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  第9题      
  知识点:   CPU   嵌入式系统   中断   中断方式
  关键词:   CPU   嵌入式系统   中断   嵌入式        章/节:   嵌入式系统       

 
嵌入式系统中采用中断方式实现输入输出的主要原因是(9)。在中断时,CPU断点信息一般保存到(10)中。
 
 
  A.  速度最快
 
  B.  CPU不参与操作
 
  C.  实现起来比较容易
 
  D.  能对突发事件做出快速响应
 
 
 

 
  第11题    2018年下半年  
   60%
嵌入式系统设计一般要考虑低功耗, 软件设计也要考虑低功耗设计,软件低功耗设计一般采用( )。
  第12题    2012年下半年  
   51%
(12)不是反映嵌入式实时操作系统实时性的评价指标。
  第1题    2016年下半年  
   39%
在嵌入式系统的存储部件中,存取速度最快的是(1)。
   知识点讲解    
   · CPU    · 嵌入式系统    · 中断    · 中断方式
 
       CPU
        CPU即中央处理器,它是计算机系统的核心部分。刚才所列的系统性能评价指标都是围绕CPU的。当然,这些指标的评价结果是建立在CPU与其他系统部件(如内存)的协同工作的基础上的。单就CPU而言,考察它在系统中的工作性能要关注CPU利用率、队列长度、每秒中断次数,等。
 
       嵌入式系统
        嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集,包括操作者的命令和受控对象的状态,按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算,计算结果作为命令输出到设备的某些部件,控制某些操作,同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。
        
        嵌入式系统组成
        上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分,一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分,而且体现了系统的思想、方法和规律。
        在当今社会中,嵌入式系统已经和我们的生活息息相关,人们每时每刻都离不了嵌入式系统,如下图所示。
        
        嵌入式系统基本分类
        嵌入式系统一般是实时系统,《牛津计算机字典》对实时系统解释是:“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动,而系统输出对应着另外一个物理世界的运动,而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内,实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种,如下表所示。
        
        实时系统分类及其特性
        一般认为,嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机,在软件或硬件上的资源是有限的,硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面,软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。
        第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。
        随着20世纪60年代早期应用开始,嵌入式系统的价格迅速降低,同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例,在存储器和外围芯片的配套使用下,实现了计算器和其他小型系统。1978年,美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”,涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器,如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器,使得微处理器得到了快速发展。
        无一例外,不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始,但核心是软件的算法处理,实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能,如下图所示。
        
        嵌入式计算机的层次化架构
        当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟,他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反,基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面,可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径,都会导致软件有不同程度的差异。
        嵌入式系统具有以下特征:
        (1)嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统,从操作指令发出,嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作,要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说,一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求,确保在最复杂行为和最大延时情况下,系统操作不发生延迟,要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低,需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。
        (2)嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失,可能是铁路信号失效的巨额经济损失,也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后,对于不同的系统需要采取不同的策略,例如对具有重大影响的系统,要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术,将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下,嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。
        (3)嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成,甚至可以进行软件正确性证明;即使过程中更换人员,花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件,其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期,实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合,考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护,同时考虑处理平台限制条件。
 
       中断
        中断是异步发生的,是来自处理器外部的I/O设备的信号的结果。硬件中断不是由任何一条专门的指令造成的,从这个意义上来说它是异步的。硬件中断的异常处理程序常常被称为中断处理程序(interrupt handler)。
               硬中断与软中断
               硬中断是由硬件产生的,例如磁盘、网卡、键盘、时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ(中断请求)。基于IRQ,CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上。
               软中断是一组静态定义的下半部分接口,可以在所有的处理器上同时执行,即使两个类型相同也可以。但是一个软中断不会抢占另外的一个软中断,唯一可以抢占软中断的是硬中断。
               可屏蔽中断与不可屏蔽中断
               可屏蔽中断和不可屏蔽中断都属于外部中断,是由外部中断源引起的。不可屏蔽中断源一旦提出请求,CPU必须无条件响应,而对可屏蔽中断源的请求,CPU可以响应,也可以不响应。
               CPU一般设置两根中断请求输入线:可屏蔽中断请求INTR(Interrupt Require)和不可屏蔽中断请求NMI(Non Maskable Interrupt)。对于可屏蔽中断,除了受本身的屏蔽位控制外,还都要受一个总的控制,即CPU标志寄存器中的中断允许标志位IF(Interrupt Flag)的控制,IF位为1,可以得到CPU的响应,否则,得不到响应。IF位可以由用户控制,指令STI或Turbo C的Enable()函数,将IF位置1(开中断),指令CLI或Turbo_c的Disable()函数,将IF位清0(关中断)。
               中断优先级
               当多个中断源同时请求中断时,而CPU一次只能响应其中的一个中断,同时为了能响应所有中断,就引入中断优先级来处理。系统会根据引起中断事件的重要性和紧迫程度,将中断源分为若干个级别,称作中断优先级。中断优先级有两种:查询优先级和执行优先级。
               查询优先级是不可以更改和设置的,在该方式下当多个中断源同时产生中断信号时,中断仲裁器会选择中断源优先处理的顺序,此过程与是否发生中断服务程序的嵌套毫不相干。当CPU查询各个中断标志位的时候,会依照优先级顺序依次查询,当数个中断同时请求的时候,会优先查询到高查询优先级的中断标志位,但并不代表高查询优先级的中断可以打断已经并且正在执行的低查询优先级的中断服务。
               由于可屏蔽的中断源很多,故需要对其进行管理,如区分是哪个中断源发出的中断信号?哪个中断源最优先及怎样处理多级中断嵌套等。为此,可使用中断控制器对多个可屏蔽中断源进行管理。
               中断控制器能够对中断进行排队管理,避免中断信号的丢失,同时支持对不同中断进行优先级的配置,使高优先级中断能够中断低优先级中断,满足系统中具有更高时间约束特性功能的需要。
               中断嵌套
               当处理器正在处理一个中断时,有比该中断优先级高的中断源发出中断请求时,如果处理器正在执行中断处理程序,那么处理器会对高优先级的中断进行立即处理,处理完之后再返回到低优先级的中断服务程序继续执行。这样就形成了中断服务程序中套用中断服务程序的情况,即中断嵌套。可嵌套中断的处理流程和中断服务框图如下图所示。
               
               可嵌套中断处理流程
 
       中断方式
        在中断方式下,I/O设备工作时CPU不再等待,而是进行其他的操作,当I/O设备完成后,通过一个硬件中断信号通知CPU,CPU再来处理接下来的工作。
        利用中断方式完成数据的输入/输出过程为:当系统与外设交换数据时,CPU无须等待也不必去查询I/O设备的状态,而是处理其他任务。当I/O设备准备好以后,就发出中断请求信号通知CPU,CPU接到中断请求信号后,保存正在执行程序的现场,转入I/O中断服务程序的执行,完成与I/O系统的数据交换,然后再返回被打断的程序继续执行。与程序控制方式相比,中断方式因为CPU无须等待而提高了效率。
        在系统中具有多个中断源的情况下,常用的处理方法有多中断信号线法(multiple interrupt lines)、中断软件查询法(software poll)、菊花链法(daisy chain)、总线仲裁法和中断向量表法。
        (1)多中断信号线法。每个中断源都有属于自己的一根中断请求信号线向CPU提出中断请求。
        (2)中断软件查询法。当CPU检测到一个中断请求信号以后,即转入到中断服务程序去轮询每个中断源以确定是谁发出了中断请求信号。对各个设备的响应优先级由软件设定。
        (3)菊花链法。软件查询的缺陷在于花费的时间太多。菊花链法实际上是一种硬件查询法。所有的I/O模块共享一根共同的中断请求线,而中断确认信号则以链式在各模块间相连。当CPU检测到中断请求信号时,则发出中断确认信号。中断确认信号依次在I/O模块间传递,直到发出请求的模块,该模块则把它的ID送往数据线由CPU读取。
        (4)总线仲裁法。一个I/O设备在发出中断请求之前,必须先获得总线控制权,所以可由总线仲裁机制来裁定谁可以发出中断请求信号。当CPU发出中断响应信号后,该设备即把自己的ID发往数据线。
        (5)中断向量表法。中断向量表用来保存各个中断源的中断服务程序的入口地址。当外设发出中断请求信号(INTR)以后,由中断控制器(INTC)确定其中断号,并根据中断号查找中断向量表来取得其中断服务程序的入口地址,同时INTC把中断请求信号提交给CPU,如下图所示。中断源的优先级由INTC来控制。
        
        中断向量表法
        在具有多个中断源的计算机系统中,各中断源对服务的要求紧迫程度可能不同。在这样的计算机系统中,就需要按中断源的轻重缓急来安排对它们的服务。
        在中断优先级控制系统中,给最紧迫的中断源分配高的优先级,而给那些要求相对不紧迫(例如几百微秒到几毫秒)的中断源分配低一些的优先级。在进行优先级控制时解决以下两种情况。
        (1)当不同优先级的多个中断源同时提出中断请求时,CPU应优先响应优先级最高的中断源。
        (2)当CPU正在对某一个中断源服务时,又有比它优先级更高的中断源提出中断请求,CPU应能暂时中断正在执行的中断服务程序而转去对优先级更高的中断源服务,服务结束后再回到原先被中断的优先级较低的中断服务程序继续执行,这种情况称为中断嵌套,即一个中断服务程序中嵌套着另一个中断服务程序。
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第9题    在手机中做本题