嵌入式考纲

1.嵌入式系统的前世今生及应用领域；

首个嵌入式系统：AGC

军事

• 武器控制系统
• 数字化单兵系统

工业制造

• 智能测量仪表
• 机电一体化机械设备
• 数控装置
• 工业机器人
• 可编程控制器，控制机
• 分布式控制系统
• 现场总线仪表及控制系统

仪器仪表

• DCG
• 监护仪

智能家居

智能家电

智能汽车

商业、办公自动化及通信

PMP

• protable media player

• sixth sense系统

• 可佩戴式多点触控投影机

• 健身服

• 指套探测器

• 表皮电子

• tacit project手套

• flora kit电脑

环境检测

地址灾害监控

2.嵌入式系统的发展阶段；

操作系统：

• 无操作系统阶段
• 简单操作系统阶段
• 实时操作系统阶段
• 面向Internet阶段

无操作系统阶段

将嵌入式软件固化在只读内存，汇编编程

• 前提：没有操作系统的支持，通过汇编语言对系统直接控制，运行结束后清除内存，只能执行一些单线程的程序
• 主要特点：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。使用简便，价格低。主要用于工业控制领域

简单操作系统阶段

开发简单的应用软件

• 前提：微电子工艺水平的提高

• 主要特点：出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU，此时的嵌入式系统虽然比较简单，但是初步具有一定的兼容性和扩展性，内核精巧并且效率高。主要用于控制系统负载以及监控应用程序的运行

实时操作系统

实时控制；软实时；硬实时；增加用户体验

• 前提：分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电的需求。硬件实时性的提高
• 主要特点：操作系统的实时性得到提高，能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面等功能，提供了大量的应用程序接口

面向Internet的阶段

传感网络，物联网，工业物联网，CPS（信息物理社会）

• 前提：Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合

PC时代

• 特点：PC机+Windows操作系统为主要应用开发环境，以互联网为信息共享媒介

后PC时代

• 特点：计算机微型化，提供专用、可移动、多样化硬/软件开发平台，以无线网络及互联网为信息共享媒介

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、实时性、可靠性、功耗等有严格要求的专用计算机系统

嵌入式软件系统体系结构:驱动层，操作系统层，中间件层，应用层

• 驱动层
  • 板级初始化程序
  • 与系统软件相关的驱动
  • 与应用软件相关的驱动
• 硬件抽象层
  • 通过特定的上层接口与操作系统进行交互，屏蔽了底层硬件的多样性
• 操作系统层
  • 包括 嵌入式内核，嵌入式TCP/IP网络系统，嵌入式文件系统，嵌入式GUI系统和电源管理等部分
• 中间件层
• 应用层
  • 应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成
  • 每个应用任务完成特定的工作

• 可配置，可剪裁
• 实时任务调度策略
• 适应多种处理器，可剪裁，轻量型，实时可靠，可固化
• 基于优先级的，可抢占的调度算法
• 按照应用对象有偏控制类和偏人机交互类之分

10.嵌入式操作系统的分类；

嵌入式软件系统体系结构:驱动层，操作系统层，中间件层，应用层

• 驱动层
  • 板级初始化程序
  • 与系统软件相关的驱动
  • 与应用软件相关的驱动
• 硬件抽象层
  • 通过特定的上层接口与操作系统进行交互，屏蔽了底层硬件的多样性
• 操作系统层
  • 包括 嵌入式内核，嵌入式TCP/IP网络系统，嵌入式文件系统，嵌入式GUI系统和电源管理等部分
• 中间件层
• 应用层
  • 应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成
  • 每个应用任务完成特定的工作

2. 能否简述嵌入式系统的主要特性？

• 可配置，可剪裁
• 实时任务调度策略
• 适应多种处理器，可剪裁，轻量型，实时可靠，可固化
• 基于优先级的，可抢占的调度算法
• 按照应用对象有偏控制类和偏人机交互类之分

3. 能否简述嵌入式系统的分类？

• 嵌入式处理器的位数

4.8.16.32.64位嵌入式系统

• 应用

信息家电类，移动终端类，汽车电子类，工业控制类，通信类

• 速度

• 强实时系统，毫秒或者微妙
• 一般实时系统，几秒
• 弱实时系统，数十秒或更长

• 确定性

• 硬实时系统

如果系统响应时间不能满足，会引起系统崩溃或致命的错误

• 软实时

不会导致系统出现致命错误或崩溃

• 嵌入式系统软件复杂程度

• 循环轮询系统

• 有限状态机系统

• 前后台系统

• 单处理器多任务系统

• 多处理器多任务系统

• 嵌入式系统的商业模式
  • 商业型
  • 开源型

• 高性能、低成本、低功耗
• 大量的寄存器，可用于多种用途
• Load/Store体系结构，多寄存器Load/Store指令
• 3地址指令（两个源操作数寄存器和结果寄存器）
• 每条指令都条件执行
• 能通过协处理器指令集扩展ARM指令集，在编程模式下增加了新的寄存器和数据类型
• 在Thumb体系结构中以高密度16位压缩形式表示指令集

2.ARM 各体系架构版本与各系列产品的特点；

• A:面向简短的基于虚拟内存的操作系统和用户应用
• R:针对实时系统
• M:对微控制器和低成本应用提供优化

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3.能够举例分析ARM微处理器系列芯片的特点？

• 广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备

• 主要应用于引擎管理，仪器仪表，安全系统和机顶盒等领域

• 允许在硬件中执行Java字节码
• 主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业公职、存储设备和网络设备等领域

• 使用向量浮点（VFP）单元VFP10提高高性能的浮点解决方案
• 用于视频游戏机和高性能打印机等场合

• 应用于手提式通讯和消费类电子类设备

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。

• 特点：
  1. 使用两个独立的存储器模块分别存储指令和数据，使用两条独立的总线进行访问
  2. CPU可以进行进行的操作，提高处理器的执行效率

冯.洛依曼结构的处理器指令和数据使用同一个存储器

• 特点：
  1. 指令和数据存储字相同的内存空间，但是存储地址不同
  2. 处理器利用相同的总线处理内存中的指令和数据，指令和数据具有相同的数据宽度，指令和数据无法同时存取

ARM状态，此时处理器执行32位的、字对齐的ARM指令
Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字节对齐的Thumb指令

ARM微处理器开始执行代码是，应该处于ARM状态

进入Thumb状态：

• 大概操作数寄存器的状态为位1时，采用执行BX指令的方法
• 当处理器处于Thunb状态发生异常时，在异常处理返回时，自动切换到Thumb状态

进入ARM状态

• 当操作数寄存器的状态位为0时，执行BX指令
• 处理器进行异常处理时，把PC指针放入异常模式链接寄存器中，从异常向量地址开始执行程序

ARM指令集和Thumb指令集在应用上的区别？

1. 并非所有ARM指令都有对应的Thumb指令
2. Thumb代码使用的存储空间比ARM少，指令数更多，执行速度快，功耗更低

ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合

从零字节到三字节放置第一个存储的数据
从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列
作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB
ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，分别是大端格式、小端格式

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• 后五种为异常模式，程序和特定异常进入，每个异常模式都有独立的寄存器
• 用户和系统模式使用完全相同的寄存器组

8.ARM 状态下的寄存器组织（未分组的寄存器

、分组寄存器、

PC 寄存器）；

任何时候，通用寄存器R14-R0、程序计数器PC、一个或两个状态寄存器都是可以访问的

R0-R7为未分组的寄存器,在中断或异常处理时，使用相同的物理寄存器

R8-R12为分组寄存器，取决于当前的处理器模式，有两组寄存器，一组用于FIQ，一组用于其它

R14为链接寄存器（LR），保存子程序返回地址；发生异常时，将R14对应的异常模式版本设置为异常返回地址。将PC的当前值拷贝个R14,执行完子程序后，将R14的值拷贝会PC

寄存器R13常作为堆栈指针.

寄存器R15用作程序计数器（PC）。

在ARM状态下，位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC；

在Thumb状态下，位[0]为0，位[31:1]用于保存PC；

CPSR反映了当前处理器的状态：

4个条件代码标志（负(N)、零(Z)、进位©和溢出(V) ）；
2个中断禁止位，分别控制一种类型的中断；
5个对当前处理器模式进行编码的位；
1个用于指示当前执行指令(ARM还是Thumb)的位。

• CPSR：当前程序状态寄存器，反映当前处理器的状态
• SPSR：备份程序状态字，保存异常发生前的CPSR

10.异常的基本概念及分类；

非预知的引发处理器暂时脱离正常指令序列并转到另外的 程序段去运行的现象

异常包括异常和中断两种类型。

（1） 异常 (Exceptions) 是因指令的执行而产生的，属于软件触发， 且大部分是不可屏蔽的。

（2） 中断 ( Interrupt) 通常是由电信号作用到处理器专门的中断 请求引脚触发的，属硬件触发。而且通常 可以通过对中断屏蔽位的设置禁止或允许 对其的响应

ARM处理器共设置了七种不同类型的异常，包括：

• 两种硬件触发的中断：
• 普通中断(IRQ)；快中断(FIQ)
• 五种软件触发的异常：
  • 复位; 未定义指令; 软件中断; 指令预取中止; 数据中止

对异常的响应：

1. 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR，以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行
2. 将CPSR复制到相应的SPSR中
3. 根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位
4. 强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处，同时设置中断禁止位，以禁止中断发生

异常返回：

1. 将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中
2. 将SPSR复制回CPSR中
3. 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除

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 {} {s}	 ,{,}

<>号内的项是必须的，{}号内的项是可选的

opcode:指令助记符；cond：执行条件

S:是否影响CPSR寄存器的值

Rd:目标寄存器； Rn：第一个操作数的寄存器

op2:第二个操作数

14.ARM9 的指令系统（跳转指令、数据处理指令、

杂项指令、饱和算术指令）

存储器访问指令：

• 把数据从存储器到寄存器中的传送叫加载，数据从寄存器到存储器的传送叫存储
• 分为3类：单寄存器数据加载/存储指令；多寄存器加载/存储指令；数据交换指令

数据处理指令：

• 只能对寄存器得内容进行操作，不允许对存储器中得数据进行操作，也不允许指令直接使用存储器的数据或在寄存器与存储器之间传送数据
• 分为三大类：数据传送指令；算数逻辑运算指令；比较指令

跳转指令：

• 即分支指令，能够跳转到指定地址或根据跳转地址的最低位来切换处理器状态

• 助记符	说明	操作	条件码位置
  B label	分支指令	PC<–label	B {cond}
  BL label	带链接的分支指令	LR<-PC-4, PC<-label	BL{cond}
  BX Rm	带状态切换的分支指令	PC<-Rm，切换处理器状态	BX{cond}
  BLX RM	带链接与状态切换的指令	LR<-PC-4,PC<-Rm,切换处理器状态	BLX{cond}

协处理器指令：

• 初始化ARM处理器、协处理器处理数据，协处理器与处理器数据交互等

杂项指令：

• 软中断指令，读状态寄存器指令，写状态寄存器指令，断点指令

15.ARM 的四条伪指令（ADR、ADRL、LDR、NOP）；

• ADR：将基于PC相对偏移的地址值或基于寄存器相对偏移的地址值读取到寄存器中
• ADRL：基于PC相对偏移的地址值或基于寄存器相对偏移的地址值读取到寄存器中，比ADR伪指令读取更大范围的地址
• LDR：用于加载32位的立即数或一个地址值到指定寄存器
• NOP：在汇编时将会被代替乘ARM中的空操作

Unix操作系统：诞生了c语言，只能自己使用和发放到大学得科研机构中
Minix操作系统：用于教学，开放源码。微内核结构
GNU计划：1987年6月完成得11万行源代码开放得编译器
POSIX标准
Internet：

RedHat:使用数量最多得Linux发行版

Debian：自由社会使用最多得发行版

Ubuntu：基于Debian的一个发行版

从Linux诞生以来，Linux内核就没有停止过升级，从1991年0.01版本到1999年具有里程碑意义的2.2版本，一直到我们现在看到的x.x.xx版本

• Linux内核版本有两种：稳定版和开发版
• Linux内核的命名机制：num.num.num（第一个数字是主版本号、第二个数字是次版本号、第三个数字是修订版本号）

4.Linux 主机开发环境搭建；

• 光盘
• 硬盘
• 网络安装（HTTP,FTP,NFS）
• 虚拟机（Xen，VMware）
• u盘启动。。。

5.Linux 基本命令（用户系统相关命令、文件目录相

令、网络相关命令）；

文件目录命令

文件操作命令：

文本文件查看命令：

压缩打包相关命令：

6.Linux 软件的安装；

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文档编辑VI

GCC工具

GDB工具

Make工具

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9.vi 的基本操作命令；

i:在当前光标所在处插入要输入的字符，光标后面的字符会向后退

o:在光标所在行的下方插入一行

a:从当前光标的下一个字符的位置添加字符，已存在的字符会向后退

• 预处理：分析各种预处理命令，如#define,#include,#if
• 编译：根据输入文件产生汇编语言程序
• 汇编：将汇编语言输入，产生扩展名为.o的目标文件
• 链接：以.o目标文件，库文件作为输入，生成可执行文件

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11.GCC 的常用选项及 GCC 的常用编译指令；

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[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pC9Nsp8V-1608779280954)(D:\数据可视化\大数据分析学习\图片\image-20201221190653166.png)]

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GCC常用编译指令：

12.GDB 的基本用法与命令；

• 编译时使用调试选项 gcc -g hello.c main.c -o hello
• 启动GDB
• help查询命令用法
• quit或ctrl+d退出GDB

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[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VmmiVMsd-1608779280957)(D:\数据可视化\大数据分析学习\图片\image-20201221191052133.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-aG804qZE-1608779280958)(D:\数据可视化\大数据分析学习\图片\image-20201221191112205.png)]

13.Make 程序和 Makefile 文件；

Make：自动编译所有内核代码文件，要

使用make工具程序，必须编写一个名称为

makefile（或Makefile）的文件。

Makefile:主要包含一些make要遵守的执

行规则和要求执行的命令等内容，用于告诉

make需要对所涉及的源文件做哪些操作和处

理以生成相应的目标文件。

14.Makefile 里主要包含的五个东西；

显式规则，隐含规则，变量定义，文件指示和注释

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16.make 的工作原理；

1. make在当前目录下找名字为Makefile或makefile的文件
2. 将文件中的第一个目标文件作为最终目标文件
3. 如果最终目标文件不存在或者最终目标文件依赖的后面的.o文件的文件修改时间更新，执行后面定义的命令生成最终目标文件
4. 如果依赖的.o文件不存在，make在当前文件中找目标为该.o文件的依赖规则，生成.o文件

17.Makefile 的语法-常用变量、自动变量、自动生成

依赖性、伪目标；

• = 使用时展开
• := 定义时展开
• += 变量追加
• ?= 若未定义则定义，若一定义则不执行此定义

自动推导文件以及文件依赖关系后面的命令

伪目标：即便该命令执行出错，make也不管：.PHONY

1.GUN ARM 汇编编程基础： GUN ARM 汇编语句

格式、常用的预定义寄存器名称、GNU 汇编语言定

义入口点、常用伪操作（.end；.include；.gobal）。

GUN

执行指令，伪操作，伪指令

R0-R15:通用寄存器

A1-A4:入口参数，处理结果，暂存

IP：保存栈指针

LR：链接寄存器

CPSR:当前程序状态寄存器

SPSR:程序状态备份寄存器

GNU

汇编程序段：text代码段，数据段，未初始化，端数据

默认入口时_start标号，也可以使用ENTRY标记指明其他入口点

十进制，二进制0B，八进制0，十六进制

字符串“xxx\n”

表达式，其他符号使用与C语言类似

常用伪操作：数据定义伪操作，函数定义伪操作

伪操作：穿插在汇编编译、链接程序将源程序正确生成目标代码并合理分配存储区的一类符号

.end：表明源文件的结束

.include：在指定位置展开文件

.gobal：全局标号

主要作用：标识段的气质及属性，定义数据的类型，分配存储区大小，定义过程及其类型，表示程序的结束位置等

理解例题，会写展开代码

用GNU ARM汇编1程序设计实现20的阶乘，并将其64位结果放在R9和R8寄存器中（其中R9放高32位，R8放低32位）

.global _start
.text
_start:
		MOV R8, #20     @低32位初始化为20
		MOV R9, #0      @高32位初始化为0
		SUB R0,R8, #1   @初始化计数器
Loop:
		MOV R1,R9          @暂存高位值
		UMULL R8,R9,R0,R8  @[R9 : R8] = R0 * R8 R9存储高8位的值，R8存储低8位的值
		MLA R9,R1,R0,R9    @R9 = R1 * R0 + R9
		SUBS R0,R0,#1      @计数器递减
		BNE Loop           @计数器不为0时继续循环
.Stop:
		B Stop
.end                       @文件结束

• 如果某个函数可被多个任务并发调用而不会造成数据错误，则该函数具有可重入性
• 可重入函数可在任意时刻被中断，稍后继续运行时不会造成错误
• 解决：

1. 将全局变量变为局部变量
2. 使用信号量操作
3. 使用中断处理函数：Disable_IRQ()

硬件部分：

1. 复制CPSR到SPSR_
2. 设置正确的CPSR位
3. 切换到
4. 保存返回地址到LR_
5. 设置PC跳转到相应的异常向量表入口

软件部分：

1. 把SPSR和LR压栈
2. 把中断服务程序的俱存其压栈
3. 开中断，允许嵌套中断
4. 中断服务程序执行完后，恢复寄存器
5. 弹出SPSR和PC，恢复执行

• 汇编代码简洁，采用内联汇编
• 将汇编程序以文件的形式加入到项目中，按照ATPCS过程调用标准

子程序间通过寄存器R0-R3传递参数

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FTcETynE-1608779280960)(D:\数据可视化\大数据分析学习\图片\image-20201223145818873.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zRDe5PBs-1608779280961)(D:\数据可视化\大数据分析学习\图片\image-20201223145828860.png)]

汇编程序调用C程序

1. 在汇编程序中使用import伪指令事先声明将要调用的C语言函数
2. 通过BL指令来调用c函数

c程序调用汇编程序

1. 在汇编程序中使用EXPORT伪指令声明被调用的子程序，表示该子程序将在其他文件中被调用
2. 在C程序中使用extern关键字声明要调用的汇编子程序为外部函数

内联汇编：

• 事先一些高级语言不能事先或者不容易事先的功能
• 时间要求紧迫
• 支持大部分ARM指令和Thumb指令

asm(
汇编语句模板
输出部分
输入部分
修改部分（用寄存器保存下来）
)

1.宿主机－目标机开发模式；

宿主机：资源丰富

目标机：资源受限

4种链接方式：串口，以太网，USB，JTAG

()为中间得到的结果文件

代码编程(c/汇编源程序)->交叉编译(OBJ文件)->交叉链接(系统映像文件)->重定向与下载到目标板->目标板与宿主机开发平台一起调试

• 交叉编译指在一种平台上编译出能在另一种平台（体系结构不同）上运行的程序
• 本地编译在本机平台上编译出能在本机上运行的程序