嵌入式基础知识

ARM 内核版本号

• 架构：如ARMv7，是ARM公司确定的，ARMv7是32位(见到的芯片多是该架构)，ARMv8是64位但也支持32位。
• 该架构定义了处理器的基本指令集、体系结构以及支持的技术特性。

ARM SoC版本号

• 内核：如Cortex-A8，是ARM公司确定的
• 分割成了三条产品线，应对市场细分需要，Cortex-A(高性能)，Cortex-R(高可靠性)，Cortex-M(低功耗、低成本)

芯片型号

• 如 S5PV210，半导体公司确定

单片机开发和嵌入式开发的区别

• 单片机可以视为嵌入式系统的一个子集，是简化版的嵌入式系统，适用于轻量级和成本敏感的应用。
• 但一般单片机开发也被叫嵌入式开发。
• 单片机开发多为裸机，也跑一些RTOS，但程序规模较小，一般使用C语言和少量汇编。
  • 外设多使用串口，I2C，ADC，SPI等简单外设。
  • 学习路线短，职业平缓。
• 嵌入式一般使用嵌入式操作系统，如liunx和Android，一般使用C、C++、JAVA语言。
  • 外设多使用网络、USB、音频解码等复杂外设。
  • 学习路线长，职业生涯久。

嵌入式系统构成特点

• 专用、软硬件可裁剪可配置
• 低功耗、高可靠与稳定
• 代码可固化，实时性，弱交互
• 专业开发环境与人员

嵌入式系统组成

• 硬件：微处理器、存储器、I/O接口、输入输出
• 软件：嵌入式操作系统、BSP（板级支持包）、应用软件

嵌入式系统分层

1. 硬件层（Hardware Layer）：这是系统的物理基础，包括处理器、存储器、输入/输出接口等硬件组件。硬件层定义了系统的物理特性和限制。
2. 板级支持包（Board Support Package, BSP）层：这一层可以视作硬件层与软件层之间的一个过渡层，负责初始化硬件、配置外设、提供硬件抽象，确保操作系统能正确识别和控制硬件。有时也被归并在驱动层讨论。
3. 驱动层（Driver Layer）：驱动程序直接控制硬件设备，为操作系统提供访问硬件的接口。这层包括各种设备驱动，如传感器、显示屏、网络接口等的驱动。
4. 操作系统内核层（Kernel Layer）：操作系统的核心部分，负责管理和调度硬件资源，如内存管理、进程管理、中断处理、线程调度等。它是硬件和应用程序之间的桥梁。
5. 中间件层（Middleware Layer）：这一层可选但重要，它提供了一系列服务和库，如网络协议栈、图形用户界面（GUI）库、数据库管理系统等，帮助应用程序开发者更高效地开发复杂功能。
6. 应用层（Application Layer）：顶层，包含用户直接交互的应用程序和服务。这一层实现了系统的最终功能，如数据采集、控制逻辑、用户界面等。
7. 在某些描述中，BSP可能被整合到硬件层或驱动层中，而中间件层可能被视为操作系统层的一部分或单独作为一个层次。

嵌入式开发模式

• 非嵌入式开发：A类机器编写与编译得到可执行程序，发布给A类机器运行。电脑->电脑
• 嵌入式开发(交叉编译)：A类机器编写与编译得到可执行程序，发布给B类机器运行。电脑->嵌入式
  • B类处理器架构和资源限制（如存储空间小、处理能力有限）不适合直接在其上进行编译操作。
  • 需要有一套针对目标平台的编译工具链（Cross Compiler），这套工具链能够生成对应于目标平台的机器代码。
  • 工具链中包含了编译器、汇编器、链接器以及针对目标平台的库文件等，确保生成的代码能够在目标平台上正确执行。
• 无法使用纯软件进行调试，需要借助专用调试器

总线

• CPU通过地址总线寻址，数据总线与外部设备交换信息。

• 总线速度决定CPU与外部设备交换信息的速度。

• 数据总线

  • 数据总线位数决定CPU单词通信交换的信息数量，32位一般指的就是数据总线位数
  • 实际运行中，32位单片机，8位16位32位数据效率相同，当数据不满32位会进行填充，但使用低字节会节省空间。

• 地址总线

  • 地址总线位数决定CPU寻址范围，如32位最多支持4G内存

程序编译过程

• C语言通过编译器变为汇编语言，汇编语言通过汇编器变为elf二进制可执行程序，通过Objcopy工具转换为bin格式烧录文件
• CPU执行程序的过程：
  • 程序计数器（PC）初始化：当单片机上电或复位时，程序计数器（Program Counter）会被初始化为某个特定的地址，这个地址通常是单片机固件中的起始位置，即程序存储区的首地址。
  • 指令读取：CPU根据程序计数器（PC）中存放的地址，从程序存储器（通常是非易失性存储器如FLASH）中读取一条指令。在大多数单片机中，这是通过内部的地址总线和数据总线来实现的。
  • 指令解码：读取的指令被送入指令寄存器，CPU对这条指令进行解码，以确定其操作码和操作数，从而理解该指令要执行的操作。
  • 执行指令：根据指令解码的结果，CPU会执行相应的操作。这可能涉及到算术逻辑运算、数据传输、控制流改变（如跳转、调用子程序）等。在执行过程中，CPU可能会访问内部或外部的数据存储器（RAM）来读取或写入数据。
  • 程序计数器更新：执行完当前指令后，程序计数器（PC）通常会自动递增，指向下一个指令的地址，准备读取并执行下一条指令。如果当前指令是跳转或分支指令，则PC会被更新为跳转目标的地址。
  • 循环执行：上述过程不断重复，CPU依次读取、解码并执行程序中的每一条指令，直到遇到停止指令（如HALT）或者受到外部中断影响而暂停当前任务去处理中断服务程序。

指令集

• CISC指令集：复杂指令集，理念是用最少的指令完成任务。
• RISC指令集：精简指令集，通过简单的指令，组合成复杂指令。

IO与内存、外存

• IO是输入输出接口，是CPU与其他外设通信的道路

  • CPU访问外设类似于访问内存的方式，将外设寄存器当作内存地址读写，称为IO与内存统一编址方式
  • 使用专用CPU的指令访问某种特定外设，称为IO与内存独立编址方式

• 内存是程序运行的场所，内存和CPU通过总线连接，通过地址访问具体内存单元。一般是RAM(DRAM SRAM等)

  • SRAM是静态内存，单片机的RAM多为这种。容量小、价格高、但上电就能用
  • DRAM是动态内存，容量大、价格低、但需要软件初始化后才能使用

• 外存是程序存储的场所，一般是ROM。常用外存由norflash、Nandflash、SD卡、硬盘等。一般是通过芯片的外存接口连接，不占用总线地址。但norflash例外。

架构

• 冯诺依曼结构：程序和数据都放在内存里，并不分离，如Intel的CPU
• 哈佛结构：程序和数据分开独立放在不同块，完全分离的结构，如大部分的单片机
  • 结构分开，程序是只读的，避免程序错误导致程序损害
  • 裸机程序链接麻烦，需要使用链接脚本告诉链接 器如何组织程序
  • 程序部分：单片机存储在片内FLASH中，通过程序计数器的地址，CPU读取指令，并由译码器解析
  • 数据部分：存储在RAM中

寄存器

• 通用寄存器：cpu组成部分，很多活动需要通用寄存器支持

• 特殊功能寄存器(SFR)：不在CPU中，存在外设中，通过访问SFR控制外设

  • 寄存器属于CPU外设的硬件组成部分，是硬件

  • 可以像访问内存一样访问寄存器

  • 由CPU硬件设计者制定(规定该寄存器是只读只写还是状态…)，留作外设被编程控制的“活动开关”，设计者事先预留的能通过编程控制硬件的后台开关

  • 寄存器是外设硬件的软件编程接口API，用软件编程控制某个硬件，其实就是读写该硬件的寄存器

Nandflash和Norflash的特点

• Norflash不需初始化可以总线直接访问，片内flash一般就是Norflash，一般用于启动。容量小价格高
• Nandflash不能总线访问，需要软件初始化后通过接口才能使用。容量大价格低

ARM的7种工作模式

• 工作模式

  • 普通模式

    • 用户模式（User）：非特权模式，应用程序通常在此模式下运行，不能访问所有系统资源。

  • 特权模式

    • 快速中断模式（FIQ）：用于需要快速响应的中断处理，、高优先级中断产生进入，拥有自己的寄存器组以加速处理过程。

    • 中断模式（IRQ）：用于一般的中断处理，低优先级中断产生进入。

    • 管理模式（Supervisor，又称SVC）：特权模式，复位或软中断指令执行时进入模式。

    • 中止模式（Abort）：当数据或指令预取发生错误（如访问权限违规或未对齐的访问）时进入此模式，用于处理存储器访问异常。

    • 未定义指令模式（Undefined）：尝试执行未定义指令时进入此模式，可以用于软件仿真硬件协处理器的指令。

    • 系统模式（System，又称SYS）：特权模式，与用户模式使用相同的寄存器集，但具有所有特权访问权限，通常用于运行具有特权级别的代码，如操作系统的某些部分或信任的系统服务，而不需要切换到SVC模式。

• CPU只能存在一种模式，模式切换可以是代码主动切换(CPSR寄存器)，也可以是CPU某些情况下自动切换

• 操作系统有安全级别要求，因此CPU设计多种模式是为了方便操作系统的多种角色安全等级需要

异常

• 异常会打断正在执行的工作，处理完成异常会重新恢复执行
• 中断是异常的一种

指令和伪指令

• 汇编指令：机器指令的助记符，编译后得到一串10组成的机器码，由CPU读取执行
• 汇编伪指令：本质上不是指令，但和指令一起写在代码中，为编译器提供指导编译过程，伪指令不生成机器码

协处理器

• Soc内部另一处理核心，协助主CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定任务
• ARM设计上支持多达16个协处理器，但一般SOC只实现CP15
• 协处理器一般与MMU、Cache、TLB等处理有关
• STM32通常不包含，但个别型号包含FPU

栈

• 空栈和满栈指的并不是空间存储的满不满，而是根据SP指针指向的位置，栈可以分为满栈和空栈
• 空栈：SP指针指向空的位置，每次是先存后移动，取出是先移动后取出。
• 满栈：SP指针指向最后一个数据的位置，每次是先移动后存，取出是可直接取出后再移动
• 升栈：随着数据的入栈，SP指针从低地址向高地址移动，称为升栈；
• 降栈：随着数据的入栈，SP指针从高地址向低地址移动，称为降栈；

Makefile

• 功能：用于管理工程。例如项目中有多个c和h文件，直接命令行编译每次输入是gcc a.c b.c d.c -o exe 很麻烦
• 使用：
  • touch Makefile，创建文件
  • 编写Makefile有三个部分：
    • 目标（Target）：想要生成的文件或执行的任务。顶格写，后面是:
    • 依赖（Dependencies）：生成目标所需要的文件或条件。
    • 命令（Commands）：生成目标要做的动作。命令前面一定是Tab，不能顶格，也不能是空格
  • 使用：直接在当前路径输入make "目标"即可

GPIO

• 可以理解为就是芯片的引脚
• 可以被编程控制工作模式和输入输出

看门狗

• 现实中因为一些外部因素，电子设备经常会跑飞或者死机，希望设备能够自动复位
• 看门狗其实是SOC内部的一种 定时器，定好时间后，在时间到达之前需要重新置位，否则系统会被复位

C语言和栈

• C语言中的局部变量都是用栈实现，启动文件中的汇编会设置好合理合法的栈地址，没有合法的栈，局部变量 就会落空，程序死掉

volatile

• 让程序在编译时，编译器不对程序进行优化 。如果一个变量易变，不希望编译器优化，在定义时加volatile

cache

• Cache（是一种高速缓存存储器，位于CPU与RAM之间。目的是为了缓解CPU与RAM之间的速度不匹配问题。
• 当CPU需要数据时，它首先会检查Cache中是否有该数据的副本。如果存在（这种情况被称为“命中”），命中率是重要的指标
• 通常使用静态随机存取存储器（SRAM）技术构建

位置无关码和位置有关码

• 位置无关编码(PIC)，在编译或汇编时生成的代码，它不依赖于特定的内存地址来执行。
• 位置有关编码，在编译或链接时被设定为预期在特定内存地址执行

链接地址和运行地址

• 链接地址：

  • 链接地址是在编译和链接过程中为代码和数据分配的逻辑地址。它是程序链接时的位置参照点，由程序员或链接脚本设定。
  • 对于位置无关的代码，链接地址可以视为一个相对参考点，因为实际执行时代码可以加载到内存的任意位置。
  • 对于位置相关的代码，链接地址就是期望程序在最终执行时所在的物理地址或虚拟地址。

• 运行地址：

  • 运行地址指的是程序在内存中实际执行时的地址，也就是程序加载到RAM后的起始地址。

  • 在嵌入式系统中，如果程序直接在Flash（如NOR Flash）中执行，则运行地址和加载地址可能相同。

  • 如果程序先加载到RAM中再执行，那么加载地址将是Flash或其他非易失性存储器中的地址，而运行地址则是RAM中的地址。

  • 通过重定位机制，程序可以在加载时或启动时从链接地址调整到运行地址，特别是对于位置有关的代码来说，这是必要的步骤。

程序段

• 编译器内部定好
  • 代码段：（.text），存放程序指令的部分，code和RO变量
  • 数据段：（.data），存放显式初始化非0的全局变量，RW变量
  • bss段：（.bss），又叫ZI段，零初始化段，对应初始化为0的全局变量，ZI变量
• 程序员自己指定
  • 段名自己制定，属性和特征也是自己定义
• 在keil的map文件中，RO size为code+RO DATA，RW size(RAM占用空间)为RW DATA+ZI DATA，ROM size(ROM占用空间)为code+RO DATA+RW DATA
• 全局变量未显式初始化为0，本质是放到bss段，保证为0。局部变量是从栈中申请，栈反复使用导致值不确定。
• 全局变量显式初始化变量，在（.data）段，在执行main之前就被初始化，SCT文件中的*(InRoot$$Sections)

SOC时钟系统

• 最常见的配置，使用外部晶体振荡器（如石英晶体或陶瓷谐振器）产生的稳定频率作为参考，再通过内部电路PLL倍频后再分频所需的时钟信号。
• 为SoC内部的各种组件提供精确的时间基准，确保所有模块能够同步工作。
• 为了功耗，时钟系统可以对不活动的模块暂时关闭其时钟信号供应，直到需要时再恢复。关闭外设，一般是关闭其时钟信号。

通信

• 最重要的是信息表达方式，解析方法，信息的传输方法。通信双方的表达和解析方法需要一致，否则无法有效传递。
• 信号的传输时指经过编码后的信息再传输介质上传输的过程

1. 同步和异步：同步通信要求发送端和接收端的时钟频率保持一致，以确保数据的正确接收。通信开始时，通常会发送同步字符来建立双方的时钟同步。异步通信不需要发送端和接收端的时钟完全同步。数据包或字符间可以有不固定的延迟，每个数据单元（如字符）传输前后有起始位和停止位来界定边界。
2. 串行和并行：并行接口允许同时通过多条线路传输多个数据位；串行接口则是逐位顺序传输数据。
3. 差分和电平：电平信号（也称单端信号）是指信号的表示依赖于信号线与一个固定参考电平（通常是地线GND）之间的电压差。差分信号是一种相对信号传输方式，它不依赖于固定的参考电位，而是通过两根信号线（称为差分对）之间的电压差来表示数据。
4. 波特率是衡量单位时间内串行通信中信号状态变化次数的指标，直接影响数据传输速度，需通信双方匹配设置以确保数据正确传输。波特率9600指1s能传输9600个二进制位
5. 单、半全双工通信：
   1. 单工通信是指数据只能在一个方向上传输，不能同时进行双向通信。
   2. 半双工通信是一种允许数据在两个方向上传输的通信方式，但与全双工通信不同的是，它不能同时进行双向传输。半双工就像是一个狭窄的道路，车辆可以双向行驶，但任何时候都只允许一方前进，另一方必须等待。
   3. 全双工通信则允许数据同时在两个方向上传输，即通信双方可以同时发送和接收信息，互不影响，就像两个人可以同时讲话和聆听对方，没有等待的时间。
6. DB9接口：是一种常见的物理连接器，广泛应用于串行通信领域
   1. UART定义(电平信号)，公头是2-RX，3-TX，5-GND，对应的母座就是2-TX，3-RX，5-GND
   2. RS485(差分信号)，接口定义为，1-DATA-, 2-DATA+, 5-GND
   3. CAN接口(差分信号)的定义：信号引脚在2与7，7脚为CAN_H，2脚为CAN_L

FIFO

• 先进先出，fifo是一种数据结构。对于通信接受或者发送的fifo，其实是一个大缓冲区，这个缓冲区的工作方式类似于FIFO，先进先出。
  • 数据管理：FIFO作为一种队列结构，保证了报文的接收顺序，即最先到达的报文会排在队列前面，等待处理器最先处理，随后到达的报文依序排队。
  • 流量控制：由于CAN总线上的数据传输速率可能与微控制器（MCU）处理这些数据的速度不匹配，FIFO可以作为一个缓冲区，帮助平衡这种速率差异，避免数据丢失。
  • 减少CPU负载：通过使用FIFO，微控制器不需要不断轮询总线状态，而是可以在FIFO中有数据可读时通过中断方式通知CPU，这样可以更加高效地利用CPU资源。
  • 多报文处理：一些CAN控制器具备双FIFO（如FIFO0和FIFO1），可以配置为接收不同优先级或类型的报文，这样处理器可以根据报文的重要程度或处理逻辑分别处理，增强了系统的灵活性和响应速度。
  • 简化软件设计：FIFO机制简化了软件层面的报文管理，开发者无需直接管理复杂的硬件读写时序，而只需关注FIFO的状态和报文处理逻辑。
• 例如，stm32的CAN接收，就有两个FIFO，每FIFO中有3个邮箱，一个邮箱可以缓存一帧报文。

DMA

• 使用DMA技术，外设可以直接与系统内存进行数据交换，而不需要CPU的干预。CPU只需初始化DMA传输过程，设定源地址、目标地址及传输量后，就可以去执行其他任务。DMA控制器负责数据的实际传输，并在传输完成后通过中断通知CPU。
• DMA的优势在于：
  1. 提高数据传输速度：因为CPU不必参与每次数据传输的读写操作。
  2. 减轻CPU负担：CPU可以同时处理其他计算任务，提高了系统整体效率。
  3. 适用于大批量数据传输：特别是对于高速I/O设备，DMA能显著提升系统性能。

定时器原理

• 定时器计时其实是通过计数来实现的。定时器内部有一个计数器，这个计数器根据一个时钟(这个时钟源来自于ARM的APB总线，然后经过时钟模块内部的分频器来分频得到)来工作。每隔一个时钟周期，计数器就计数一次，定时器的时间就是计数器计数值x时钟周期。
• 定时器内部有1个寄存器TCNT，计时开始时我们会把一个总的计数值(譬如说300)放入TCNT寄存器中，然后每隔一个时钟周期(假设为1ms)ICNT中的值会自动减1(硬件自动完成，不需要CPU软件去干预)，直到TCNT中减为0的时候，ICNT就会触发定时器中断。
• 定时时间是由2个东西共同决定的:一个是TCNT中的计数值，一个是时钟周期。譬如上例中,定时周期就为300x1ms=300ms。
• PWM：定时器是实现PWM输出的基础硬件资源之一。
  1. 定时基础：PWM信号的核心是脉冲的占空比，即高电平时间与整个周期时间的比例。要生成这样的脉冲序列，就需要一个精确的时基，这正是定时器所提供的。定时器通过一个时钟源进行计数，可以设定计数周期（即PWM的周期）和比较值（决定PWM的高电平时间），从而控制输出脉冲的宽度。
  2. 占空比控制：通过比较模块，定时器可以监控计数器的当前值与预设的比较值（通常称为比较寄存器的值，如TCMPn）。当计数器的值等于比较值时，PWM输出会翻转其逻辑电平（从高变低或从低变高），这样就实现了对脉冲宽度的控制，进而调节了占空比。
  3. 频率与周期设定：定时器的时钟频率和重装载值决定了PWM信号的频率，即单位时间内脉冲重复的次数。而比较值（TCMPn）则决定了每个脉冲的高电平时间，从而间接设定了占空比。
  4. 硬件支持：许多微控制器，如STM32系列，其内部集成的定时器通常都具有专门的PWM模式，可以直接配置为输出PWM信号。在这些模式下，定时器可以自动管理PWM信号的生成，包括更新输出状态、调整占空比等，无需过多的软件干预。