问答题
试题四(共15分)
阅读下列说明、图和表，回答问题1至问题3，将答案填入答题纸的对应栏内。
[说明]
某公司承接了一个控制系统的项目，由王工负责系统的方案设计。王工的设计方案如图4-1所示。该方案是基于VME总线的多机并行处理系统，由主控制模块作为VME总线的主设备，即总线控制器，负责整个系统的控制与管理；3个数据处理模块作为从设备，负责数据处理与计算；1个I／O模块也作为从设备，负责系统与外部接口之间的高速数据通信。同时，为了简化设计，该系统5个模块均采用同一款VME协议芯片，实现内总线和VME总线的连接。
该系统中每个模块的相关信息见表4-1所示。
该系统中每个模块的相关信息见表4-1所示。
问答题
[问题1](6分)
王工设计采用共享存储器方式，进行多机之间的通信。VME共享存储器的地址空间映射，分为输出窗口和输入窗口两部分。输出窗口实现处理器本地地址空间到VME总线地址空间的映射，输入窗口实现VME总线地址空间到处理器本地地址空间的映射。
输出窗口空间设置说明：为了每个模块能访问到其他4个模块，在每个模块的处理器本地地址空间中开辟5M空间，映射到VME总线上的5M地址空间。映射关系见表4-2。
输入窗口空间设置说明：每个模块分配1M的VME地址空间，并将这1M空间映射到处理器本地RAM区域中，专门用于VME通信数据缓冲区。映射关系见表4-3。
输入窗口空间设置说明：每个模块分配1M的VME地址空间，并将这1M空间映射到处理器本地RAM区域中，专门用于VME通信数据缓冲区。映射关系见表4-3。
【正确答案】 (1) 0xD020’0000
(2) 0x00F0’0000
(3) 0xD000’0100
(4) 0x00F0’0100
【答案解析】试题四分析
本题考查嵌入式系统中计算机总线、存储、DMA等相关知识及应用。
[问题1]
该系统是基于VME总线的多机并行处理系统，采用共享存储器方式进行多机之间的通信，定义了5MB的VME空间，用于主控制模块等5个模块之间的VME通信。
VME总线的共享存储器方式，通过地址空间映射来实现，分为输出窗口和输入窗口两部分。输出窗口实现处理器本地地址空间到VME总线地址空间的映射，本系统中每个模块配置了相同的5MB的处理器输出窗口地址空间(0xD000’0000～0xD04F’FFFF)，用于映射到VME总线上的5MB地址空间(0x0000’0000～0x004F’FFFF)。输入窗口实现VME总线地址空间到处理器本地地址空间的映射。本系统中按照模块顺序，每个模块将1M的VME地址空间，映射到处理器本地RAM区域中(0X00F0’0000～0x00FF’FFFF)，专门用于VME通信数据缓冲区。整个系统的映射关系图4-3所示。
问答题
[问题2](3分)
如表4-1所示，该系统中采用的处理器有大端和小端两种工作模式。王工设计VME总线上传输的数据全部采用小端方式，那么当处理器通过VME总线发送数据时，需要根据自己的工作模式，对数据进行必要的转换，以符合协议要求。
当I/O模块向主控制模块发送控制命令0xAABBCCDD，那么它写入VME总线的实际数据是____(1)____，当主控制模块向数据处理模块3和I/O模块发送控制命令0x12345678，那么它写入VME总线的实际数据是____(2)____和____(3)____。
【正确答案】 (1) 0xAABBCCDD
(2) 0x78563412
(3) 0x78563412
【答案解析】 数据在计算机中表示时，有大端和小端两种格式。大端模式是指数据的高位保存在内存的低地址中，而数据的低位保存在内存的高地址中，这样的存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理，地址由小向大增加，而数据从高位往低位放。小端模式是指数据的高位保存在内存的高地址中，而数据的低位保存在内存的低地址中，这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低，与用户的逻辑方法一致。
例如，数字0x12345678在内存中的表示形式为：
1．大端模式：低地址——————＞高地址0x12 | 0x34 | 0x56 | 0x78
2．小端模式：低地址——————＞高地址0x78 | 0x56 | 0x34 | 0x12
从软件处理的角度上，不同端模式的处理器进行数据传递时必须要考虑端模式的不同。如进行网络数据传递时，必须要考虑端模式的转换。其中互联网使用的网络字节顺序采用大端模式进行编址，而主机字节顺序则根据处理器的不同而不同，如PowerPC处理器使用大端模式，而Pentium处理器使用小端模式。大端模式处理器的字节序到网络字节序不需要转换；而小端模式处理器的字节序到网络字节必须要进行转换。
在该系统中，VME总线上传输的数据全部采用小端方式，但主控制模块、数据处理模块1、数据处理模块2、数据处理模块3均采用大端方式处理器，因此发送到VME总线上的数据要进行大端到小端模式的转换，而从VME总线上接收的数据，要进行小端到大端模式的转换，但I／0模块由于采用的是小端模式的处理器，则不需要进行转换。
问答题
[问题3](6分)
为了提高数据通信的性能，在进行大数据量通信时，王工设计采用DMA的方式。DMA通信方式能够满足高速VME设备的需求，也有利于发挥CPU效率。该VME协议芯片有两种DMA工作方式：一种是直接方式(Direct mode)，一种是链方式(Linked_listmode)。在直接方式下，在每次数据传输前，需要驱动程序对DMA控制寄存器进行设置，然后进行DMA传输，并等待传输完成，或者异常错误。直接方式是一种软件和硬件同步工作方式。在链方式下，驱动程序只需要设置命令包。在通信过程中，硬件根据命令包的内容完成传输，并根据链中的下一个命令包，继续传输，直到所有命令包完成或者异常错误。链方式是一种软件和硬件异步工作的方式。
图4-2是DMA直接方式的流程图，请补全流程图，并将答案填写在答题纸的对应栏中。
【正确答案】 (1)设置DMA目的地址或(2)
(2)设置传输长度或(1)
(3)设置DMA传输启动位
(4)DMA是否正常终止
【答案解析】 DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)是所有计算机的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来传输数据，而不需要依赖于CPU的大量负载。DMA传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。当CPU初始化这个传输动作，传输过程则由DMA控制器来实行和完成，如图4—4所示。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存区。这样的操作并没有让处理器工作拖延，反而可以被重新安排去处理其他的工作。DMA传输对于高效能嵌入式系统是很重要的。
在实现DMA传输时，由DMA控制器直接掌控总线，因此，存在着一个总线控制权转移问题。即DMA传输前，CPU要把总线控制权交给DMA控制器，而在结束DMA传输后，DMA控制器应立即把总线控制权再交回给CPU。一个完整的DMA传输过程必须经过DMA请求、DMA响应、DMA传输、DMA结束4个步骤。
(1)DMA请求
CPU对DMA控制器初始化，并提供要传送的数据的起始位置、目的地址和数据长度。并向I／O设各发出启动操作命令，I／O设备提出DMA请求。
(2)DMA响应
DMA控制器对DMA请求判别优先级及屏蔽，向总线裁决逻辑提出总线请求。当CPU执行完当前总线周期即可释放总线控制权。此时，总线裁决逻辑输出总线应答，表示DMA已经响应，通过DMA控制器通知I/O设备开始DMA传输。
(3)DMA传输
DMA控制器获得总线控制权后，CPU即刻挂起或只执行内部操作，由DMA控制器输出读写命令，直接控制RAM与I/O设备进行DMA传输。
在DMA控制器的控制下，在存储器和外部设备之间直接进行数据传送，在传送过程中不需要中央处理器的参与。
(4)DMA结束
当完成规定的成批数据传送后，DMA控制器即释放总线控制权，并向I/O设备发出结束信号。当I／O设备收到结束信号后，一方面停止I／O设备的工作，另一方面向CPU提出中断请求，使CPU从不介入的状态解脱，并执行一段检查本次DMA传输操作正确性的代码。最后带着本次操作结果及状态继续执行原来的程序。
由此可见，DMA传输方式无需CPU直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为RAM与I／O设备开辟一条直接传送数据的通路，使CPU的效率大为提高。