13級(jí)研究生嵌入系統(tǒng)硬件原理復(fù)習(xí)題

1、2013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題硬件系統(tǒng)原理期末復(fù)習(xí)題參考。！很多都是寫的！1. 請(qǐng)給出 Cortex 中斷執(zhí)行過程的描述，與 MCS-51 的中斷有哪些異同點(diǎn)（可以STM32F10X 系列單片機(jī)為例）？MCS-51 單片機(jī)的執(zhí)行過程：當(dāng) CPU 檢測(cè)到中斷觸發(fā)信號(hào)（電平的跳變，脈沖沿的發(fā)生或內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)溢出）后，如果使能了該中斷，CPU 暫時(shí)停止當(dāng)前的工作，將 PC值壓棧，保護(hù)斷點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后 CPU 進(jìn)入中斷地址，開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。當(dāng)執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，執(zhí)行中斷返回指令，彈出堆棧，返回?cái)帱c(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。Cortex 中斷的執(zhí)行過程：首先設(shè)置優(yōu)先級(jí)組寄存器，配置搶占優(yōu)先級(jí)

2、和亞優(yōu)先級(jí)級(jí)別。當(dāng) CPU 檢測(cè)到中斷觸發(fā)信號(hào)，接收到中斷請(qǐng)求后，如果中斷被使能，CPU 終止當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)后，從中斷向量表，找到中斷服務(wù)程序的地址，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。當(dāng)執(zhí)行完成后，返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。51 單片機(jī)的中斷優(yōu)先級(jí)不能被編程，分為兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)：高級(jí)中斷和低級(jí)中斷，只能實(shí)現(xiàn)兩級(jí)嵌套。STM32F10X 有 76 個(gè)中斷，包括 16 個(gè)內(nèi)核中斷和 60 個(gè)可編程的外部中斷。可通過配置中斷優(yōu)先級(jí)寄存器，設(shè)置中斷的搶占優(yōu)先級(jí)和亞優(yōu)先級(jí)級(jí)別，實(shí)現(xiàn)多級(jí)嵌套。2. 什么是寄存器文件，如何使用？在編寫 ARM 的程序時(shí)，通常將定義了單片機(jī)寄存器的結(jié)構(gòu)體放入一個(gè)專門

3、的頭文件中，將相應(yīng)的物理地址定義為方便操作和編程的寄存器名稱。例如，typedef structvu32 CRL; vu32 CRH; vu32 IDR; vu32 ODR; vu32 BSRR; vu32 BRR; vu32 LCKR; GPIO_TypeDef;12013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題如何使用：通過將其所在的頭文件包含進(jìn)工程，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)用。3PCB 板線寬與電流的關(guān)系是什么？高頻布線應(yīng)該注意什么？I=KT0.44A0.75T 為最大溫升，A 為覆銅截面積，（K 為修正系數(shù)，一般覆銅線在內(nèi)層時(shí)取 0.024，在外層時(shí)取 0.048為攝氏度(銅的熔點(diǎn)是 1060)為平方 MIL(

4、不是毫米 mm，注意是 square mil.)I 為容許的最大電流，250MIL=6.35mm, 為 8.3A為安培(amp)一般 10mil=0.010inch=0.254 可為 1A，1）合理選擇層數(shù)在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，利用中間內(nèi)層平面作為電源和地線層，可以起到的作用，有效降低寄生電感、縮號(hào)線長(zhǎng)度、降低信號(hào)間的交叉干擾，一般情況下，四層板比兩層板的噪聲低20dB。2） 走線方式在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，走線必須按照45°角拐彎，這樣可以減小高頻信號(hào)的發(fā)射和相互之間的耦合。3） 走線長(zhǎng)度在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，走線長(zhǎng)度越短越好，兩根線并

5、行距離越短越好。4） 過孔數(shù)量在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，過孔數(shù)量越少越好。5） 層間布線方向在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，層間布線方向應(yīng)該取垂直方向，就是頂層為水平方向，底層為垂直方向，這樣可以減小信號(hào)間的干擾。6） 敷銅在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，增加接地的敷銅可以減小信號(hào)間的干擾。7） 包地在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，對(duì)重要的信號(hào)線進(jìn)行包地處理，可以顯著提高該信號(hào)的以對(duì)干擾源進(jìn)行包地處理，使其不能干擾其它信號(hào)。8） 信號(hào)線在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，信號(hào)走線不能環(huán)路，需要按照菊花鏈方式布線。9） 去耦電容在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)

6、，在集成電路的電源端跨接去耦電容。10） 高頻扼流在 PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)高頻電路板布線時(shí)，數(shù)字地、模擬地等連接公共地線時(shí)要接高頻扼流器件，一般是中心孔穿有導(dǎo)線的高頻鐵氧體磁珠。能力，當(dāng)然還可4. Cortex 系列單片機(jī)具有哪些成員？各自的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域是什么？答：（1）Cortex-M3 應(yīng)用領(lǐng)域主要為企業(yè)應(yīng)用、汽車系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)、無線技術(shù)、數(shù)據(jù)通信以及工業(yè)等。特點(diǎn)為：功耗低；內(nèi)核的門數(shù)少，具有優(yōu)異的性價(jià)比；終端延遲短；調(diào)試成本低：具有嵌套向量中斷器（NVIC），與處理器內(nèi)核緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)低延遲的中斷處理；具有可裁剪的器保護(hù)單元（MPU），用于對(duì)器進(jìn)行保護(hù)。（2）Cortex-M0：主要應(yīng)用領(lǐng)域

7、為電子測(cè)量、智能、緊湊型電源、精密模擬系統(tǒng)。Cortex-M0 處理器還22013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題適合擁有諸如智能傳感器和調(diào)節(jié)器的可編程混合信號(hào)市場(chǎng)。特點(diǎn)為： 體積小、能耗非常低、門數(shù)量少、代碼占用空間小， 使得 MCU 開發(fā)能夠以 8 位處理器的價(jià)位， 獲得 32 位處理器的性能。超低門數(shù)還使其能夠用于模擬信號(hào)設(shè)備和混合信號(hào)設(shè)備及 MCU 應(yīng)用中， 可望明顯節(jié)約系統(tǒng)成本.（3）Cortex-A8:應(yīng)用領(lǐng)域主要為多和信號(hào)處理技術(shù)、高效地進(jìn)行支持預(yù)編譯和即時(shí)編譯、運(yùn)行時(shí)間編譯目標(biāo)技術(shù)。特點(diǎn)為：是有史以來ARM 開發(fā)的性能最高、最具功率效率的處理器。支持大型操作系統(tǒng)。需要很高的處理性能

8、，并且需要硬件MMU 實(shí)現(xiàn)的完整而強(qiáng)大的虛擬內(nèi)存機(jī)制。（4）Cortex-R4:應(yīng)用領(lǐng)域主要為高檔轎車的組件，大型發(fā)電機(jī)器等。特點(diǎn)為：帶有實(shí)時(shí)要求的高端的系統(tǒng)，很好很強(qiáng)大而且還要及其可靠，對(duì)的反應(yīng)也要及其敏感。5. 如何實(shí)現(xiàn) DMA 操作（數(shù)據(jù)的傳輸）？DMA 優(yōu)點(diǎn)是什么？試舉一個(gè)例子，并給出系統(tǒng)框圖、操作步驟及相應(yīng)的時(shí)序示意圖。（1）條件：當(dāng)多字節(jié)數(shù)據(jù)或者一個(gè)數(shù)據(jù)塊需要在兩個(gè)系統(tǒng)之間、在 CPU 不干預(yù)(除了傳送的開始和結(jié)束之外)的情況下進(jìn)行傳送時(shí)，需要直接器(Direct Memory Access，DMA)。（2）優(yōu)點(diǎn)：DMA 傳送是在DMAC(DMA器)的協(xié)助下進(jìn)行的。由于DMAC 只

9、需要很少的處理器干預(yù)，因而提高了I/O 設(shè)備和系統(tǒng)器之間的數(shù)據(jù)傳送效率。系統(tǒng)框圖：操作步驟：DMA器向CPU 提出 DMA 請(qǐng)求，請(qǐng)求信號(hào)加到 CPU 的 HOID 引腳上。CPU 響應(yīng) DMA 請(qǐng)求后，DMA32013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題器從CPU 那獲得對(duì)總線的權(quán)。時(shí)序示意圖：微機(jī)原理 447 頁(yè)6. 請(qǐng)?jiān)斒?Cortex 是如何中斷響應(yīng)的？在實(shí)際工程應(yīng)用中有何優(yōu)點(diǎn)？答：尾鏈中斷：如果在異常的處理過程中有較低優(yōu)先級(jí)或相同搶占優(yōu)先級(jí)的異常發(fā)生，這個(gè)新發(fā)生 的異常必須等待正在進(jìn)行的異常處理結(jié)束才能得到響應(yīng)。在這種情況下，Cortex-M3 在 結(jié)束前一個(gè)異常處理和開始新的異常處理過程中

10、省略了出棧和再入棧的操作，直接下一個(gè)異常向量，開始新的異常處理，這個(gè)動(dòng)作只需 6 個(gè)周期。兩個(gè)或多個(gè)異常處理首 尾相連，只有一次入棧和出棧操作。中斷：如果在入棧過程中，有另一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的中斷發(fā)生，則處理器在完成入棧后新的異常向量，執(zhí)行新的異常的服務(wù)程序。這種優(yōu)先級(jí)處理方式稱為中斷的機(jī)制。有點(diǎn)：大大縮短了中斷延遲，了中斷響應(yīng)。7. 串行接口與并行接口的區(qū)別是什么？常用的串口種類有幾種，具體的應(yīng)用范圍是什么？并行接口是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)進(jìn)行傳送，其特點(diǎn)是傳輸速度快，但當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)、位數(shù)又多時(shí)，導(dǎo)致了通信線路復(fù)雜且成本提高。串行通信是指數(shù)據(jù)一位位地順序傳送，其特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，只要一對(duì)傳輸線就可

11、以實(shí)現(xiàn)雙向通信，并可以利用線，從而大大降低了成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳送速度較慢。常用的串口包括 RS-232，RS-485，USB 等RS-232：民用領(lǐng)域：投影儀、針式打印機(jī)等其他老式支持232通訊的設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域：電力電子設(shè)備的通訊，例如 DCS、PLC、電動(dòng)執(zhí)行器、單片機(jī)、電機(jī)保護(hù)器、電氣、繼電保護(hù)裝置、直流屏、多功能電力表等等RS485:采用平衡和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，因此廣泛應(yīng)用與遠(yuǎn)距離通信。USB:電腦硬件等；42013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題8提高串口傳輸速率的常用技術(shù)有哪些？一提高硬件執(zhí)行速度，二是調(diào)整波特率，三是別使用 SCI 串口。用 USBCANGP

12、IB 等總線。9總線協(xié)議在總線連接中的意義是什么？CAN 總線的物理架構(gòu)是什么？總線協(xié)議是指通信雙方完成通信和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)必須遵循的規(guī)范和約定，協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)單元的格式，應(yīng)該包含的信息與含義，連接方式，和接收時(shí)序等。從而確保在信息傳送時(shí)，數(shù)據(jù)順利的傳送到確定的地方。CAN 技術(shù)協(xié)議規(guī)范的目的是為了在任何兩個(gè) CAN 器件之間建立兼容性，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的和實(shí)施的靈活性，根據(jù) 1SO/OSI 參考模型，CAN 被細(xì)分為物理層(PhysicalLayer)和數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)。圖 1 為 CAN 的 IS0/OSI 的參考模型的層結(jié)構(gòu)：圖 1 CAN 的 IS0/OSI 參考模

13、型的分層結(jié)構(gòu)（1）物理層定義信號(hào)傳輸?shù)姆椒?，因而涉及?qū)動(dòng)器/、同步等內(nèi)容，但對(duì)總線裝置，諸如驅(qū)動(dòng)器/的特性、位定時(shí)、位編碼、特性未作規(guī)定，以便根據(jù)它們的應(yīng)用，對(duì)和信號(hào)電平進(jìn)行優(yōu)化。（2）數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路子層(MAC，Medium Access Control)。子層(LLC，Logical Link Control)、介質(zhì)52013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題邏輯鏈路子層(LLC)主要負(fù)責(zé)為文濾波、過載通知、以及恢復(fù)管理等。介質(zhì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)，涉及報(bào)子層(MAC)的作用主要是定義傳送的規(guī)則，也就是幀的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行總線仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤標(biāo)定(Error signaling)、

14、故障界定(Fault confinement)以及總線的開啟與關(guān)閉、報(bào)文的接收和等。MAC 子層是 CAN 協(xié)議的，其特性不存在修改的靈活性。10在系統(tǒng)中常用的總線連接形式有哪些，各具什么特點(diǎn)？I2C 總線，SPI 總線，CAN 總線 USB 總線I2C 總線不能實(shí)現(xiàn)全雙工，適合類應(yīng)用；SPI 適合數(shù)據(jù)傳輸類應(yīng)用SPI 總線為 3-4 接口，收發(fā)可同時(shí)進(jìn)行，能實(shí)現(xiàn)全雙工；SPI 為主從模式架構(gòu)，支持多 SLAVE 但支持單master；I2C 總線具有多主控接口標(biāo)準(zhǔn)，具有總線仲裁機(jī)制，支持多MASTER E、兩者都是串行總線11簡(jiǎn)單介紹 Cortex 的中斷管理及 NVIC。CM3 支持 3

15、個(gè)固定的高優(yōu)先級(jí)（復(fù)位，NMI 以及硬fault），256 個(gè)可編程的優(yōu)先級(jí)（搶占優(yōu)先級(jí)和次優(yōu)先級(jí)），其中包括 128 各搶占級(jí)。并且，CM3 使用了一種稱為 NVIC 的異常響應(yīng)系統(tǒng)，即可嵌套的中斷優(yōu)先級(jí)管理。該系統(tǒng)支持11 個(gè)內(nèi)部異常源，可以實(shí)現(xiàn) fault 管理機(jī)制；另外支持最多 240 個(gè)外部中斷輸入（IRQs）；同時(shí)還支持一個(gè)不可屏蔽中斷（NMI）輸入。 多數(shù)情況下，NMI 會(huì)被連接到一個(gè)看門狗定時(shí)器，或電壓監(jiān)視功能塊，以便在電壓跌落至危險(xiǎn)級(jí)別時(shí)告警。NMI 可在任何時(shí)間被激活，甚至是處理器剛剛復(fù)位之后62013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題12某3.3V/45mA系統(tǒng)欲采用三端穩(wěn)壓電

16、源模塊供電， 已知 MCU 最大工作電流是粘合邏輯電路的最大工作電流 3.3V/150mA，信號(hào)調(diào)理電路（模擬部分）的最大工作電流 5V/100mA；電路具有三路繼電器輸出，每路驅(qū)動(dòng)電流為 12V/30mA； 電源模塊的最大耗散功率為 1.5W；請(qǐng)給出該電路設(shè)計(jì)，并詳細(xì)標(biāo)明所需各元件的型號(hào)和關(guān)鍵參數(shù)（主供電回路為 220VAC）。72013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題13. 對(duì)系統(tǒng)而言，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在哪些干擾源，常用的措施有哪些？給出三種以上常用的電路元件，并說明其主要參數(shù)的意義。答：系統(tǒng)的干擾源一般有三個(gè): 一是空間干擾,電磁信號(hào)通過空間輻射進(jìn)入系統(tǒng); 二是過程通道干擾,干擾信號(hào)通過與系統(tǒng)相連

17、的前、后通道及與其它系統(tǒng)的連接通道進(jìn)入, 它疊加在有用信號(hào)之上, 擾亂信號(hào)傳輸, 使有效信號(hào)產(chǎn)生畸變。使得誤差加大, 導(dǎo)致狀態(tài)失靈, 導(dǎo)致程序運(yùn)行失常; 三是系統(tǒng)干擾, 電磁信號(hào)通過供電通道進(jìn)入系統(tǒng)或系統(tǒng)本身產(chǎn)生干擾。措施主要從硬件和軟件兩方面進(jìn)行：（1）電源干擾及其抑制：用壓敏電阻抑制尖峰、浪涌電壓；用濾波器抑制高頻干擾；設(shè)計(jì)電源電壓監(jiān)視電路。（2）抑制空間電磁干擾：采取技術(shù)。靜電, 即電場(chǎng), 防止電場(chǎng)的耦合干擾; 電磁, 即利用導(dǎo)電性良好的金屬在電磁場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng), 防止高頻電磁場(chǎng)的干擾; 磁, 采用高導(dǎo)材料, 防止低頻磁通的干擾。（3）信號(hào)傳輸通道：利用光電耦合器及濾波器對(duì)輸入、輸出信

18、號(hào)采用光電措施；采用負(fù)載阻抗匹配的措施, 減小信號(hào)傳輸中的畸變；采絞線傳輸減少傳輸線特性阻抗影響；（4）印制電路板可靠性和設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理走線、合理接地, 三總線走線.。（5）元器件提高可靠性的措施和方法：選擇質(zhì)量好 合適的微處理器、電源、器等元器件。常用的元件：磁珠，磁環(huán)，電源濾波器，罩磁珠：用來吸收超高頻信號(hào)，主要參數(shù)：初始磁通量（高磁通量的磁飽合度低，即磁珠在低頻能夠承受最大的電流越大，感抗隨電流變化而呈容抗），居里溫度（一般磁環(huán)居里溫度110，達(dá)到這一溫度以后立刻失去磁性），工作頻率（低工作頻率的磁環(huán)強(qiáng)行工82013 級(jí)電子信息類專業(yè)期末復(fù)習(xí)題作在高頻率下，會(huì)有很大的損耗和發(fā)熱）。磁

19、環(huán)：對(duì)高頻噪聲有很好的抑制作用。主要參數(shù)：匝數(shù)（匝數(shù)越多，對(duì)頻率較低的干擾抑制效果越好，而對(duì)頻率較高的噪聲抑制作用較弱）電源濾波器：電源濾波器，是一種無源雙向網(wǎng)絡(luò)，是一種對(duì)電源中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電氣設(shè)備，它的一端是連接電源，另一端是連接負(fù)載罩：防止電磁干擾（EMI）、對(duì) PCB 板上的元件及 LCM 起作14. 請(qǐng)給出三種以上系統(tǒng)常用的節(jié)能措施。答： 由于很多中斷都能把處理器從空閑模式中喚醒，所以采用智能等待這種模式。讓處理器平常處于空閑模式，把隨機(jī)和實(shí)時(shí)要求比較高的都掛在中斷上，當(dāng)發(fā)生處理器能很快被喚醒，處理這些。其他有規(guī)律的和實(shí)時(shí)性要求不高的用定時(shí)器去進(jìn)行掃描

20、。對(duì)于CPU 的處理，起一個(gè)線程系統(tǒng)CPU 的使用情況，當(dāng) CPU 處于空閑狀態(tài)時(shí)，且系統(tǒng)其他模塊也CPU 睡眠的時(shí)候，CPU 立刻進(jìn)入睡眠模式。除 LCD 和背光外，其他外設(shè)在 CPU 進(jìn)入睡眠模式之前被關(guān)掉。LCD 和背光用做用戶的操作界面需要的是友好性，所以讓用戶可以設(shè)置。在用戶設(shè)定的時(shí)間用完后自動(dòng)熄滅。其他外設(shè)如音頻模塊，在沒有聲音時(shí)就關(guān)閉，需要聲音時(shí)再打開。多電源設(shè)計(jì)，可以再適合的場(chǎng)合應(yīng)用合適的電源從而達(dá)到節(jié)省功耗的作用15. 有一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。該系統(tǒng)由如下幾個(gè)主要部分組成：12Bit的高速串行 A/D，一條具有定時(shí)通信要求的 RS485 總線，四個(gè)按鍵，一個(gè)要求每秒刷新一次的液晶顯示器件。請(qǐng)給出系統(tǒng)框圖，并詳細(xì)說明各部件工作的模式。16. 設(shè)計(jì)一個(gè)溫室大棚的溫濕度與調(diào)整系統(tǒng)，要求：1)2)能監(jiān)測(cè) 4 個(gè)溫室大棚（相距不超過 200 米）；每個(gè)大棚均具有本地顯示及輸入功能，并能對(duì)所有大棚完成參數(shù)設(shè)置和查看功能；3)4)每個(gè)大棚均設(shè)有