未定義指令異常在執(zhí)行未定義的指令時(shí)觸發(fā)。異常向量表：ARM處理器在內(nèi)存的低地址區(qū)域（0x000000000x0000001C）定義了異常向量表，每個(gè)異常對應(yīng)一個(gè)固定的內(nèi)存地址，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，處理器會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常向量地址處執(zhí)行代碼。例如，復(fù)位異常的向量地址是0x00000000，中斷請求（IRQ）的向量地址是0x00000018。異常響應(yīng)過程：當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，處理器會(huì)執(zhí)行以下操作：保存當(dāng)前處理器狀態(tài)：將當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）的值保存到相應(yīng)異常模式下的程序狀態(tài)保存寄存器（SPSR）中。修改處理器模式：根據(jù)異常類型，將處理器切換到相應(yīng)的異常模式。例如，發(fā)生中斷請求時(shí)，處理器會(huì)切換到中斷模式。保存返回地址：將當(dāng)前程序計(jì)數(shù)器（PC）的值減去一個(gè)偏移量（根據(jù)異常類型而定）后保存到相應(yīng)異常模式下的鏈接寄存器（LR）中，以便異常處理結(jié)束后能正確返回。跳轉(zhuǎn)到異常向量地址：處理器將異常向量地址加載到PC中，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程序入口。異常處理程序：在異常向量地址處，通常存放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到具體的異常處理程序。異常處理程序負(fù)責(zé)處理異常事件，如讀取中斷源、清除中斷標(biāo)志等。處理完成后，需要進(jìn)行異常返回操作。異常返回：異常處理程序結(jié)束時(shí)，會(huì)將SPSR的值恢復(fù)到CPSR中，將LR的值恢復(fù)到PC中，從而使處理器返回到異常發(fā)生前的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行程序。3.比較UART、SPI和I2C三種串行通信總線的特點(diǎn)。答：UART、SPI和I2C是嵌入式系統(tǒng)中常用的三種串行通信總線，它們的特點(diǎn)比較如下：通信方式UART：通用異步收發(fā)傳輸器（UART）是一種異步串行通信方式，通信雙方不需要共享時(shí)鐘信號，通過約定好的波特率來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位進(jìn)行傳輸，每個(gè)字節(jié)前面有一個(gè)起始位，后面有一個(gè)或多個(gè)停止位，中間可以有奇偶校驗(yàn)位。SPI：串行外設(shè)接口（SPI）是一種同步串行通信方式，通信雙方通過共享時(shí)鐘信號（SCK）來同步數(shù)據(jù)傳輸。SPI采用主從模式，一個(gè)主設(shè)備可以連接多個(gè)從設(shè)備，通過片選線（SS）來選擇要通信的從設(shè)備。I2C：集成電路總線（I2C）也是一種同步串行通信方式，采用主從架構(gòu)，通過兩根線（數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL）實(shí)現(xiàn)多主多從的通信。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，主設(shè)備通過地址來選擇要通信的從設(shè)備。傳輸速率UART：傳輸速率相對較低，常見的波特率有9600bps、115200bps等。由于是異步通信，需要額外的起始位、停止位和校驗(yàn)位，所以數(shù)據(jù)傳輸效率相對較低。SPI：傳輸速率較高，可以達(dá)到幾十Mbps甚至更高。SPI采用全雙工通信方式，并且沒有額外的起始位和停止位，數(shù)據(jù)傳輸效率高。I2C：傳輸速率一般在幾百Kbps到幾Mbps之間。I2C采用半雙工通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率相對SPI較低。硬件復(fù)雜度UART：硬件實(shí)現(xiàn)相對簡單，只需要兩根線（發(fā)送線TX和接收線RX）即可實(shí)現(xiàn)通信。但是由于是異步通信，需要在軟件上進(jìn)行復(fù)雜的波特率設(shè)置和數(shù)據(jù)幀解析。SPI：硬件復(fù)雜度適中，需要時(shí)鐘線（SCK）、主輸出從輸入線（MOSI）、主輸入從輸出線（MISO）和片選線（SS）。對于多個(gè)從設(shè)備，需要多個(gè)片選線來進(jìn)行選擇。I2C：硬件復(fù)雜度較低，只需要兩根線（SDA和SCL），并且可以通過設(shè)備地址來選擇多個(gè)從設(shè)備，減少了硬件連線。應(yīng)用場景UART：常用于與計(jì)算機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備進(jìn)行通信，也可用于一些對傳輸速率要求不高的設(shè)備之間的通信，如傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。SPI：適用于對傳輸速率要求較高、數(shù)據(jù)量較大的場合，如與Flash存儲(chǔ)器、LCD顯示屏等設(shè)備的通信。I2C：常用于連接多個(gè)低速設(shè)備，如溫度傳感器、EEPROM等，在一些需要多設(shè)備通信的系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。四、編程題（每題15分，共30分）1.用ARM匯編語言編寫一個(gè)程序，實(shí)現(xiàn)將兩個(gè)32位寄存器R0和R1中的數(shù)據(jù)相加，結(jié)果存放在R2中。```asmAREAAddExample,CODE,READONLYENTRYMOVR0,0x12345678;將0x12345678賦值給R0MOVR1,0x87654321;將0x87654321賦值給R1ADDR2,R0,R1;R2=R0+R1B.;程序無限循環(huán)END```解釋：首先使用`AREA`偽指令定義一個(gè)代碼段`AddExample`，并設(shè)置為只讀。`ENTRY`表示程序的入口點(diǎn)。`MOV`指令分別將兩個(gè)32位的立即數(shù)賦值給R0和R1。`ADD`指令將R0和R1中的數(shù)據(jù)相加，結(jié)果存放在R2中。最后，`B.`指令使程序進(jìn)入無限循環(huán)，防止程序跑飛。2.用C語言編寫一個(gè)簡單的嵌入式系統(tǒng)程序，通過GPIO端口控制一個(gè)LED的亮滅，假設(shè)LED連接到GPIO端口的第3位，并且該GPIO端口的基地址為0x40000000。```cinclude<stdint.h>defineGPIO_BASE_ADDR0x40000000defineGPIO_DATA_REG(((volatileuint32_t)(GPIO_BASE_ADDR+0x00)))defineGPIO_DIR_REG(((volatileuint32_t)(GPIO_BASE_ADDR+0x04)))voiddelay(uint32_tcount){for(uint32_ti=0;i<count;i++);}intmain(void){//設(shè)置GPIO端口第3位為輸出模式GPIO_DIR_REG|=(1<<3);while(1){//點(diǎn)亮LEDGPIO_DATA_REG|=(1<<3);delay(1000000);//延時(shí)//熄滅LED