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嵌入式复习

发布时间 2024-01-07 21:52:11作者: PlutoWan

第一章课后习题

1. 简要总结嵌入式系统的定义、由来、分类及特点（P6-11）

嵌入式系统是指嵌入于其他设备或系统中的计算机系统，它通常被用于控制、监视或执行特定的功能。嵌入式系统通常包括处理器、存储器、输入/输出接口以及特定的软件，用于满足特定的应用需求。

嵌入式系统的由来可以追溯到20世纪60年代末，当时随着集成电路技术的发展，微处理器的出现使得计算机系统能够被嵌入到各种设备中。从此之后，嵌入式系统广泛应用于汽车、家电、工业控制、医疗设备等各种领域。

嵌入式系统可以根据其用途和性能要求进行分类，包括实时嵌入式系统、嵌入式操作系统、网络嵌入式系统等。根据应用领域的不同，嵌入式系统还可分为汽车嵌入式系统、工业控制嵌入式系统、消费类电子产品嵌入式系统等。

嵌入式系统的特点包括：稳定性和可靠性要求高，通常需要长时间连续运行；对资源的要求严格，包括处理器性能、存储器容量、能耗等；针对特定应用需求进行优化，通常具有高度定制化；通常需要考虑实时性，特别是对于实时嵌入式系统；体积小巧、功耗低，适合嵌入在各种设备中。

2.归纳嵌入式系统的学习困惑，简要说明如何消除这些困惑（P11-14）

学习嵌入式系统可能会导致以下困惑：

  1. 复杂的硬件和软件交互：学习者可能会感到困惑，因为需要同时理解硬件和软件之间的交互，并掌握底层系统编程的技能。
  2. 实时系统设计：理解和设计实时系统可能是一个挑战，因为需要考虑时间约束、任务调度和响应性能。
  3. 多样化的应用领域：嵌入式系统应用于多个领域，每个领域都有特定的要求和挑战，这可能让学习者感到困惑。

要消除这些困惑，可以采取以下方法：

  1. 学习适当的理论知识：深入理解计算机体系结构、嵌入式系统设计原理和实时系统原理等的基本概念，掌握底层硬件与嵌入式软件之间的交互原理。
  2. 实践项目经验：通过参与实际的嵌入式系统项目，如基于微控制器的开发板实验、传感器控制系统设计等，积累项目经验，加深对实际系统开发的理解。
  3. 学习指导：寻求嵌入式系统领域的专业指导和教学资源，可以通过参加课程、阅读相关教材和与领域专家交流等方式来获取知识。
  4. 深入研究应用领域：了解特定领域的嵌入式系统应用案例，如汽车电子、智能家居、工业自动化等，从实际应用中学习经验和解决方案。

3.简要归纳嵌入式系统的知识体系（P14-17）

  1. 计算机体系结构和硬件知识：理解处理器架构、内存管理、总线结构、外设接口等相关硬件知识。
  2. 嵌入式系统设计原理：包括嵌入式系统的设计原则、嵌入式系统的特点、实时操作系统的设计原理等。
  3. 实时系统理论：了解实时系统的概念、实时任务调度算法、实时操作系统的特点及设计方法。
  4. 嵌入式软件开发：掌握嵌入式软件开发的相关编程语言（如C、C++、汇编语言）、嵌入式操作系统（如FreeRTOS、uC/OS等）的使用和嵌入式软件调试技术。
  5. 嵌入式系统架构：了解嵌入式系统的传感器、执行器、通信接口等硬件组件的选择和使用。
  6. 嵌入式系统通信协议：掌握常见的嵌入式系统通信协议，如UART、SPI、I2C、CAN等。
  7. 低功耗设计：了解嵌入式系统的低功耗设计原则和技术，以满足嵌入式系统对功耗的要求。
  8. 嵌入式系统安全：了解嵌入式系统安全领域的相关知识，包括嵌入式系统安全威胁、安全设计原则、安全算法等。
  9. 实际应用领域：深入研究特定的应用领域，如汽车电子、智能家居、工业自动化等领域的嵌入式系统设计原则和技术。

4.简要给出MCU的定义及典型内部框图（P17）

MCU的基本含义是：在一块芯片内集成了中央处理器、存储器、定时器/计数器及多种输入输出接口的比较完整的数字处理系统。

5.简要比较CPU、MCU、MAP（P20、24）

  1. 计算能力：CPU通常具有较高的计算能力，适用于复杂的通用计算任务；MCU通常具有较低的计算能力，适用于对计算能力要求不高的实时控制任务；MPU介于两者之间。
  2. 外围设备集成：MCU通常在单芯片上集成了丰富的外围设备，如模拟数字转换器（ADC）、定时器、通信接口等，而CPU和MPU通常需要外部芯片支持。
  3. 成本和功耗：MCU通常具有低成本和低功耗的特点，适用于对成本和功耗有严格要求的场景；CPU和MPU通常具有较高的成本和功耗，适用于对性能要求较高的场景。

第二章课后习题

1.指令保留字简表（P30）、伪运算符（P43）

2.冯诺依曼架构和哈佛架构

冯诺依曼架构：

  1. 冯诺依曼架构使用统一的存储器来存储指令和数据，指令和数据共用同一条总线传输。
  2. 这种结构的特点是指令和数据存储在同一块内存中，指令和数据采用相同的地址总线和数据总线进行传输。
  3. 冯诺依曼架构的优点是灵活，存储器利用率高，但其缺点是在数据和指令并行传输时会有瓶颈，因此可能影响性能。

哈佛架构：

  1. 哈佛架构使用独立的指令存储器和数据存储器，指令和数据使用不同的总线传输。
  2. 这种结构的特点是指令和数据分别存储在不同的存储器中，它们使用独立的地址总线和数据总线进行传输。
  3. 哈佛架构的优点是可以同时进行指令和数据的读取，因此有更好的并行性，能够提高系统的性能。

3.说明全局变量、局部变量、常数和程序机器码的存储特征

1.全局变量，也称为外部变量，使用静态存储方式保存，保存在内存的全局 存储区中。在程序开始执行时给全局变量分配存储区，程序行完毕就释放。在 程序执行过程中它们占据固定的存储单元，占用永久性的静态存储单元；

2.函数中的局部变量，如不专门声明，都是动态地分配存储空间的，数据存 储在动态存储区中，只有在所在函数被调用时才由系统动态在栈中分配临时性 的存储单元，在函数调用结束时就自动释放这些存储空间。有时希望函数中的 局部变量的值在函数调用结束后不消失而保留原值，这时就应该指定局部变量 为“静态局部变量”，静态局部变量属于静态存储类别，在静态存储区内分配存 储单元。在程序整个运行期间都不释放。

3.常数保存在文字常量区中，这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的 是常量，不允许修改，程序结束后，由系统释放。

4.程序机器码保存在程序代码区，用于保存函数体的二进制代码。

4.M4微处理器有哪些寄存器？作用分别是什么（P31）

1）直接寻址

操作数来自存储单元，指令中直接给出存储单元地址。指令码中显示给出数据的位数，有字（4字节）、半字（2字节）、单字节三种情况。

2）寄存器寻址

寄存器寻址是指将操作数从寄存器中获取，这种寻址方式适用于需要频繁使用的数据和临时变量。

3）立即数寻址

立即数直接编码在指令中，该寻址方式主要适用于常量操作数。由于立即数直接编码在指令中，指令长度相对较短，可以节省存储器空间，提高执行效率。

4）偏移寻址及寄存器间接寻址

偏移寻址：偏移寻址是指将操作数的地址与偏移量相加来获取最终的地址。偏移量可以是一个立即数或者是一个存储在寄存器中的值。这种寻址方式适用于需要在操作数地址上进行相对偏移的情况。寄存器间接寻址：寄存器间接寻址是指将操作数的地址存储在一个寄存器中，通过间接引用寄存器来获取最终的地址。这种寻址方式适用于需要通过寄存器动态地引用内存地址的情况。

5.调用子程序是用B还是BL指令？请写出返回子程序的指令

在 ARM 汇编语言中，用于调用子程序的指令通常使用 BL（Branch with Link）指令。这个指令会将返回地址保存在链接寄存器（LR）中，并跳转到指定的子程序地址。

当子程序执行完毕需要返回时，可以使用 BX LR 指令来返回到调用子程序的地址。这条指令会跳转到链接寄存器中保存的地址，实现了从子程序返回到调用子程序的过程。

6.举例说明运算指令与伪运算符的本质区别

  1. 运算指令：
    • 运算指令是由处理器直接执行的指令，用于进行算术运算、逻辑运算等操作。
    • 例如，在 ARM 汇编语言中，ADD 指令用于执行加法操作，SUB 指令用于执行减法操作，这些指令由处理器执行，会对寄存器或内存中的数据进行实际的算术运算。
  2. 伪指令（伪运算符）：
    • 伪指令并不是由处理器直接执行的指令，而是由汇编器处理的指令，用于定义符号、设置程序起始地址、预处理等。
    • 例如，在 ARM 汇编语言中，EQU 伪指令用于定义符号常量，DCB 伪指令用于定义字节型数据，这些指令并不由处理器执行，而是在汇编阶段被转换为实际的机器码或数据。

第三章课后习题

1.中断的定义是什么？什么是内核中断？什么是非内核中断？给出所学MCU芯片的中断个数（P50）

中断是指处理器在执行程序过程中，根据外部设备的请求或者其他特定事件发生而打断当前程序执行的一种机制。当发生中断时，处理器会立即停止当前执行的指令，保存当前状态并转去执行中断服务程序，处理完中断后再返回到被打断的程序继续执行。

内核中断和非内核中断是针对操作系统内核的中断处理方式的概念：

  1. 内核中断（也称为特权模式中断）：
    • 内核中断是指在操作系统内核执行期间发生的中断。内核拥有较高的优先级和特权级别，可以访问系统资源和执行特权指令。内核中断通常用于处理与操作系统核心功能相关的事件，如系统调用、时钟中断等。
  2. 非内核中断（也称为用户模式中断）：
    • 非内核中断是指在用户程序执行期间发生的中断。用户程序运行在较低的特权级别，无法直接访问系统资源和执行特权指令。非内核中断通常用于处理用户程序与外部设备或其他用户程序之间的交互，如IO中断、定时器中断等。

2.什么是芯片的硬件最小系统，它由哪几个部分组成？简要阐述各部分技术要点（P53-55）

芯片的硬件最小系统是指可使内部程序得以运行的、规范的、可复用的核心构件系统，由电源、晶振、复位、写入调试器接口等组成。

  1. 电源及其滤波电路：用于提供足够的电流容量，外接适当的滤波电容用于抑制电源波动，电源滤波电路可以改善系统的电磁兼容性、降低电源波动对系统的影响、增强电路工作的稳定性。

  2. 复位引脚：若复位引脚有效（低电平）则MCU复位，复位引脚内部的上拉电阻外部悬空则上电时引脚为低电平随后为高电平。

  3. 晶振电路：提供计算机工作时需要的时间基准。

  4. SWD接口引脚：芯片内部没有程序时，需要用写入器将程序写入芯片，SWD接口提供最大的灵活性、实现程序的下载和调试功能。

3.若不用MCU芯片的引脚直接控制LED三色灯，给出MCU引脚通过三极管控制LED三色灯的电路

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第四章课后习题

1.从寄存器角度对GPIO编程，GPIO的输出有推挽输出与开漏输出两个类型，说明其应用场合。基础的GPIO构件中，默认是什么输出类型。

  1. 推挽输出（Push-Pull Output）：
    • 推挽输出的GPIO引脚具有两种状态：高电平状态和低电平状态。
    • 在高电平状态时，输出引脚连接到正电源（Vcc），提供高电平信号。
    • 在低电平状态时，输出引脚连接到地，提供低电平信号。
    • 推挽输出适合驱动大部分逻辑电路和数字电路的输入，也可以驱动绝大多数的显示器件和LED。
  2. 开漏输出（Open-Drain Output）：
    • 开漏输出的GPIO引脚只能提供低电平信号，而不能提供高电平信号。
    • 开漏输出在输出低电平时，输出引脚为低电平，但在输出高电平时，输出引脚并不输出高电平信号，而是处于高阻态，需要外部上拉电阻来提供高电平信号。
    • 开漏输出通常用于与其他器件共享总线的情况，如I2C总线，可以通过多个器件共享同一根总线，由于开漏输出只负责输出低电平，因此不会产生总线冲突。

在基础的GPIO构件中，默认的输出类型取决于特定的MCU，通常默认是推挽输出。

2.从寄存器角度对GPIO编程，GPIO的输出有输出速度问题，为什么封装基础构件时，不把输出速度作为形式参数？

  1. 灵活性和可移植性：将输出速度作为形式参数会增加构件的复杂性，降低代码的可读性和可维护性。更灵活的做法是在具体使用时通过寄存器的设置来实现输出速度的调整。这样更好地适应了不同的应用场景和硬件平台。
  2. 硬件依赖：输出速度通常是受硬件设计的限制的，不同的芯片、不同的引脚，其输出速度的定义和能力也是不同的。将输出速度作为形式参数会使得构件的移植变得更加困难，需要针对不同的硬件平台进行复杂的适配。
  3. 不同的功能需求：在实际的应用中，有些场景可能更加关注输出速度，而有些场景可能并不那么重要。将输出速度作为形式参数限制了构件在不同场景下的灵活性，增加了额外的开发和维护成本。

3.阐述GPIO的基本含义并给出GPIO构件的初始化函数原型

P64

P81-83

4.什么叫上拉电阻？它的作用是什么？如何选择上拉电阻的阻值？在哪些情况下使用上拉电阻?(P65)

若MCU的某个引脚通过一个电阻接到电源上，这个电阻就被称为上拉电阻。

上拉电阻的作用：

1、当 TTL 电路驱动 CMOS 电路时，如果电路输出的高电 平低于 CMOS 电路的最低高电平(一般为 3.5V)， 这时就需要在 TTL 的输出端接 上拉电阻，以提高输出高电平的值。

2、OC 门电路必须使用上拉电阻，以提高 输出的高电平值。

3、为增强输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用 上拉电阻。

4、在 CMOS 芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空， 一般接上拉电阻以降低输入阻抗， 提供泄荷通路。

5、芯片的管脚加上拉电阻 来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限，增强抗干扰能力。

6、提 高总线的抗电磁干扰能力，管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

7、长线 传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上、下拉电阻是电阻匹配，有效的 抑制反射波干扰。

上拉电阻阻值的选择原则包括：

1、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应 当足够大;电阻大，电流小。

2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小;电阻小， 电流大。

3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。综合考虑以上三 点,通常在 1k 到 10k 之间选取。

在哪些情况下使用：一般作单键触发使用时，如果 IC 本身没有内接电阻， 为了使单键维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态，必须在 IC 外部另接 一电阻。数字电路有三种状态：高电平、低电平、和高阻状态，有些应用场合 不希望出现高阻状态，可以通过上拉电阻或下拉电阻的方式使处于稳定状态。

5.阅读如下 GPIO 构件初始化函数模型，并将空格内容补充完整（P84）

第五章课后习题

1.简述嵌入式硬件构件概念及嵌入式硬件构件分类（P94）

嵌入式硬件构件是将一个或多个硬件功能模块、支撑电路及其功能描述封装成一个可重用的硬件实体，并提供一系列规范的输入输出接口。

根据接口之间的生产消费关系，接口可分为供给接口和需求接口两类。根据所拥有接口类型的不同，硬件构件分为核心构件、中间构件、终端构件三类。核心构件只有供给接口，没有需求接口，只为其他硬件构件提供服务而不接受服务，如芯片硬件的最小系统；中间构件既有供给接口，也有需求接口，可以提供服务也可以接受服务，如电源控制构件、232电平转换构件；终端构件只有需求接口，它只接受其他构件提供的服务，如LCD构件、LED构件、键盘构件。

2.简述核心构件、中间构件、终端构件的含义及设计规则（P95）

  1. 核心构件（Core Component）：
    • 核心构件是软件系统中最基本和最核心的构件，负责实现系统的基本功能和架构，是整个系统的基础。核心构件通常是不依赖于其他构件的，是其他构件的提供者。
    • 设计规则：核心构件应该尽可能简单、稳定、高内聚，低耦合，避免包含过多的细节和实现，同时需要提供良好的接口和抽象，以便其他构件可以方便地使用。
  2. 中间构件（Intermediate Component）：
    • 中间构件位于核心构件和终端构件之间，起到连接和协调的作用，或者是对核心构件的进一步封装。中间构件既提供服务给其他构件，也会依赖于其他构件提供的服务。
    • 设计规则：中间构件应该具有良好的灵活性和适应性，能够适应不同的使用场景，同时也需要符合高内聚、低耦合的设计原则，以便于维护和扩展。
  3. 终端构件（Terminal Component）：
    • 终端构件是软件系统中最终的用户接口或者是提供服务的终端实现。终端构件通常是依赖于其他构件的，作为用户实际使用的部分。
    • 设计规则：终端构件需要具有良好的用户体验、可用性和性能，同时也需要与其他构件保持良好的交互和协作，以便实现系统的整体目标。

3.简述嵌入式底层驱动构件的基本内涵（P97）

简称底层驱动构件或硬件驱动构件，是直接面向硬件操作的程序代码和函数接口的使用说明。规范的底层驱动构件由头文件和源程序文件构成，头文件应该是底层驱动构件简明并且完备的使用说明。

4.在设计嵌入式底层驱动构件时，其对外接口函数设计的基本原则有哪些（P100-101）

封装性、描述性、可移植性、可复用性的基本要求，层次化、易用性、鲁棒性及对内存的可靠实用原则。

5.举例说明在什么情况下使用宏定义

  1. 定义常量：宏定义可以用来定义程序中的常量，比如定义数值常量、错误码常量、标志位等。例如：

    #define PI 3.14159
#define ERROR_FILE_NOT_FOUND 1
#define FLAG_ACTIVE 0x01

  2. 简化代码：宏定义可以用来简化代码，尤其是对于一些复杂、重复的操作或者表达式。比如定义一个计算立方的宏：

    #define CUBE(x) ((x) * (x) * (x))

    这样就可以通过 CUBE(5) 来获得 5 的立方，避免了重复输入 (5) * (5) * (5)。

  3. 调试输出：宏定义可以用来实现调试输出功能，通常在调试阶段开启，发布版本时关闭。例如：

    #ifdef DEBUG
#define DEBUG_PRINT(x)  Serial.print(x)
#else
#define DEBUG_PRINT(x)
#endif

  4. 平台相关代码：宏定义可以用来区分不同的平台或者操作系统，从而实现跨平台的代码编写。例如：

    #ifdef _WIN32
// Windows平台下的特定代码
#endif
#ifdef __linux__
// Linux平台下的特定代码
#endif

  5. 条件编译：宏定义可以用来进行条件编译，根据不同的条件编译不同的代码。例如：

    #define FEATURE_A
#ifdef FEATURE_A
// Feature A 相关的代码
#else
// 其他情况下的代码
#endif

6.举例说明底层构件的移植方法

假设我们有一个基于ARM Cortex-M系列的嵌入式系统，使用Keil MDK开发的UART底层驱动构件，现在需要将这个UART驱动移植到一个新的硬件平台，例如基于Raspberry Pi的Linux系统。

  1. 确定平台差异：首先需要了解目标平台与原始平台之间的硬件和操作系统的差异，例如，Raspberry Pi可能使用不同的ARM芯片，具有不同的外设和I/O接口，运行不同的Linux内核等。
  2. 修改底层驱动：在了解了平台差异后，需要修改底层驱动的代码，以适应新的硬件和操作系统环境。这可能涉及到对寄存器配置、时钟设置、中断处理等方面的修改。
  3. 重写硬件相关部分：如果目标平台的硬件架构与原始平台有较大差异，可能需要重写底层驱动的硬件相关部分，以满足新平台的特定要求。
  4. 适配操作系统：如果原始平台使用了特定的操作系统接口，而目标平台具有不同的操作系统，可能需要对驱动进行适配，确保其能够在新的操作系统上正常工作。
  5. 编译与调试：对修改后的底层驱动进行编译，并将其集成到新的系统中。然后进行调试，确保驱动在新平台上能够正确工作。

7.驱动程序的开发在嵌入式系统中具有重要地位，根据自己的理解解释底层驱动构件开发的基本思想（P110）

嵌入式底层驱动构件时直接面向硬件操作的程序代码及使用说明。规范的底层驱动构件由头文件及源程序文件构成，头文件是底层驱动构件简明且完备的使用说明，即在不查看源程序文件情况下，就能够完全使用该构件进行上一层程序的开发，这也是设计底层驱动构件最值得遵循的原则。

在设计实现驱动构件的源程序文件时，需要合理设计外接口函数与内部函数。外接口函数供上层应用程序调用，其头注释需要完整表述函数名、函数功能、入口参数、函数返回值、使用说明、函数适用范围等信息，以增强程序的可读性。在具体代码实现时，严格禁止使用全局变量。

第六章课后习题

1.阐述 UART 的基本知识要素。设波特率为 9600，使用NRZ格式的8个数据位、没有校验位、1 个开始位、1 个停止位，传输100K 字节的文件最少需要多少时间?

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种常见的串行通信协议，常用于嵌入式系统和外部设备之间的通信。它有以下基本知识要素：

  1. 波特率（Baud Rate）：指的是每秒传输的比特数，即传输速率。在这个问题中，波特率为 9600，表示每秒传输9600位数据。
  2. 传输格式：在这个问题中，使用 NRZ（Non-Return-to-Zero）格式，即非归零传输格式，每个数据位以高电平或低电平表示，没有中间状态。
  3. 数据位：每个数据帧包括 8 位数据。
  4. 校验位：在这个问题中，并没有校验位。
  5. 开始位和停止位：每个数据帧包括 1 个开始位和 1 个停止位，用于标识数据帧的开始和结束。

数据量：100KB*1024=102400字节；

位数：10位

102400*10/9600 = 106.67s

2.利用PC的USB和MCU之间进行串行通信，为什么要进行电平转换？

  1. 电压兼容性：PC的USB接口通常使用的是5V逻辑电平（或者3.3V），而许多MCU采用的是3.3V或更低的逻辑电平。如果直接连接这两者，可能会导致信号电平不匹配，造成通信错误或者对MCU的损坏。
  2. 保护MCU：直接连接PC的USB信号到MCU，可能会存在电压过高的风险，对MCU产生损害。通过进行适当的电平转换，可以保护MCU免受过高电压的影响。
  3. 确保信号质量：进行电平转换可以确保信号传输的质量和稳定性，避免传输中产生噪音，提高通信的可靠性。

3.简要给出ARM Cortex-M4中断编程的基本知识要素，以串口通信的接受终端编程为例加以说明

  1. 中断向量表：在ARM Cortex-M4中，中断向量表是一个保存中断处理函数地址的数据结构。当一个中断发生时，处理器会根据中断号在中断向量表中查找对应的中断处理函数的地址，并跳转到该地址处执行中断处理。
  2. 中断处理函数的注册与编写：需要编写串口接收中断的处理函数，并将其注册到中断向量表中对应的位置。在处理函数中，通常会读取串口接收寄存器中的数据，并进行相应的处理。
  3. 中断优先级设置：ARM Cortex-M4支持多级中断优先级，可以通过设置中断优先级来决定不同中断的处理顺序。在串口接收中断编程中，通常要考虑串口接收中断与其他中断的优先级关系，以确保数据的有效接收。
  4. 中断使能：在进行中断编程时，需要在代码中显式地启用或禁用相应的中断，以确保处理器能够响应特定的中断事件。

以串口通信的接收中断编程为例，假设我们要在ARM Cortex-M4上实现串口接收功能，可以按照以下步骤进行中断编程：

  1. 编写串口接收中断处理函数：在中断处理函数中，读取串口接收寄存器中的数据，并进行相应的处理，例如存储收到的数据或者触发其他相关操作。
  2. 将中断处理函数的地址注册到中断向量表中。这通常是通过在链接脚本或者中断向量表文件中设置中断处理函数的地址来实现的。
  3. 设置串口接收中断的优先级，确保其能够及时响应。可以通过配置中断控制器的寄存器来设置中断的优先级。
  4. 在初始化代码中，启用串口接收中断。这通常是通过特定的寄存器或者相关控制寄存器来实现的。

4.简述制作UART构件的基本过程，说明UART构件中对引脚复用处理方法的优缺点

  1. 确定串行通信接口：确定UART的物理接口，包括数据线（TX和RX）、时钟线（可选）等。这通常会涉及到选择合适的引脚以及确定信号电平（如TTL、RS-232等）。
  2. 设计数据缓冲区：为接收和发送的数据设计缓冲区，用于暂存接收到的数据和等待发送的数据。通常需要考虑缓冲区的大小、读写指针的管理等。
  3. 实现控制逻辑：实现UART的控制逻辑，包括波特率发生器、数据格式设置、中断处理、数据收发控制等。这部分的具体实现会根据UART的规格和功能需求而有所不同。
  4. 集成到整个系统中：将UART构件集成到整个系统中，通常需要考虑与其他构件的接口和协作，例如与处理器核的接口、时钟和复位信号的管理等。

优点：

  • 节省引脚资源：通过引脚复用，可以在系统中重复使用某些引脚，从而节省了硬件资源。
  • 灵活性：引脚复用可以使得同一引脚在不同的工作模式下承担不同的功能，提高了系统的灵活性和可扩展性。

缺点：

  • 复杂性：引脚复用可能导致硬件设计和连接的复杂性增加，需要仔细管理不同模式下的引脚状态和功能。
  • 可能引起干扰：不同的工作模式可能会导致引脚的信号特性（如电气特性、驱动能力等）发生变化，可能会引起干扰或影响系统的稳定性。

5.详细论述计算机中断处理的基本过程（P129）

1.中断请求：当某一中断源需要CPU为其服务时，它会向CPU发出中断请求信号。中断控制器获取中断源硬件设备的中断向量号，并通过识别的中断向量号，并通过识别的中断向量号将对应硬件中断源模块的中断状态寄存器中的“中断请求位”置位，以便CPU分辨中断请求种类。

2.中断采样：CPU在每条指令结束时，会检查中断请求或系统是否满足异常条件。大多CPU专门在指令周期中使用了中断周期。在中断周期中，CPU将会检测系统中是否有中断请求信号。若有，则CPU将会暂停当前运行的任务，转而响应中断事件；否则继续当前任务。

3.中断响应与中断处理：中断响应的过程是由系统自动完成的，在这个过程中，CPU会查找中断源所对应的模块中断是否被允许，若被允许则响应，中断响应的过程要求CPU将当前环境的上下文保存于堆栈汇总， 通过中断向量号找到中断服务程序去运行ISR，在中断结束后再将该RAM地址中的数据恢复到CPU内部寄存器中，恢复现场。

6.给出 ARM Cortex-M 内核定时器 Systick 基本的工作机制，并根据如下代码 给出初始化步骤

基本工作机制：

1.梳理初始化流程，systick定时器被捆绑在嵌套向量NVIC中，定时器工作后，计数器开始-1计数，到达0后，COUNTFLAG置1，发出中断请求，计数器开始新一轮级数；

2.确定初始化参考及其范围，确定时钟源，当VAL=0时产生中断，要确定中断时间间隔；

3.中断优先级设置函数；

4.缩写systick_init函数，函数检查；禁止systick，清除计数器；设置时钟源，重载寄存器；systick优先级；允许中断并使能该模块。

步骤：

参数检查——设置前禁止systick，清除当前计数器——设置时钟源，重载寄存器——设定优先级——允许中断，使能该模块。

第七章课后习题

1.使用完全软件方式进行时间极短的延时，为什么要在使用的变量前加上volatile前缀？

volatile关键字告诉编译器，该变量的值可能会在意想不到的时间被改变，因此编译器在优化时不应该对该变量的读取和写入进行优化。在时间极短的延时中，往往需要依赖循环内部某个变量的值，如果没有对该变量使用volatile，编译器可能会对循环进行优化，导致延时的效果无法达到预期。

2.简述可编程定时器的主要思想

  1. 寄存器编程：可编程定时器通常具有多个寄存器，用于存储计数器的初始值、计数器当前值、控制寄存器等。通过编程这些寄存器，可以设置定时器的工作模式、计数范围、时钟源等属性。
  2. 中断处理：可编程定时器通常具有产生中断的功能。通过编程设置定时器的中断使能、中断标志位等，可以实现在计时器达到预设值时产生中断，从而实现对时间的精确控制和触发特定事件。
  3. 计时功能：可编程定时器可以通过编程设置计数器的初值和计数范围，以及选择合适的时钟源，实现对时间的精确测量和计时功能。这种计时功能对于实时系统、定时触发任务、PWM（脉冲宽度调制）等应用具有重要意义。
  4. 灵活性和可定制性：可编程定时器通常具有丰富的控制寄存器和工作模式选择，可以根据具体需求进行灵活的定时器功能定制。

3.从编程角度，给出基本定时功能的编程步骤

  1. 初始化定时器：首先需要初始化定时器，包括选择合适的时钟源、设置计数器的初值和计数范围等。这通常涉及到对定时器的各个寄存器进行编程设置。
  2. 启用定时器中断：如果需要在计时器计数到特定值时触发中断来实现定时功能，需要设置相应的中断使能位，并编写对应的中断服务程序。
  3. 启动定时器：在初始化之后，启动定时器，让其开始计数。定时器开始计数后，将按照设定的时钟源和计数范围进行计数。
  4. 中断服务程序：如果使用定时器中断来实现定时功能，需要编写中断服务程序。在中断服务程序中通常需要清除定时器的中断标志位，并进行相应的定时处理。
  5. 定时处理：根据需要，可以在定时器中断服务程序中进行相应的定时处理，如更新时间、触发事件、执行特定任务等。
  6. 停止定时器（可选）：在需要停止定时器计数时，可以调用相应的函数停止定时器的计数。

4.简述PWM的基本含义及主要技术指标的含义，举例说明主要用途（P148）

用途：

1.利用PWM为其他设备产生类似时钟的信号（控制一定频率的闪光灯）

2.利用PWM控制输入某个设备的电流感电压（直流电流，使其转变与平均输入电压的大小成正比）

3.利用PWM控制命令字编码（发送不同宽度脉冲代表不同含义）

5.确定初始化参数及范围（P140）

6.什么输出比较？主要用途是什么？（P158）

第八章课后习题

1.简要阐述Flash在线编程的基本含义及用途

Flash在线编程是指通过编程器或者相应的软件工具，对嵌入式系统中的Flash存储器进行在线编程，即在系统运行状态下对Flash进行写入、擦除等操作。Flash在线编程常见的用途包括：

  1. 调试和测试：在嵌入式系统开发过程中，需要对程序进行调试和测试。通过Flash在线编程，可以方便地更新和修改程序代码，以验证系统功能和进行调试。
  2. 运行时参数配置：在系统运行过程中，有时需要根据特定的应用需求对某些参数或配置进行调整。通过Flash在线编程，可以实现在系统运行状态下动态地修改和更新这些参数或配置，而无需重新烧录整个程序。
  3. 固件更新：在产品发布后，可能需要对嵌入式系统的固件进行更新。通过Flash在线编程，可以在不中断系统运行的情况下，将新的固件程序写入系统的Flash存储器，以实现固件的在线更新。
  4. 数据存储：某些嵌入式系统会使用Flash存储器作为数据存储介质。通过Flash在线编程，可以实现对数据的实时更新和存储，而无需停止系统运行或重启。

2.简述A/D转换的主要知识要素。若A/D转换的参考电压为m伏，要区分n毫伏的电压，则采样位数至少为多少位？

1.转换精度；

2.单端输入与差分输入；

3.软件滤波问题；

4.物理量回归问题；

5.量化误差，转换速度，A/D参考电压等；

\[\frac{m(V)}{n(MV)} = ? \]

\[2^{\alpha} < ? < 2^{\beta} \]

至少为\(\beta\)位。

P177练习

3.使用PWM波的方式可以完成一些场景下的DAC功能吗？

使用PWM（脉冲宽度调制）波形可以在某些场景下模拟数字模拟转换器（DAC）的功能。DAC用于将数字信号转换为模拟信号，而PWM波形通过调整脉冲宽度来实现对模拟信号的模拟，从而在一定程度上实现DAC的功能。以下是一些必要描述：

  1. 脉冲宽度调制（PWM）：PWM是一种周期性方波信号，其脉冲宽度随着输入信号的变化而调整。通过控制脉冲的占空比，可以实现对输出信号的模拟。
  2. 重构滤波器：在PWM输出的方波信号通过一个重构滤波器后，可以通过滤波去除高频成分，从而得到一个接近模拟信号的输出。
  3. 离散性：需要注意的是，使用PWM完成DAC功能产生的模拟信号是离散的，而非连续的。因此在应用中需要考虑到这种离散性对系统的影响。

第九章课后习题

1.举例说明同步通信和异步通信的主要区别

同步通信：

  • 在同步通信中，数据是按照时钟信号进行传输的。发送方和接收方需要有相同的时钟信号来保证数据的传输和接收的同步性。
  • 发送方和接收方的时钟信号需要严格同步，以确保数据传输的正确性。任何时钟偏差都可能导致数据传输错误。
  • 典型的同步通信包括SPI（串行外设接口）和I2C（Inter-Integrated Circuit）等通信协议。

异步通信：

  • 在异步通信中，数据的传输是通过帧之间的起始位和停止位进行同步的，而不依赖于时钟信号。
  • 异步通信中，发送方和接收方的时钟信号是独立的，不需要严格同步。数据的传输速率可以是不同的，不需要精确的时钟同步。
  • 典型的异步通信包括串行通信中的UART（通用异步收发传输）和RS-232等通信协议。

2.简述SPI数据传输过程

  1. 选择从设备：SPI总线上可以连接多个从设备，需要通过片选信号（Chip Select）来选择要通信的从设备。
  2. 传输格式：SPI通信通常采用主从结构，一个主设备与一个或多个从设备进行通信。在数据传输中，主设备控制通信的时序和数据传输。
  3. 时钟信号：SPI使用时钟信号来同步数据传输。时钟信号的极性和相位可以通过控制寄存器进行配置。
  4. 数据传输：
    • 主设备将一定数量的数据放入发送缓冲寄存器。
    • 当传输开始时，主设备开始产生时钟脉冲。每个时钟脉冲都导致发送缓冲寄存器中的一个比特被传输到从设备，并且接收到从设备的一个比特。
    • 同时，从设备也在其发送缓冲寄存器中放置要传输的数据。当从设备接收到主设备的数据时，从设备的数据也被传输到主设备。
  5. 数据传输完成后，主设备停止时钟信号，结束本次数据传输。

3.说明在SPI通信中如何设定时钟极性和相位（P195-196）

在SPI通信中，可以通过设置SPI控制寄存器来设定时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）。这些设置可以通过SPI控制寄存器中的特定位来实现，具体的设置方式可能会有所差异，取决于所用的具体芯片或微控制器。一般来说，以下是针对CPOL和CPHA的设置方法：

  1. 时钟极性（CPOL）：
    • CPOL决定时钟信号在空闲状态时的电平。当CPOL=0时，时钟信号在空闲状态下为低电平；当CPOL=1时，时钟信号在空闲状态下为高电平。
  2. 时钟相位（CPHA）：
    • CPHA决定数据采样的时机。当CPHA=0时，数据在时钟信号的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行采样；当CPHA=1时，数据在时钟信号的第二个跳变沿进行采样。

在大多数SPI控制器中，可以通过设置SPI控制寄存器中的特定位来配置CPOL和CPHA。例如，对于某些微控制器或外围设备，可能会有类似以下的寄存器位设置方式：

  • 时钟极性（CPOL）：可以在SPI控制寄存器中设置CPOL位（比如在控制寄存器的第0位），具体设置为0或1来选择时钟信号的空闲状态电平。
  • 时钟相位（CPHA）：可以在SPI控制寄存器中设置CPHA位（比如在控制寄存器的第1位），具体设置为0或1来选择数据采样的时机。

4.简述I2C总线的数据传输过程

  1. 起始条件：
    • 主设备发送起始条件，即SCL（时钟线）为高电平时，SDA（数据线）从高电平转为低电平。这表示I2C总线上的数据传输即将开始。
  2. 地址和读/写位：
    • 主设备发送目标从设备的7位地址，加上一个读/写位（通常是R/W=0表示写，R/W=1表示读）。
    • 如果从设备存在并且已准备好接收数据，则会返回一个应答信号。如果没有响应，则总线处于“忙碌”状态。
  3. 数据传输：
    • 主设备在发送模式下，发送要写入的数据到从设备。这个数据可以是命令、控制字节或实际数据。
    • 如果是读取模式，则主设备会发送读取命令到从设备，并等待从设备返回数据。
  4. 停止条件：
    • 数据传输完成后，主设备发送停止条件，即SCL为高电平时，SDA从低电平转为高电平。这表示I2C总线上的数据传输结束。

第十章课后习题

1.阐述CAN通信的发送与接收的基本原理

发送：

  1. 消息构建：发送方将要发送的数据打包成CAN消息，包括消息ID、数据长度、数据内容和CRC校验等信息。
  2. 传输准备：发送方首先检查总线空闲，然后根据优先级选择要发送的消息，并在一个CAN帧中发送消息。
  3. 传输数据：发送方通过将正常电平信号转换为电压来改变总线状态，从而将CAN消息发送到总线上。CAN将消息分为不同的帧，并在总线上广播以使所有节点都可以接收到。

接收：

  1. 接收准备：所有的CAN节点都会监听总线上的消息。接收方会首先检查消息的ID以及数据长度，以确定是否与自身有关。
  2. 消息过滤和识别：接收方对接收到的消息进行筛选和识别，只接收与自身相关的消息，其他消息会被忽略。
  3. 数据接收：当接收方检测到总线上有符合自身条件的消息时，会将消息内容解析出来并进行处理。

基本原理：

  • CAN通信采用差分信号传输，利用总线上的两根线来传输信息，这样可以有效地抗干扰。
  • CAN使用非常严格的消息优先级和许可机制来决定哪个节点可以发送消息，这种机制使得CAN可以实现高效的多节点通信。
  • CAN通信协议具有很强的错误检测和错误恢复能力，能够在数据传输中发生错误时进行自动纠正和重传。

2.CAN总线为什么要使用总线仲裁，简要阐述总线仲裁的基本过程（P236）

CAN总线使用总线仲裁是为了解决多个节点同时发送消息时可能发生的冲突。在总线仲裁过程中，CAN总线上的多个节点会根据消息的优先级进行竞争，以确定哪个节点可以成功地发送消息。

基本过程如下：

  1. 节点准备发送消息时，首先会监测总线状态，检查是否有其他节点正在发送消息。
  2. 如果总线上有其他消息正在发送，节点会等待当前消息发送完成，进入一个“侦听”状态。
  3. 如果总线是空闲的，节点会立即发送它的消息。同时，所有其他节点也会检测到这个消息的发送，并进行消息的接收和解析。
  4. 在消息的发送过程中，每个节点都会不断地发送自己的消息标识符（ID）和消息的优先级。所有节点都会同时监听总线上的这些信息。
  5. 如果在总线上有多个节点同时发送消息，由于CAN总线是基于优先级的，拥有最高优先级的消息会胜出，并且其他节点会意识到冲突，并停止发送消息。

3.举例给出基于构件的CAN应用程序基本编程步骤

  1. 包含必要的头文件：

    #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/can.h>
#include <linux/can/raw.h>

  2. 打开CAN设备并初始化：

    int s;
struct sockaddr_can addr;
struct ifreq ifr;

s = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
ioctl(s, SIOCGIFINDEX, &ifr);
addr.can_family = AF_CAN;
addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
bind(s, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

  3. 构建CAN消息并发送：

    struct can_frame frame;
frame.can_id = 0x123; // 消息ID
frame.can_dlc = 8; // 消息长度
strcpy((char *)frame.data, "Hello!"); // 消息数据
write(s, &frame, sizeof(struct can_frame)); // 发送消息

  4. 接收CAN消息并处理：

    struct can_frame frame_rcv;
while(1) {
    read(s, &frame_rcv, sizeof(struct can_frame)); // 读取消息
    printf("Received: %s\n", frame_rcv.data); // 处理接收的消息
}

4.给出DMA的基本含义，哪种情况下会用到DMA（P246）

DMA（Direct Memory Access，直接内存存取）是计算机系统中的一种数据传输技术，允许外部设备（如硬盘驱动器、网络接口卡、图形显示卡等）直接与系统内存进行数据传输，而无需通过中央处理器（CPU）的干预。DMA可以提高数据传输的效率，释放CPU的负担，减少对CPU的干预，从而提高系统的并行处理能力。

DMA适用于以下一些情况：

  1. 大容量数据传输：当需要大量数据在外部设备和内存之间进行传输时，使用DMA可以显著提高数据传输的效率，而不会占用CPU大量的时间和资源。
  2. 高速数据传输：一些外部设备（如高速网络接口卡、高速存储设备等）需要在内存和设备之间以非常高的速率进行数据传输，这时使用DMA可以有效地提升传输速度。
  3. 数据流：一些需要持续不断地进行数据传输的应用场景，如音频、视频处理等，使用DMA可以更好地满足对数据传输的实时性要求，减少对CPU的干预。

5.给出位带操作的基本含义，哪种情况下会用到位带操作

位带操作是一种在微控制器和嵌入式系统中常见的操作，在位带操作中，可以直接通过地址访问特定位的值，而不需要进行读取-修改-写入的操作。这种操作可以使得对特定位的读写操作更加高效，并且可以简化对特定位进行控制和状态检测的实现。

位带操作通常用于以下情况：

  1. 对特定寄存器或寄存器中的特定位进行原子性的操作，从而避免了在多线程或中断处理时的竞争条件。
  2. 在需要对特定标志位进行快速设置或清除的场景中，比如在处理外部事件和中断时，可以利用位带操作直接对标志位进行设置或清除。

在嵌入式系统中，位带操作通常用于对外设寄存器的位进行控制、对状态位进行快速检测和设置、对寄存器中的控制位进行原子性的修改等操作。通过使用位带操作，可以提高对特定位进行访问和控制的效率，并且可以确保对位的操作是原子性的，从而提高了系统的稳定性和可靠性。

第十一章课后习题

1.如何给一个应用程序增加看门狗功能？什么阶段可以添加看门狗功能？

  1. 了解硬件或软件看门狗的特性：首先，需要了解目标平台所支持的看门狗类型和功能。

  2. 初始化并配置看门狗：在应用程序的初始化阶段，需要对看门狗进行初始化和配置。这可能涉及设置看门狗的定时器、喂狗（kick the dog）等操作。硬件看门狗通常需要通过特定的寄存器配置，而软件看门狗可能需要调用特定的API进行初始化。

  3. 喂狗：在应用程序的关键阶段或循环中，需要定期喂狗，以防止看门狗因为未及时喂狗而启动重启操作。这通常需要以特定的时间间隔重置看门狗的定时器。

  4. 错误处理：应用程序需要实现适当的错误处理机制，以便在出现故障或异常时能够正常重启系统。

  5. 测试和调试：对增加了看门狗功能的应用程序进行全面的测试和调试，确保看门狗能够在系统故障时正确地重启系统。

是在应用程序的早期阶段就考虑增加看门狗功能，因为考虑到看门狗的特性可能会影响系统的整体架构和设计。

2.看门狗复位属于冷复位还是热复位，冷热复位后再编程方面有何区别

看门狗复位属于热复位。热复位是指通过硬件电路或专门的监控电路来实现的复位方式，它不受软件的影响，发生复位时，会清除处理器的状态并恢复到初始状态。

在编程方面，冷启动和热启动主要区别在于系统的初始化状态和程序的执行路径。当系统经历冷复位时，通常会进行全面的初始化，包括清零所有寄存器、初始化系统时钟、初始化外设等。而当系统经历热复位时，通常会保持一些关键设置和数据的状态，以便快速地恢复到之前的运行状态。

对于看门狗复位，热复位通常意味着系统会在发生复位时尽可能地保持一些关键设置和数据的状态，以便尽快地恢复到原先的运行状态。在编程方面，需要注意处理好复位后的初始化工作，包括重新初始化寄存器、时钟和外设，并根据需要进行恢复程序的执行状态。

3.如何实现主动复位，如何记录芯片热复位类型及复位次数？

主动复位意味着系统中的某个模块或代码段可以通过特定条件触发复位。例如，通过特定的软件命令、硬件信号或外部输入来触发系统的复位。以下是关于实现主动复位和记录芯片热复位类型及复位次数的一般方法：

实现主动复位：

  1. 软件触发：在软件中编写特定的代码或函数，以便在满足特定条件时触发系统复位。这可以通过对系统复位寄存器或控制寄存器进行写操作来实现。
  2. 硬件触发：使用外部硬件电路或信号来触发系统复位。这可以通过硬件引脚、看门狗定时器、中断请求等方式来实现。

记录芯片热复位类型及复位次数：

  1. 复位类型：可以在系统初始化的时候读取复位状态寄存器或特定的复位原因寄存器，以了解上一次复位的原因。这些寄存器通常由芯片厂商提供。
  2. 复位次数：可以使用非易失性存储器（如EEPROM或Flash存储器）来记录复位次数。每次复位时，将复位次数加一并保存到非易失性存储器中。