嵌入式系统开发技术知识点——计算机三级——墨白

计算机等级考试三级

——嵌入式系统开发技术

LDR是存储器到寄存器的数据传送指令，题中是基址加变址寻址，且存储器值改变

伪指令在源程序中的作用是为完成汇编程序作各种准备工作，这些伪指令仅在汇编过程中起作用，一旦汇编结束，伪指令的使命就完成。

DCB为数据定义伪指令，用于分配一片连续的字节存储单元，并用伪指令中指定的表达式初始化。

DCB为ARM汇编器所支持的数据定义伪指令，用于分配一片连续的字节存储单元并用指定的数据初始化；

CODE16；伪指令通知编译器，其后的指令序列为16位的Thumb指令

CODE32 伪指令通知编译器，其后的指令序列为32位的ARM指令

MyTest EQU 15000；定义一个32位常量MyTest，值为15000

EXPORT伪指令用于在程序中声明一个全局的标号，该标号可在其他的文件中引用，可用GLOBAL代替，D项解释正确，故此题选择A、B。

EQU是等于伪指令，用于为程序中的常量、标号等定义一个等效的字符名称，最大数为32位，C正确；

EXTERN是外部标号引用声明伪指令，用于通知编译器要使用的标号在其他的源文件中定义，但要在当前文件中引用。

条件码标志

N=1负数

Z=1零

C=1加法包括（CMN）进位，减法包括（CMP）不进位

V=1溢出

EQ为相等

CS为无符号数大于或等于

VS溢出

LS为无符号数小于或等于

在ARM汇编语言程序中，子程序的调用一般是通过BL指令来实现的。

IMPORT伪指令用于通知编译器要使用的标号在其他的源文件中定义但要在当前源文件中引用；

MOV PC,LR在ARM汇编中用于子程序的返回。

CPRS为当前程序状态寄存器，记录了ARM运行过程中的标志状态；其中T为ARM与11111Thumb指令切换，F为禁止快速中断FIQ的控制位。

ARM对异常的响应过程如下：

将CPRS的值保存到将要执行的异常中断对应的各自SPSR中；

设置CPSR的相应位；

将引起异常指令的下一条地址（断点地址）保存到R14中；

给PC强制赋值，转入向量地址，以便执行相应的处理程序。

MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权；

MMU进行虚拟地址到物理地址的转换通过查找页表来完成，每次在访问内存时先查TLB，查不到时再到内存中去查整个页表。故MMU通过查TLB表得到的是物理地址

MMU控制存储器访问顺序

MMU控制存储器的访问权限

RS-232接口标准的最长通信距离为15m

基于UART可以构成RS-232接口和RS-485接口。RS-232接口标准的最长通信距离为15m，而RS-485接口标准的最长通信距离为1200m。RS-485通常用于主从式多机通信系统，采用轮询方式，由主机逐一向从机寻址，当从机地址与主机发送的地址一致时，才建立通信链接，进行有效数据通信。

-----------------μCOS-II------------------------------ OSTickISR() 时钟节拍中断服务子程序，与时间管理相关。

OS_Sched() 任务调度

OSIntExit() 中断退出函数

OSTaskCreate() 任务创建

OSQCreate( )创建事件控制块

真正实现任务切换的函数是OSCtxSw()

任务级的调度是由函数OSSched()完成

中断级的调度是由函数OSIntExit()完成

main()函数在执行过程中，除了用户函数和硬件初始化函数之外，需要按顺序执行以下三个主要的μC/OS-II函数：OSInit()；OSTaskCreate()；OSStart()。

μC/OS-II不支持时间片轮转调度法，因此赋给每一个任务的优先级是不相同的。μC/OS-II是抢占式实时操作系统内核且每个任务拥有自用栈。

μC/OS-II属于源码公开的实时嵌入式操作系统。

μC/OS-II的每个任务都是一个无限的循环。每个任务都处在以下5种状态之一的状态下。

这5种状态是休眠态、就绪态、 运行态、挂起态（等待某一事件发生）和被中断态。

μC/OS-II基本不包含设备驱动程序，只是一个纯内核。

μC/OS-II驱动程序属于底层，需要系统开发商自行开发。

使用μC/OS-II的栈空间校验函数，可以确定每个任务到底需要多少栈空间。

OSSched（）函数是任务调度的前导函数，判断进行任务调度的三个条件是否满足。

这三个条件是：（1）中断嵌套层数共享全程变量OSIntNesting=0，也就是所有的ISR已经执行完毕。

（2）任务调度加锁层数共享全程变量OSLockNesting=0，也就是调度没有被禁止。调度器上锁函数OSSchedlock（）对共享变量OSLockNesting做加1操作，用于禁止任务调度，直到任务完成后，再调用给调度器开锁函数OSSchedUnlock （）对共享变量OSLockNesting做减1操作。（

3）就绪表查找到的最高优先级任务的优先级比当前任务的优先级高。

OS_CPU_C.C用于创建任务的自用栈空间、定义用户接口hook函数原型等。

OS_CORE.C为核心调度代码，功能包括系统初始化、启动多任务调度开始运行、任务创建管理与调度、TCB初始化、就绪表初始化、ECB初始化、任务事件就绪表、空闲任务等。

OS_MEM.C为内存管理，包括创建分区、获得存储块等。

OS_TASK.C为任务管理，包括改变一个任务的优先级、创建或者删除一个任务、挂起一个任务、恢复一个被挂起的任务等。

在μC/OS-II中，OSInit()函数先建立最初的任务就绪表，然后建立4个空白的数据链表。它们分别是任务控制块链表、事件控制块链表、标志链表和内存控制块链表。

一旦OSStart() 函数开始执行，就标志着μC/OS-II进入了多任务调度的正常运行状态。

基于μC/OS-II的嵌入式系统，其一般具有四层软件结构：最上层是应用软件层，然后是应用程序接口层，内核层，最下面是设备驱动层。

μC/OS-II系统内核提供的基本功能有： ___任务管理____、任务间通信与同步、任务调度、时间管理和 ___内存管理____等。

μC/OS-II允许中断嵌套，嵌套层数可达255层

集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快。

Unicode/UTF-16采用的是双字节可变长编码。ASCII字符、标点符号、希腊字母、阿拉伯文和CJK汉字等均使用双字节编码，其他不常用字符则使用4字节编码。

嵌入式处理器的体系结构按指令集可分为两大类：复杂指令集结构（CISC）和精简指令集结构（RISC）。

进一步细分，按存储机制分为冯·诺依曼结构及哈佛结构。冯·诺依曼结构中数据和程序统一，使用一条总线；而哈佛结构中使用两条独立的总线，不允许指令和数据并存。指令集和存储机制可以共存。ARM处理器采用RISC结构。

ARM状态是32位指令的状态，指令代码全部是4个字节长度

Thumb状态为16位指令状态，指令长度为16位

Thumb-2状态兼容16位指令和32位指令编码

ARM与Thumb间可以互相切换。如果Thumb状态进入异常处理（异常处理要在ARM状态下进行），则当异常返回时，将自动切换到Thumb状态。

复位后为ARM状态

堆栈指针SP使用的寄存器是R13,

链接寄存器LR使用的寄存器是R14，

程序计数器PC使用的寄存器是R15。

CPSR是当前程序状态寄存器；

ARM处理器支持8位、16位和32位数据处理

MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权；嵌套向量中断控制器缩写是NVIC；

MPU为ARM处理器的存储器保护单元

MMU为ARM处理器的存储器管理单元

ARM复位后PC指针指向某个唯一的地址

除复位异常，其他所有异常处理完毕之后必须返回到原来程序处继续向下执行：

恢复原来被保护的用户寄存器；

将SPSR_mode寄存器值复制到CPSR中；

根据异常类型将PC值恢复成断点地址；

清除I和F标志，允许IRQ和FIQ中断。

ARM公司把ARM11之后的基于ARM Cortex-R内核和ARM Cortex-M内核的系列处理器称为嵌入式Cortex处理器。

ARM处理器中的R13被用作堆栈指针SP。当不使用堆栈时，R13 也可以用做通用数据寄存器，R14（link register）存储子程序的返回地址。

异常：

1复位，

6未定义指令，

6软件中断，

5指令预取中止，

2数据中止，

4外部中断请求，

3快速中断请求

在ARM汇编语言程序中，子程序的调用一般是通过BL指令来实现的。B为（无）条件转移，BL为带链接转移，BX为带状态切换的转移，BLX为带链接和切换的转移。

---------------------I2C------------------------------------ I2C即集成电路互连总线

I2C可用于连接嵌入式处理器及其外围器件，它是广泛采用的一种串行 ___半____双工传输的总线标准。I2C总线中，发起数据传输操作的I2C器件是 ___主____控器件。

I2C总线可以挂接多个器件，其中主动发起数据传输操作的I2C器件是主控器件（主器件），否则它就是从器件。

I2C传送数据时，每次传送的字节数目没有限制

I2C总线只有两条信号线，一条是数据线SDA，另一条是时钟线SCL，所有操作都通过这两条信号线完成。

I2C总线属于多主总线，即允许总线上有一个或多个主控制器件和若干从器件同时进行操作，通过总线仲裁的方式确定总线控制权；

I2C只有两条信号线，数据线SDA和时钟线SCL，所有操作都通过这两条信号线完成；

USB有多个版本，如USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、USB 3.0等。

USB总线（1.1和2.0）有4根信号线，采用半双工差分方式，用来传送信号并提供电源。Mini USB也提供电源。

USB总线通常采用主从方式，它有一个主机，负责管理所有USB设备的连接与删除、发起与USB设备的通信等。

对SPI的操作，首先要选择让基于SPI接口的从设备的SSEL处于被选中状态，表示将要对该从设备进行操作，然后才能按照SPI时序要求进行数据操作；

CAN总线是针对实时性要求很强的工业控制领域推出的适应多主系统的有线通信接口，能够实现多主通信；CAN总线的数据帧由7个不同的域组成，其中域的长度可选为0~8 B；

CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性；

一般面向控制应用领域的ARM芯片内部已经嵌入了CAN总线控制器，外部仅需要连接CAN的收发器即可构建完整的CAN网络。

UART即通用异步收发器，是可以用于全双工串行异步通信的；

它由发送器、接收器、控制单元以及 ____波特率___发生器等构成。

ARM芯片中的UART收发信息时，可以采用FIFO模式，也可以采用普通模式；

UART传送信息的格式以起始位开始，以停止位结束；

UART传送信息时，一次传送的数据位可为5、6、7、8位，由编程决定；

基于UART可组成RS-232接口。

AMBA 是ARM公司公布的总线协议，其中文名为"先进微控制器总线体系结构"；

用于连接和管理片上系统中各功能模块的开放标准和片上互连规范；

AMBA有多个版本，至2011年，AMBA已从AMBA1.0发展到了AMBA4.0，性能随版本的发展而逐步提高，ARM7采用AMBA1，而ARM9采用AMBA2。

按照AMBA规范，以ARM内核为基础的嵌入式处理芯片采用系统总线与外围总线的层次结构构建片上系统。

AMBA的系统总线主要用于连接高带宽快速组件。

AMBA的外围总线主要连接低带宽组件以及与外部相连的硬件组件。

系统总线通过桥接器与外围总线互连。

AMBA 是ARM公司公布的总线协议，是用于连接和管理片上系统 (SoC) 中功能模块的开放标准和片上互连规范。

标准规定了ARM处理器内核与处理器内部高带宽RAM、DMA以及高带宽外部存储器等快速组件的接口标准，也规定了内核与ARM处理器内部外围端口及慢速设备接口组件的接口标准。

按照AMBA总线规范，以ARM内核为基础的嵌入式处理器芯片采用系统总线与外围总线两层结构的方式构建片上系统。

连接到系统总线上高带宽组件主要包括：电源管理与时钟控制器、测试接口、外部存储器控制接口、DMA控制器、USB主机、中断控制器等；

RTC是与外围总线连接的硬件组件。

ARM内部的DMA控制器（直接存储器访问控制器）是一种硬件组件，使用它可以将数据块在内存与外设以及内存与内存之间互相传送，且传输过程不需要CPU参与，可显著降低处理器负荷；

DMA主控制器与AMB的系统总线部分相连；

在ARM处理芯片中，许多与外部打交道的通道如串行通信端口、USB接口等既可以由ARM内核控制其数据传输，也可以通过DMA控制器控制数据传输。

DMA连接在AMBA的系统总线上；

DMA一般采用向量中断或嵌套向量中断方式管理中断，

向量中断区分中断的优先级，并且每个中断都有各自的中断处理程序地址，

高优先级的中断可以进入低优先级中断的处理过程中，待高优先级中断处理完成后再继续执行低优先级中断处理。

GPRS是GSM用户可用的一种移动数据业务，通常支持用AT指令集进行呼叫、短信、传真、数据传输等业务；

凡使用802.11系列协议的无线局域网又称为WiFi；

蓝牙是一种支持短距离通信的无线低速通信技术，它采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信；

嵌入式系统中的常用无线模块主要包括GPS、GPRS、WiFi、蓝牙及通用射频通信模块等，通信连接接口有UART，也有基于USB的。

GPC和GPD作为LCD液晶屏接口引脚。

RTC组件的寄存器读/写有一个使能位，这是与其他模块不同的地方，在访问RTC寄存器之前需要先打开这个使能位，在读或者写结束以后关闭此位，其他时间里此位也是关闭的，这是为了保护系统的实时时钟不受误写。

实时时钟模块RTC采用单独的供电引脚和单独的时钟源，采用32.768KHz晶体，由XTIrtc和XTOrtc引脚接入，通过2^15时钟分频器得到1Hz的脉冲，进而得到时钟的最小单位时间1s。

-------------------------Linux------------------------------- Linux的源代码与Unix的源代码是完全不同的，尽管函数和命令的功能、

处理结果、函数名称和参数十分相同，以及Unix的行命令、驱动程序和应用程序在Linux上能够运行。Unix是优秀的主流操作系统，Linux属于一种"类Unix"系统，Linux的运行效率还没有超过Unix。 同一个应用程序在UNIX环境下的运行速度和效率往往高于Linux环境

Linux内核主要由5个子系统组成：进程调度（SCHED），内存管理（MM），虚拟文件系统（VFS），网络接口（NET），进程间通信（IPC）。

Linux内核包含进程管理、内存管理、文件管理、网络接口和进程间通信等模块；

Linux内核的主要作用是：进程管理与调度、内存管理、文件管理、网络接口和进程间通信。

进程调度模块负责控制进程对CPU资源的使用，所采取的调度策略是使得各个进程能够公平合理地访问CPU，同时保证内核能及时地执行硬件操作。

Linux内存管理模块的功能之一是屏蔽各种硬件内存结构的差异并向上返回统一的访问接口

支持进程之间各种通信机制，其通信机制主要包括信号、管道、消息队列、信号量、共享内存和套接字

Linux内核为用户进程提供了一个虚拟接口（系统调用）。

系统调用是Linux中用户进程与操作系统之间的重要接口。

嵌入式Linux操作系统由用户进程、OS服务组件和Linux内核3个子系统组成。

用户进程是在Linux系统上运行的应用程序集合，某个应用程序在Linux操作系统环境下运行时，它就成为一个用户进程；

OS服务组件是位于Linux操作系统内核之上的一层服务模块或实用程序的集合；

Unix、嵌入式Linux、WinCE、Mac OS、Android OS和DOS操作系统是典型的单内核操作系统。属于微内核结构的典型嵌入式操作系统有Symbian、VxWorks、QNX、μC/OS-II、iOS等。

IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应该具备7个特征：具有异步

I/O和中断处理能力；任务切换时间和中断延迟时间确定；优先级中断和调度；抢占式调度；内存锁定；连续文件；同步。

Tiny OS是UC Berkeley开发的开放源代码操作系统，属于深度轻量级的操作系统；专为嵌入式无线传感网络设计，功耗较低，特别适合传感器这种受内存、功耗限制的设备；Tiny OS的技术特点是轻线程、主动消息、事件驱动和组件化编程。

μC/OS-II/III是小型嵌入式操作系统内核，不含设备驱动程序和文件系统；μC/OS-II是开放源代码的操作系统，而它的升级版μC/OS-III是商用操作系统；μC/OS-II具有良好的可裁剪性和可移植性，能够支持的任务数最多为64；任务按优先级抢占式调度方式进行。

Android（安卓）是一种以Linux为基础的半开放源代码操作系统，主要使用于移动便携设备；如果使用不同的软件开发包，则使用的编程语言也不同。谷歌公司不对基于Android操作系统的第三方软件进行严格控制，从而促使第三方应用软件发展迅速。

VxWorks操作系统属于大型商用操作系统， μCLinux RTLinux μC/OS-II 均属于开源操作系统，

四个选项中仅有C选项的RTAL是典型的嵌入式Linux操作系统之一，其中文含义是实时应用接口。

QNX是由加拿大QSSL公司（QNX Software System Ltd.）开发的分布式实时操作系统，符合POSIX基本标准和实时标准，使其应用可以方便的进行移植；它具备一个很小的内核，即微内核的操作系统；内核提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理。

iOS的系统结构分为以下4个层次：核心操作系统，核心服务层，媒体层，触摸框架层（the Cocoa Touch Layer），因此A正确；WinCE的主要优点是源代码数量庞大，API函数丰富，B正确；Windows Phone 8针对Windows Phone7的不足之处进行了大量技术升级，因此C错误；Android是国际上目前最流行的手持设备开发平台之一，

微内核操作系统是对单内核做了结构改进后推出的，在这种操作系统内核机构中，将任务管理、调度器、中断管理和进程间通信模块编译成一个功能精简、空间紧凑的模块，称为微内核；内核小巧，传统操作系统内核中的许多部分都被移出内核，采取服务器方式实现；所有进程请求使用统一接口，进程不需要区分内核模式和用户模式服务。

单内核结构是传统操作系统采用的结构，也称为宏内核（Macro Kernel）。其缺点是占内存空间大，缺乏可扩展性，维护困难，任务执行时间的可预测性较低，可靠性较低，排除故障和增加新功能需要重编译。其优点是应用程序生成效率高，系统花在内核功能切换上的开销非常小，对外来事件反应速度快，操作系统内核的运行效率高；Android是典型的单内核操作系统。

---------------------开发-----------------

嵌入式系统的开发平台包含大量开发工具，软件开发工具通常包括：项目管理器、编辑器、编译器、连接器、定位器等；

这些软件开发工具往往都使用统一的用户界面并作为一个整体提供给开发人员使用，以提高开发工作效率；

有的开发平台中还包含一些中间件和软件组件，以满足特定应用领域的各种应用开发；

嵌入式系统的开发平台大多采用宿主机-目标机的架构，宿主机是开发用机，目前大多数运行Windows操作系统，而应用软件的开发和调试都是通过宿主机开完成。

利用ADS1.2工具软件来开发基于ARM微处理器的嵌入式系统应用程序时

一个工程项目中至少应包含一个生成目标，ARM提供的可执行输出文件的模板包括了下面3个生成目标：Debug、Release、DebugRel。

ADS1.2采用工程项目形式来管理应用程序中涉及的源文件、库文件、头文件等。工程项目中可以按照一定的逻辑关系来分组管理文件。

当地址映射关系比较简单时，使用编译、连接选项来确定输入文件的连接顺序。

当地址映射关系比较复杂时，使用scatter（分散加载）格式的文件来确定输入文件的连接顺序。