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嵌入式系统课程笔记

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发布于：Jan 1, 2000
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自主可控嵌入式系统课程提纲

第一课

  1. 嵌入式系统的定义；
    • 应应用为中心、计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统
  2. 嵌入式系统和通用计算机的区别；
    a. 专用性: 专门的处理器、功能算法的专用性、系统对用户透明
    b. 小型化(资源有限): 结构紧凑、资源有限
    c. 软硬件设计一体化: 软硬间依赖强，一般协同设计
    d. 需要交叉开发环境: 开发需要在宿主机完成
  3. 嵌入式实时系统的特点；
    a. 专用性: 专门的处理器、功能算法的专用性、系统对用户透明
    b. 小型化(资源有限): 结构紧凑、资源有限
    c. 软硬件设计一体化: 软硬间依赖强，一般协同设计
    d. 需要交叉开发环境: 开发需要在宿主机完成
  4. 嵌入式系统的应用领域；
    a. 工业控制
    b. 信息化时代
    c. 物联网
    d. 定制芯片、算法优化
  5. 嵌入式系统的三要素；
    a. 嵌入性: 嵌入到对象体系中，有对象环境要求
    b. 专用性: 软硬件按对象需求裁剪
    c. 计算机: 实现对象的智能化功能
  6. 嵌入式处理器的分类。
    a. 表现形式分类
    i. 系统级
ii. 板级
iii. 片级
    b. 实时性要求分类
    i. 非实时， 如PDF
ii. 软实时， 超时性能下降，消费类产品
iii. 硬实时，超时导致失败，工业和军工

第二课

  1. 冯诺依曼和哈弗体系结构的区别
    a. 双体
    b. 双独立总线
  2. 组合逻辑型和存储逻辑型控制器的区别
    a. 组合逻辑型(RISC)
    i. 指令类型少、功能简单、寻址方式少、硬布线
ii. 规整
    b. 存储逻辑型(CISC)
    i. 微指令
ii. 复杂
  3. 理解流水线、CPU字长对CPU性能的影响
    a. 指令并行执行
    b. cpu效率
    c. 多流水线
    d. CPU字长: 微处理器一次能处理的数据宽度
  4. CPU寄存器与内存的区别
    a. 内置于cpu
    b. 速度区别
  5. RISC和CISC的主要区别（指令集、流水线、寄存器、Load/Store结构四个方面）
    a. CISC复杂指令集计算机，RISC精简指令集计算机
    指标 RISC CISC
    指令集 一周期一指令;简单组复杂;固定长度 长度不固定;执行需要多个周期
    流水线 每周期前进一步;易流水线 指令执行需要调用微程序
    寄存器 多通用寄存器 特定目的的专用寄存器
    load/store 独立的l/s指令 处理器直接处理存储器的数据

第三课

  1. ARM的历史（了解）
    a. arm = advanced risc machine
    b. arm = 公司名 = 处理器架构 = 技术 = 商标
    c. 特点
    - 小体积、低功耗
- L/S
- 16/32双指令集
- 3地址指令格式
    d. 字32bit
  2. Thumb工作状态（了解）
    a. 16bit指令长度
    b. 32bit执行效率
  3. ARM的7种运行模式（用户、系统、5种异常模式）
    a. usr、sys、fiq、irq、svc(管理)、abt(中止)、und(未定义)
    b. 除了用户外都是特权
    c. 除用户和系统外都是异常
  4. 37个寄存器的组织形式（R13、R14、R15以及状态寄存器的作用）
    a. 1 pc
    b. 30 通用
    c. 1 cpsr
    d. 5 spsr
    e. R0R7未分组
    f. R8    R12专门多给fir一组
    g. R13, R14, SPSR异常模式各有一组，快速返回
    - (非异常模式没有SPSR)
    h. R9(SB), R10(SL), R11(FP)
    i. R12(IP), R13(SP), R14(LR)
    j. R15(PC)

第四课

基本指令格式

1
<opcode>{cond}{S}<Rd>, <Rn>{,<operand2>}
  • 前4bit(31~28)都是用于表示条件的
  • {S}表示是否影响标志位，有S将影响
  • !的作用是写回使能, 数据传送完毕后将最后的地址写入基地址寄存器
  • e.g. ADDNE会判断标志符再执行
  1. 充分理解Load/Store结构
  2. 指令分类（主要掌握数据处理类、Load/Store类和跳转类）
    • 数据处理指令
    • load/store指令
    • 跳转指令
    • CPSR处理指令
    • 异常产生指令
    • 协处理指令
  3. 掌握3地址指令格式，理解条件码和条件执行；
    • 条件码: 高4bit
    • 三地址指令格式: 4(dst), 4(src), 12(imm) => 第二个源操作数细节
  4. 掌握寻址方式，重点理解立即寻址、寄存器寻址、寄存器移位寻址、基指寻址和变址寻址。
    • 立即寻址: 只有第二源操作数可以立即数, #前缀
      • 立即数: 8(常数) + 4(偶数移位个数:刚好表示32bit), 0x0001_0000_0010不合法, 0x0010_0000_0100合法
    • 寄存器寻址：mov r0, r1, r2: r0 = r1 + r2
    • 寄存器移位寻址: add r3, r2, r1, LSL #3: r3=r2+(r1>>3)
      • 因为12bit有冗余, 第三个寄存器只用4bit还是8bit = 3(type) + 5(移位数值)
    • 基址寻址: 针对load/store: ldr/str r0, [r1]
      • 注意数据传送方向：ldr r0, {r1-r4}将r0指示的4个存储器传送到r1-r4. str r0, {r1-r4}将r1-r4保存到r0指示的存储器中
    • 变址寻址: ldr/str r0, [r1, r2, #4]
      • U控制位, 1时加偏移，0时减偏移

第五课

  1. 了解具体指令。

  • 变址模式

  • 后缀!

  • 块拷贝寻址STM, LDM

    • IA, IB, DA, DB & FD, FA, ED, EA.
      • Increase after/before都是相对传输指令的after/before
    • 压栈，出栈的操作数顺序(区分递减栈，递增栈)

  • mov

  • mvn

  • add, adc

  • sub, sbc

  • rsb, rsc 逆向减

  • and, orr, eor, bic

  • cmp, cmn, tst, teq

  • mul, mla

  • L/S

    • ldr, ldrb(B), ldrh(2B)
    • str, strb, strh
    • ldm, sdm
    • swp, swpb
      • swp r0, r1, r2 => r0 <- r2, r2 <- r1

  • B指令

    • b, bl(r14), bx(thumb), bxl

  • 状态寄存器

    • mrs(r<-s), msr(s<-r)

  • 异常产生指令

    • swi
    • bkpt

  • 协处理器指令

    • cdp, ldc, stc, mcr, mrc

第六课

  1. 了解ARM汇编，看课件最后的几个汇编示例。

符号定义

  • gbla, gbll, gbls
  • lcla, lcll, lcls
  • 寄存器变量：名 RLST {r0-r5, r8, r10}

数据定义

  • storg, ltorg
  • map/^
    • map 0x100, r0
  • field/# 
    1
    2
    3
    4
    5
    定义数据结构
    map 0x100
    A filed 16
    B filed 32
    C filed 256
  • space/%
    • DataSpace % 100(初值0, B)
  • dcb(B), dcw(半字), dcd/&(字), dcfs(float), dcfd(double), dcq(8B)
    • str DCD "string", 指定初始化内容
    • TODO 字半字的意思

伪操作

1
2
3
if expr
else
endif
1
2
while exp
wend
1
2
3
4
5
macro
	{标号} 宏名 {参数} {...}
mend

mexit   跳出宏

信息报告

  • assert
  • info
  • opt
  • ttl, subt

其他

  • align
  • area
  • code
  • entry
    • 一个文件只能有一个入口，多个文件导致多入口时，入口由连接器决定
  • equ/*
    • test * 0x55, code3
  • export/global
  • import/extern
  • get/include
1
2
3
area 段名, code,readonly,alien=3
	...
end

ARM伪指令

  • adr
  • adrl
  • LDR: 将任意一个32bit常数或地址加载到寄存器(即超出imm表示范围时，自动通过缓冲池间接加载)
    • 注意与ldr汇编指令的区别，注意使用=
    • LDR R1, =0xff 汇编后：LDR R1, =0xff
    • LDR R1, =0xfff 汇编后：LDR R1, [pc, OFFSET_TO_LPOOL]
  • BL，子程序调用(存LR)
  • CMPNE R1, #1, ADDEQ R2, R3, R4

程序实例

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		AREA Init ，CODE，READONLY ；定义一个代码段
		ENTRY ；标识程序的入口点
start 	LDR R0 ，=0x3FF5000 ；接下来为指令序列
		MOV R1 ，0xFF
		STR R1 ，［R0］
		LDR R0 ，=0x3FF5008
		MOV R1 ，0x01
		STR R1 ，［R0］
			；可以有其他段
			；数据缓冲池的位置
		END ；程序结束

子程序调用

1
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3
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6
7
8
9
		AREA Init，CODE，READONLY
		ENTRY
start 	MOV R0 ，#10
		MOV R1 ，#30
		BL subname ；调用子程序subname
return	……
subname	ADD R0，R0，R1 ；子程序
		MOV PC， LR ；从子程序返回
		END

条件执行

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int gcd (int a , int b)
{
	while (a!=b){
		if (a>b)
			a=a-b;
		else
			b=b-a;
	}
	return a;
}

		AREA gcd, CODE, READONLY ALIGN=3
		ENTRY
Start 	CMP R0, R1
		BEQ stop
		BLT less
		SUB R0, R0, R1
		B start
less 	SUB R1, R1, R0
		B start
stop 	NOP
		MOV PC, LR
1
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3
4
5
6
7
		AREA gcd, CODE, READONLY ALIGN=3
		ENTRY
start 	CMP R0, R1 ；比较a和b大小
		SUBGT R0, R0, R1 ；if(a>b) a=a-b
		SUBLT R1, R1, R0；if(a<b) b=b-a
		BNE start ；if(a!=b) 跳转，继续
		MOV PC, LR

信号量操作

1
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4
5
6
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8
	SEM EQU 0x40003000
	…
SEM_WAIT
	MOV R1, #0
	LDR R0, = SEM
	SWP R1, R1, [R0] ;取出信号量， 并设置其为0
	CMP R1, #0 ;判断是否有信号
	BEQ SEM_WAIT ;若没有，则等待

数据块复制

ppt

跳转表

ppt

第七课

TODO

  • armcc c编译器
  • armcpp c++编译器
  • armcc 遵循ansi c标准，输出elf格式目标文件
  1. 了解C运行时库
    • 运行时库：一种被编译器用来实现编程语言内置函数，以提供该语言程序运行时支持的一种特殊的计算机程序库
    • 如memcpy、printf、malloc
    • arm的c编译器支持ansi c运行时库
    • arm c运行时库是二进制形式提供的
    • 用户可以指定运行时库
    • semihost 利用主机资源实现目标机器上运行的程序所需的输入/输出功能的一些技术
  2. 宏和函数的区别
    • 宏名出现的每个地方都编译一次
    • 函数的代码只编译一次
    • 宏不用恢复上下文，也不用返回, 函数相反
    • 简单代码用宏，复杂代码用函数
  3. volatile关键字的作用
    • 告诉编译器该变量可能在程序之外修改(如读写端口) 
      1
      2
      3
      4
      5
      {
      	*port = 0x1			{
      	*port = 0x2 	=> 		*port = 0x3
      	*port = 0x3			}
      }
    • 不对violatile变量进行优化
    • 不对violatile变量使用缓冲技术
  4. 什么是内嵌汇编
    • __asm
  5. 汇编和C的混合编程（主要理解参数如何传递）
    • 参数可变子程序
      • 参数<=4时，R0~R3传递
      • 参数>4时，可以使用堆栈传递, eg ppt
    • 参数固定子程序
      • 第一个整数参数，使用R0~R3传递
      • 其他出纳书通过堆栈传递
      • 有关浮点运算需要特殊处理
    • 子程序返回
      • 一个32bit整数时，R0
      • 一个64bit整数时，R0和R1，以此类推
  6. 了解ARM异常响应过程（理解为主）
    a. 正常执行一条pc+4
    b. 中断发生
    i. 执行完当前指令后，跳转到相应异常中断处理程序
ii. 执行完成后，返回发生中断时的下一条指令
iii. 进入异常中断时保留现场，返回时恢复
    c. TODO 中断向量表
    d. TODO arm对异常中断的响应
    e. TODO

第八课

  1. 了解指令集架构（ISA）和国内ISA生态
    a. TODO
  2. RISV-V的主要特征：
    1. 开源
    2. 重新设计（后发优势）
    3. 简单的美学
    4. 模块化的指令集
    5. 指令集可扩展
  3. 鲲鹏920使用的指令集架构是ARM v8 64位
  4. 鲲鹏920生产使用的制程是7nm
  5. 相比于上一代的鲲鹏916，鲲鹏920处理器的计算核数提升1倍，最多支持64核

第九课

  1. 嵌入式系统最小系统的构成（电源、时钟、复位、存储）
  2. SDRAM和Flash（NandFlash、NorFlash）的异同
    • DRAM
      • 电容存储，不断刷新，读写慢，集成高，成本低
    • SDRAM
      • 同cpu和芯片组共享时钟
    • NorFlash
      • 芯片内执行
      • 比NandFlash快
      • 写入、擦除慢，按块进行
    • NandFlash
      • 读写按照512B进行，按块
      • 擦除单元更小

第十课（了解为主）

1.外部接口（GPIO控制、触摸屏和LCD）

第十一课

  1. 嵌入式操作系统的特点
    • 实时性
      • 确定性
      • 响应性
      • 响应时间
    • 可移植性
    • 可配置、可裁剪性
    • 可靠性
    • 应用编程接口：每个操作系统系统的系统调用不同
  2. 多任务程序设计结构（前后台结构、事件触发结构、操作系统的基本概念）
    • 前台，后台，事件触发
  3. 多任务系统的相关概念
    1. 任务的概念（可以和前后台结构做对比）
      • 整个应用被划分为多个任务来处理
    2. 任务的三个基本状态和互相转换关系
      • 运行，阻塞(等待)，就绪
    3. 任务的切换（任务上下文）
      • cpu寄存器的全部内容
    4. 任务的调度（任务级调度、中断级调度）
      • 调度点：任务因资源进入等待，ISR结束
    5. 调度策略（抢占式调度、非抢占式调度）
      • 非抢占: 主动让出，封闭，响应慢
      • 抢占: 响应快，不封闭，需可重入
  4. 对临界区的理解（关中断、开中断）
    • 方法有：关中断，禁切换，信号量，CAS
    • 响应时间，开销，注意事项
  5. 对共享资源的互斥管理
    • 信号量、消息队列、事件、管道等

第十二课

TODO

1.了解uC/OS中任务的状态（就绪、运行、挂起、休眠和中断）
- 就绪
- 运行
- 挂起: 等待或延迟
- 休眠: 任务创建之前的状态，驻留的空间没有还给系统
- 中断
2.理解任务就绪表的工作机制（优先级位图算法，3种操作）
- 就绪: 填OSRdyGrp和OSRdyTbl, bitmap(07)置位
- 挂起: 清零OSRdyGrp和OSRdyTbl, bitmap(07)置位
- 调度: 根据OSRdyGrp和OSRdyTblbitmap，取优先级
3.uC/OS的任务级调度和中断级调度（重在理解） TODO
- OSSched()
- OSIntExit()
4.时钟节拍（重在理解）TODO

  • OS_ENTER_CRITICAL(), OS_EXIT_CRITICAL()
  • <++>
  • <++>

第十三课（要求能编程实现多任务应用）

  1. 任务的创建
    • OSInit(void)
    • OSTaskCreate(task, args ,stack, prio)
    • OSStart()
  2. 任务的挂起与恢复机制
    • OSTaskSuspend(int prio)
    • OSTaskResume(int prio)
  3. 任务延迟OSTimeDly的实现机制（利用时钟中断）
    • OSTimeDly(int ticks)

第十四课（要求能编程应用信号量）

  1. uC/OS中事件的概念（事件等待队列的实现机制和任务就绪表一致）
  2. uC/OS中信号量的实现机制（创建、P操作和V操作）
    • P: s– 后 s< 0入等(资源– 后刚好0, 那就是刚好申请到)
    • V: s++ 后 s<=0出等(资源++ 后仍是0, 那就是最后一个等待刚好出)
    • 信号量cnt是16bit
    • P OSSemPend
    • V OSSemPost
  3. 信号量超时机制。
    • OSEventTO(OS_EVENT *pevent)

第十五课（理解为主）

  1. 优先级反转的概念
    • 优先级继承
    • 优先级天花板
    • ucos -> PIP(优先级继承优先级)融合以上
      • 保留一个优先级做pip
  2. uC/OS中互斥型信号量实现机制
    • TODO
  3. 了解其它任务间通信机制（邮箱、队列和事件标志组）
    • 邮箱：向另一个任务发送指针变量
    • 消息队列
    • 事件标志组，多对多，一个标志触发多个
  4. 了解内存分区管理
    • ucos内存 分区 处理
      • 分配和释放固定大小
      • 大小有几种不同的类型
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|------------|
| next       |	(void**)addr
| blk dataa  |
|------------|
| next       |
| blk data   |
|------------|
| next       |
| blk data   |
|------------|

用连续内存建立单向链表的过程：

plink = (void**)addr; 				// 获取链表项指针
pblk = (int8*)addr + blksize; 		// 计算下一项地址
for(i = 0; i<(nblk-1); i++) {
	*plink = (void*)pblk; 			// 当前项指向下一项
	plink = (void**)pblk; 			// 更新链表表项指针
	pblk = pblk + blksize; 		 	// 计算下一项地址
}

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