240328Note: em - arm

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240328Note: em - arm

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1.ARM处理器与中断

1.1 CPU的内部结构？

CPU的内部结构大致可以分为？

控制单元（指令寄存器、指令译码器、操作控制器）
运算单元（算数逻辑单元）
存储单元（专用寄存器和通用寄存器）
时钟

1.2 CPU跟内存、虚拟内存、硬盘的关系

CPU要调用的程序和数据来自硬盘，但是CPU又不能直接读写硬盘上的系统、程序和数据，所以必须先将硬盘的内容存储在内存中，才能被CPU读写
内存是一个中转站，对计算机的运行速度有较大的影响
当系统需要的内存空间大于实际的物理内存空间时，就需要用到虚拟内存。虚拟内存可以将部分硬盘空间模拟成内存空间，将暂时不运行的程序和不使用的数据存储到硬盘上，需要时再将其存储到内存上。

1.3 ARM结构处理器可以分为哪几类？

嵌入式微处理器
- 由通用计算机的CPU演变而来，位数在32位以上，具有较高的性能
嵌入式微控制器
- 又成单片机，一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM、RAM、总线、定时/计数器、I/O、A/D等各种必要的功能和外设
嵌入式DSP
- 嵌入式数字信号处理器，硬件结构和指令进行特殊设计，非常擅长高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、频谱分析）

1.4 嵌入式微处理器和DSP有什么区别？

微处理器偏控制、DSP偏运算
微处理器外围接口丰富，标准化、通用性、功耗控制等做的更好，适用于消费电子、家用电器等控制领域
DSP对系统结构和指令做了优化，能进行大量数据的快速计算，适用于音视频处理等领域

1.5 ARM处理器有哪些工作状态？ARM指令和Thumb指令有什么区别？

ARM处理器共有ARM、Thumb/Thumb-2、调试三种状态
ARM指令是32位，较全面；Thumb指令是16位，较精简
Thumb-2，Thumb-2状态兼容16位和32位指令，具有Thumb-2计数的ARM处理器无需在ARM和Thumb-2状态之间切换
调试状态，处理器处于停机调试

1.6 RISC精简指令集计算机和CISC复杂指令集计算机的区别

RISC控制器多采用硬件连线控制方式，以期更快的执行速度；而CISC控制器绝大多数采用微程序控制方式
RISC只有加载和存储指令可以访问内存，数据处理指令只对寄存器的内容操作，为了加速程序的运算，RISC会设置多组寄存器，并指定特殊用途的寄存器，因此通用寄存器数量较CISC多。CISC架构允许数据处理指令对内存进行操作，因此需要的寄存器数量比较少。
RISC大多数是在一个时钟周期内完成，且指令长度统一、数量少；而CISC的复杂指令通过CPU内的微码来完成，需要多个时钟周期，而指令长度不一、数量多
RISC在实现一个功能的时候，需要的指令数目多，编译器设计就更复杂；CISC的指令丰富，它的编译器可以少做很多事
RISC较CISC更容易实现指令流水线，因为其指令大多在一个时钟周期内完成。

1.7 ARM内部传输数据的总线有哪些？

ARM内部传输数据采用ARMA总线，共4个版本

AMBA1：ASB、APB
AMBA2：AHB、APB
AMBA3：AHB、AXI、ATB、APB
AMBA4：AXI、ATB、ACE、APB

1.8 中断是嵌入式系统中重要的组成部分，这导致了很多编译开发商提供了一种扩展：让标准C支持中断。具体表现是，产生了一新的关键字_interrupt，下面的代码就是使用了_interrupt关键字去定义了一个中断服务子程序ISR，这段代码有什么问题

__interrupt double compute_area(double radius){
	double area = PI * radius * radius;
	printf("Area = %f", area);
	return area;
}

对于单片机来说，ISR不能传递参数
对于单片机来说，ISR不能有返回值
在许多的处理器/编译器中，浮点运算一般都是不可重入的。此外，ISR应该是短而有效率的，在ISR中做浮点运算是不明智的。
与第三点一样，printf()经常有重入和性能问题。
重入一般可以理解为一个函数在同时多次调用，例如操作系统在进程调度过程中，或者单片机、处理器等中断的时候会发生重入的现象。以下情况之一的多数是不可重入函数：
- 使用了静态数据结构
- 调用了malloc或free
- 调用了标准I/O函数，标准IO库很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构
- 进行浮点运算。许多的处理器/编译器中，浮点一般都是不可重入的，浮点运算大多使用协处理器或者软件模拟来实现

1.9 简述处理器中断处理的过程

处理器在中断处理的过程中，一般分为以下几个步骤：

中断请求
中断响应
保护现场
中断服务
恢复现场
中断返回

1.10 保护现场、恢复现场的过程？

保护现场
- 中断进栈：首先将r0-r7快速中断或r0-r12其他中断push进堆栈中保存，并将堆栈指针保存在对应中断模式的R13（SP）中
- 保存下一条指令：把即将执行的下一条指令（PC-4）的地址保存到对应中断模式的R14（LR）中；把CPSR的值保存到对应中断模式的SPSR中，以实现对处理器当前状态、中断屏蔽及各标志位的保护
- 设置CPSR的相应位：设置CPSR的相应位：设置CPSR[4:0]的5位以相应的工作模式；CPSR[5] = 0 切换到ARM状态；设置CPSR[7] = 1禁止IRQ中断；如果进入复位模式或FIQ模式，还要设置CPSR[6] = 1 以禁止FIQ中断
- 执行中断程序：给程序计数器PC强制赋值，转入中断向量，执行相应的中断服务程序
恢复现场
- 将原来保存在堆栈的R0-R12或R0-R7 POP出栈，赋值给相应的寄存器
- 将LR的值赋值给PC，将SPSR的值赋值给CPSR中，恢复被中断的程序状态

1.11 复位中断与其他中断有什么不同？

当中断产生后，复位中断立即中止当前指令的执行，其余情况都是当处理器完成当前指令后，再去响应中断
如果是复位中断，系统自动从0x00000000（8个0）开始重新执行程序，无需中断返回

1.12 什么是中断向量？什么是中断嵌套？

中断向量：中断服务子程序的入口地址
中断嵌套：中断系统正在执行一个中断服务程序时，有另一个优先级更高的中断源提出请求，这时会暂停当前正在执行的级别较低的中断源的服务程序，处理级别更高的中断源。处理完毕后再返回到被中断了的中断服务程序。

1.13 外部中断请求IRQ和快速中断请求FIQ的异常向量地址分别为？

0x0000 0018,0x0000 001C

1.14 中断的优缺点

优点：实现CPU和I/O设备的并行，提高CPU的利用率和系统的性能
缺点：中断处理过程需要保护现场、恢复现场，整个过程需要一定的时间和空间开销。如果中断的频率太高，会降低系统的性能

1.15 中断服务程序能不能有参数和返回值？

在单片机裸机程序中，中断服务既不能有参数，也不能有返回值
但是在带操作系统的嵌入式系统中，中断服务程序可以有参数，也可以有返回值

2. 寄存器与存储器

2.1 ARM的31个通用寄存器R0-R15中，程序计数器PC位R15，程序链接寄存器为R14，堆栈指针寄存器SP位R13.

2.2 寄存器掉电会丢失数据吗？

寄存器是由触发器构成的，因此掉电会丢失数据

2.3 NOR Flash与NAND Flash的区别和联系？

特性	NOR Flash	NAND Flash
单位	字节	页，一般位512字节
容量	一般为1-16MB	一般为8-128M
成本	较高	较低
性能	比NAND Flash稍快	写入、擦除速度比NOR Flash快很多
接口	带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节	使用复杂的I/O来串行地存取数据，8个引脚用来传送控制、地址和数据信息
耐用性	最大擦写次数是十万次	最大擦写次数是一百万次
软件支持	写入和查出需要MTD，Memory Technology Devices，内存计数驱动程序，运行代码不需要任何软件	写入、擦除、运行代码都需要MTD

2.4 SRAM、DRAM、SDRAM的区别

SRAM：静态的随机存储器，加电情况下，不需要刷新，数据不会丢失，CPU的缓存就是SRAM
DRAM：动态随机存储器，加电情况下，也需要不断刷新，才能保存数据，最为常见的系统内存
SDRAM：同步动态随机存储器，即数据的读取需要时钟来同步，也用作内存

2.5 磁盘和硬盘的关系

磁盘包括软盘和硬磁盘，硬磁盘又叫硬盘

2.6 RAM是什么？

RAM是随机存储器，速度快，可随机读写，但断电则丢失数据，一般用作内存
RAM的种类有很多，常见的有SRAM、DRAM、SDRAM

2.7 ROM是什么？

ROM是只读存储器，速度慢，不能直接与CPU进行交互，断电后数据部丢失，一般用来保存断电不丢失的程序
常见的ROM有，PROM、EPROM、EEPROM

2.8 SRAM跟DRAM的区别？

特性	SRAM	DRAM
存储原理	触发器	电容
是否刷新	不需要	需要
运行速度	快	慢
存储成本	高	低
发热量	大	小
送行列地址	同时送	分两次送
破坏性读出	否	是
集成度	低	高

2.9 ARM在不同工作模式时使用的寄存器有所不同，但共同点是？

R0-R7为公用的通用寄存器
CPSR为公用的当前程序状态寄存器
R15为公用的程序计数器PC

2.10 CPU要先对cache做什么，才能读取DMA数据？

答案：CPU要先对cache做一个invalidate作废操作，再从内存中读取数据到缓存，保证缓存和内存中数据的一致性，才能读取DMA数据。

解读：

为了正确进行DMA操作，DMA，direct memory access，必须进行必要的缓存操作，缓存操作分为invalidate作废和writeback写回
DMA从外设读取数据供CPU使用，可先进行invalidate作废操作，这样一来，处理器在读取缓存中的数据前，会先从内存中读取数据到缓存，保存缓存和内容中数据的一致性
DMA初始化设置由处理器提供数据时，可先进行writeback写回操作。这样一来，可以在DMA传输前将缓存的数据写回到内存中，保证内存和缓存中数据的一致性

2.11 大小端各自的优点是什么？

大端优点：符号位在低地址的第一个字节中，便于快速判断数据的正负和大小
小端优点：CPU做数值运算的时候是依次从内存的低位到高位取数据进行运算，这样运行效率更高。强制数据转换不需要调整字节内容，因为1、2、4字节数据的存储方式一样

2.12 缓存技术的作用是什么？

改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
提高CPU和I/O设备之间的并行性，提高系统的吞吐量和设备的利用率
减少对CPU中断频率，放宽对中断响应时间的限制

2.13 缓存技术的种类

单缓冲
双缓冲
多缓冲
缓冲池

I/O接口，17

3.1 GPIO口一般有哪三个寄存器

以S3C2410为例，有控制寄存器、数据寄存器、上拉寄存器

控制
数据
上拉

3.2 GPIO的输入输出模式有哪些？

输入：浮空输入、带上拉输入、带下拉输入、模拟输入
输出：开漏输出、推挽输出、开漏复用输出、推挽复用输出

模式	解释
浮空输入 _IN_FLOATING	浮空输入，可以做KEY识别
带上拉输入_IPU	IO内部上拉电阻输入
带下拉输入_IPD	IO内部下拉电阻输入
模拟输入_AIN	应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
开漏输出_OUT_OD	IO输出0接GND，IO输出1则悬空，需要外接上拉电阻才能输出高电平。当输出1时，IO口的状态由上拉电阻拉高，但同时IO口也可由外部电路拉低，可以通过输入数据寄存器读取电平变化，实现C51的IO双向功能
推挽输出_OUT_PP	IO输出0接GND，IO输出1接VCC，读输入值是未知的
复用功能的推挽输出_AF_PP	片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
复用功能的开漏输出_AF_OD	片内外设功能（TX1，MOSI，MISO，SCK，SS）

3.3 请说明总线接口UART、USB、SPI、IIC的异同点

总线接口	串/并	同步/异步	速率	线路	线路	距离	大小端
UART	串行	异步	全双工	慢、最快只有1.5Mbps	3线，RX、TX、GND	远，RS-485可达1200m	小端模式
USB	串行	同步	半双工	快，USB 3.0可达5Gbps	4线，Vbus，GND，D+，D-	近，不超过5m	小端模式
SPI	串行	同步	全双工	快，可达50Mbps	3线或4线，SCLK，SIMO，SOMI，SS	远，可达10m	大端模式
IIC	串行	同步	半双工	慢，最快只有3.4Mbps	2线，SCL，SDA	近，不超过30cm	大端模式

大端模式（Big Endian）和小端模式（Little Endian）是用于存储和访问多字节数据类型（如整数、浮点数等）的两种不同的方式。

大端模式：
- 在大端模式下，数据的高位字节（最高有效字节）存储在低地址处，而低位字节（最低有效字节）存储在高地址处。
- 举例来说，对于一个16位整数0x1234，大端模式下存储方式如下：
  - 地址 | 数据
  - 0x1000 | 0x12
  - 0x1001 | 0x34
小端模式：
- 在小端模式下，数据的高位字节存储在高地址处，低位字节存储在低地址处。
- 举例来说，对于同样的16位整数0x1234，小端模式下存储方式如下：
  - 地址 | 数据
  - 0x1000 | 0x34
  - 0x1001 | 0x12

总结起来，两种模式之间的主要区别在于字节的存储顺序。在大端模式下，数据的高位字节存储在低地址处，而在小端模式下，数据的低位字节存储在低地址处。这种差异主要影响了多字节数据类型的存储和访问方式，在进行数据交换或者与不同端模式的系统交互时需要注意转换。

3.4 什么是异步串行？什么是同步串行？

异步串行的特点：
- 以字符为单位传送信息，相邻两个字符间的间隔是任意长；即字符内部各位同步，字符间异步；
- 因为一个字符中的比特位长度有限，所以接收时钟和发送时钟只要相近就可以了
同步串行的特点
- 以数据块为单位传送信息，在一个数据块内，字符与字符之间无间隔；即字符内部各位同步，字符间也同步
- 因为一次传输的数据块中包含的数据较多，所以接收时钟与发送时钟需要严格同步

3.5 IIC总线时序图

时序总结
![[Pasted image 20240408202042.png]]

状态	动作
总线空闲状态	SCL和SDA均为高电平，接上拉电阻
启动信号，START	在SCL保持高电平期间，SDA由高电平被拉低，由主控器发出
数据位传送，DATA	在SCL保持高电平期间，SDA上的电平保持稳定，低电平为数据0、高电平为数据1。用法：主控器和被控器都可发出
应答信号：ACK	在SCL保持高电平期间，SDA保持低电平，IIC总线上所有数据都是以8位字节传送的，发送起每发送一个字节，就在第9个时钟脉冲期间释放SDA高电平，由接收器反馈一个ACK
非应答信号：NACK	在SCL保持高电平期间，SDA保持高电平，如果接收器是主控制器，则它在收到最后一个字节后，发送一饿NACK，通知被控制器结束数据发送，并释放SDA（高电平），以便主控器发送一个STOP
停止信号	在SCL保持高电平时间，SDA由低电平被释放（拉高），由主控器发出

写数据步骤：
- 主机发出一个启动信号START
- 主机发送7bit从机地址+1bit读写选择位，1表示读，0表示写
- 从机产生应答信号ACK
- 主机发送8bit从机寄存器地址
- 从机产生应答信号ACK
- 主机发送一个字节数据
- 从机产生应答信号ACK
- 主机发送一个停止信号STOP
读数据不走
- 主机发送一个启动信号START
- 主机发送7bit地址+1bit读写选择位，1表示读，0表示写
- 从机产生一个应答信号ACK
- 主机发送8bit从机寄存器地址
- 从机产生一个应答信号
- 主机再次发送一次启动信号START
- 主机再次发送7bit从机地址+1bit读写选择位，1表示读，0表示写
- 从机产生一个应答信号ACK
- 主机读取一个字节数据
- 主句产生一个非应答信号NACK，之后产生一个停止信号STOP

3.6 SPI的四种操作时序分别是什么？

SPI的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA可以分别为0或1，由此构成了四种组合

COPL=0，CPHA=0，空闲时SCLK为低电平，在第一个边沿开始采样
CPOL=0，CPHA=1，空闲时SCLK为低电平，在第二个边沿开始采样
CPOL=1，CPHA=0，空闲时SCLK为高电平，在第一个边沿开始采样
CPOL=1，CPHA=1，空闲时SCLK为高电平，在第二个边沿开始采样

![[Pasted image 20240408211543.png]]

![[Pasted image 20240408211555.png]]![[Pasted image 20240408211602.png]]
![[Pasted image 20240408211611.png]]

3.7 了解总线方式是全双工类型，哪种总线方式的传输距离较短？

UART、SPI是全双工类型
IIC、USB传输距离较短

3.8 编写一个通用类型串口接收程序，如何实现判断未知设备的端口和波特率

判断端口，搜索计算机可用端口，逐个打开，分别定时1.5秒，有数据进来则认为是目标端口
波特率判断，将本机波特率分别设置为2400、4800、9600、19200、38600、57600、115200，每个波特率定时1.5秒，对收到的ASCII码进行分析，将小于等于127的认为是正常的字符，将大于127的认为是乱码，当正常字符数目大于等于10倍乱码数目则认为当前波特率为正确波特率，并终止往后搜索。另外，可以通过示波器进行判断。

3.9 串口如何发送浮点型数据

可将多字节的浮点数数据分解为单字节逐个发送，接收后组合还原。

使用共同体来分解

union {
	float f;
	unsigned long l;
} data_TX;
data_TX.f = 123.456

发送时发送4字节（小端模式、低位优先）

TX = (unsigned char) data_TX.l; //低8位
TX = (unsigned char) (data_TX l >> 8);
TX = (unsigned char)(data_TX l >> 16);
TX = (unsigned char)(data_TX l >> 24);  //高8位

接收端也定义同样的结构体

union{
	float f;
	unsigned long l;
}

data_RX.l = RX;
data_RX.l |= RX;
data_RX.l |= RX << 8;
data_RX.l |= RX << 16;
data_RX.l |= RX << 24;

data_RX.f == data_TX.f

3.10 UART和TTL、RS-232、RS-485的关系

UART是一种具有协议特征的收发器、接口、总线，也就是说它是一个按照特定协议来收发数据的硬件，它规定了数据按照什么格式和时序来传输
而TTL、RS-232、RS-485是三种不同的电气协议，是对电气特性的规定，用于数据传输通路，但是它并不包含对数据的处理，UART可以使用TTL电平，也可以使用RS-232、RS-485电平

电气协议	规定
TTL 晶体管-晶体管	规定+5V或>=2.4V等于逻辑1, 0V或者<=0.4V，等于逻辑0，噪声容限为0.4V
RS-232	采用负逻辑传输，规定-5V~-15V等于逻辑1，+5V~+15V为逻辑0，噪声容限为2V
RS-485	采用差分传输，规定A线电平比B线电平高200mV以上时为逻辑1，A线电平比B线电平低200mV以上为逻辑0

3.11 RS-232与RS-485的区别与联系

特性	RS-232	RS485
抗干扰性	更弱	更强，因为RS-485采用差分传输
传输能力	50m，更短	1200，更远
通信能力	只允许一对一通信	允许多达128个收发器
传输速率	20Kbps	10Mbps
信号线	RXD、TXD、GND三根组成全双工网络	半双工需要两根信号线，全双工需要4根信号线
电气电平值	RS-232规定-5V--15V等于逻辑1，+5V~+15V为逻辑0，噪声容限为2V	A线电平比B线电平高200mV以上为逻辑1，低200mV以上为逻辑0
联系：

都可以通过DB-9连接器连接
均可采用屏蔽双绞线传输
都是串行通信
通信方式都是全双工，一般RS-485是半双工

3.12 UART如何保证数据传输的正确性

在数据位的两端添加起始位、奇偶校验位、停止位等用于数据的同步和纠错
在接收端用16倍波特率对数据进行采样，取中间的采样值，很大程度上确保了采样数的正确性

3.13 保证数据无串扰，参数设置正确，但是串口A传输float类型给串口B，总是出现错误，可能是什么原因

可能是发送端和接收端的大小端不一致

3.14 什么吗MSB、LSB

MSB，Most Signification Bit：最高有效位，是指二进制中最高值的比特
LSB，Least Signification Bit：最低有效位，是指二进制中最低值的比特

3.15 UART一帧可以传5/6/7/8位，IIC必须是8位，SPI可以是8/16位

3.16 请列举常用的串行通信方式，简述串行通信和并行通信的不同之处，优缺点

异步通信UART和同步通信SPI、IIC、USB等
串行速度慢，但占用资源少，线间干扰小
并行速度快，但占用资源，线间干扰相对较大

3.17 CAN总线接口相对于RS-232接口，RS-485接口的优缺点是什么？

CAN总线接口相对于RS-232接口的优点是抗干扰能力强、传输距离远。它采用差分传输，内置CRC校验，传输可靠性强
CAN总线接口相对于RS-484接口的优点是构成多主系统，同一时刻可以有两个或两个以上的设备处于发送状态，适用于实时性要求高的工控领域。