[嵌入式]笔面试学习——ARM体系与结构

1.硬件基础

1.1 NAND_FLASH和NOR_FLASH

1.2 CPU、MPU、MCU、SOC、SOPC

• CPU：计算机的运算和控制核心。由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。运作原理：提取、解码、执行、写回；
• MPU：微处理器，可理解为增强版的CPU，往往是个人计算机和高端工作站的核心CPU；
• MCU：微控制器，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一个芯片上，形成芯片级的芯片；
• SOC：片上系统，系统级的芯片，不仅像MCU那样可以运行代码，还可以运行系统级的代码；
• SOPC：可编程片上系统(如FPGA)。SOPC的硬件配置和软件配置都可以改，把硬件配置信息下载进去，就可以变成对应的芯片。

1.3 交叉编译

????在一种计算机环境中运行的编译程序，能编译出在另外一种环境下运行的代码，称这种编译器支持交叉编译。环境包括以下两个概念：体系结构和操作系统。如X86 Linux体系结构就是intel x86体系结构和Linux for x86操作系统的简称。

1.4 为什么需要交叉编译

• 目的平台上不允许或不能够安装我们需要的编译器，而我们需要这个编译器的某些特征；
• 目的平台资源匮乏，无法运行我们需要的编译器；
• 目的平台没有建立，没有操作系统。

1.5 基于ROM和基于RAM的运行方式

• 基于RAM：需要把硬盘和其他介质的代码加载到RAM中，一般要重定位；速度比基于ROM快，可用RAM比基于ROM少，因为代码数据都必须存放在RAM中；
• 基于ROM：速度较慢，与一个将变量、代码从存储器(硬盘，flash)搬移到RAM的过程；可用资源比基于RAM多。

2. ARM处理器

2.1 哈佛结构和冯诺依曼结构

• 冯诺依曼：指令和数据统一编址，用同条总线传输，CPU读取指令和数据的操作无法重叠；主要用于通用计算机领域，要对存储器中的代码和数据频繁地进行修改，统一编址有利于节约资源；
• 哈佛：指令和数据独立编址，使用两条独立的总线传输，CPU读取指令和数据的操作可以重叠；主要用于嵌入式计算机，程序固化在硬件中，有较高的可靠性、运算速度和吞吐量。

2.2 ARM流水线技术

????即通过多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间，提高处理器的效率和吞吐率的技术。ARM7处理器使用了三级流水线的冯诺依曼结构，ARM9使用了五级流水线的哈佛结构。
????PC代表程序计数器，指令分为三个阶段执行：

• 取值，从存储器装载一条指令；
• 译码，识别将要被执行的指令；
• 执行，处理指令并将结果写回寄存器。

????PC总是指向正在取值的指令，而我们将正在执行的指令称为第一条指令，因此PC总是指向第三条指令，在ARM指令模式下，每条指令是4个字节，所以PC的地址为当前程序地址+8。

????CPU正在译指的指令地址为PC-4，执行的指令地址为PC-8，当发生中断时，保存的是PC地址，而PC-4就是下一条指令的地址。

2.3 ARM的工作模式

2.4 ARM的寄存器组

????ARM共有37个32位的寄存器，包含31个通用寄存器和6个状态寄存器。可见的通用寄存器与16个，即R0-R15，可以分为三类：

• 未备份寄存器：R0-R7。所有模式下，未备份寄存器都指向同一个物理寄存器，未被系统用作特殊用途；
• 备份寄存器：R8-R14。它们每次访问的物理寄存器都与当前的处理器运行模式有关。R13常用作存放堆栈指针，R14常用来保存返回地址；
• 程序计数器PC：R15。
• CPSR：当前程序状态寄存器，所有模式都共用一个CPSR。
• SPSR：备份程序状态寄存器，除了USR和SYS外，特定的异常中断发生时，SPSR寄存器用来保存当前程序状态寄存器(CPSR)的值，当异常退出以后可以用SPSR中保存的值来恢复CPSR。
  

2.5 ARM处理器的工作状态

• ARM状态，执行32位的字对齐ARM指令，绝大部分工作处于该状态；
• Thumb状态：执行16位的半字节对齐的Thumb指令。

2.6 ARM系统函数调用参数的传递方式

• 参数小于等于4的时候通过R0-R3寄存器来进行传递；
• 参数大于4时通过压栈传递。

2.7 ARM协处理器3类指令的功能

• ARM处理器初始化ARM协处理器的数据处理操作(CDP)；
• ARM处理器的寄存器和ARM协处理器的寄存器之间的数据传递操作(MCR/MRC)；
• ARM协处理器的寄存器和内存单元之间的数据传递(LDC\STC)。

2.8 什么是PLL (锁相环)

????PLL是为了产生一个不同频，但锁相的信号。如某晶振10Mhz，频率综合器使用该参考源产生了900Mhz的时钟，另一个频率综合器产生了1Ghz的时钟，两路频率不一样，但仍为同源信号。

3. 中断与异常

3.1 中断与异常的区别

• 中断指外部硬件产生的一个电信号从CPU的中断引脚进入，打断CPU的运行；
• 异常指软件运行过程中发生了必须处理的时间，CPU自动产生一个陷入打断CPU的运行。

3.2 中断与DMA的区别

• DMA：一种无需CPU参与，就可以让外设与系统内存之间进行双向数据传输的硬件机制；
• 中断：CPU执行程序过程中，出现某些突发事件，CPU暂停执行当前的任务，去处理突发事件，处理完毕后返回被中断的位置继续执行。

3.3 中断的响应执行流程

CPU接受中断>保存中断上下文跳转到中断处理历程>执行中断上半部>执行中断下半部>恢复中断上下文

3.4 中断能不能睡眠？

• 中断上半部：如3.3中的前三个步骤属于中断上半部，在几个步骤中，所有中断都是被屏蔽的，如果这时候睡眠了，操作系统不会收到任何中断，系统处于瘫痪状态。
• 中断下半部(软中断)：中断运行在中断上下文，没有一个所谓的中断描述符来描述它，它不是操作系统的调度单位。一旦在中断上下文中睡眠，首先无法切换上下文(没有中断描述符，当前上下文的状态得不到保存)，其次没有人来唤醒它，因为它不是操作系统的调度单位。

3.5 一个异常出现后，ARM微处理器会执行哪些操作

• 将下一条指令的地址存入寄存器LR即R14；
• 将CPSR复制到相应的SPSR中；
• 根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位；
• 强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，跳转到相应的异常处理程序。

3.6 写一个中断服务程序的注意点，中断产生后要做较多的事应该怎么办

• 写一个中断服务程序要快进快出，在中断服务程序里尽量快速采集信息，包括硬件信息，然后退出；
• 中断服务程序中不能有阻塞操作，中断期间是完全占用CPU的，中断被阻塞住，其他进程无法操作；
• 中断服务程序注意返回值，要用操作系统定义的宏为返回值，不能自己定义；
• 如果要做的事情多，应将这些任务放在中断下半部。

3.7 为什么FIQ比IRQ快

• FIQ模式有更多的备份寄存器，R8-R14和SPSR；IRQ模式没有R8-R12对应的备份寄存器，中断处理程序要自己保存R8-R12寄存器，退出时要恢复这几个寄存器；
• FIQ比IRQ有更高优先级，如果它们同时产生，那么FIQ先处理；
• 在异常向量表中，FIQ处在最末尾。在异常向量表中IRQ只能保存中断处理程序的首地址，在发生IRQ时需要一次跳转；而FIQ处在最末尾，所以可以直接将FIQ模式下的中断处理程序紧接着存放，这样在处理FIQ时就少一次跳转。

3.8 中断和轮询那个效率高，使用场景如何？

• 中断是CPU被动地接收设备的信号，一般设备如果请求cpu的频率较低，则用中断效率高；
• 轮询是CPU主动地去查询该设备是否有请求，如果设备频繁请求CPU，那么轮询的效率高。

4.通信协议

4.1 同步传输和异步传输

• 同步传输：需要外界的时钟信号进行通信，把数据字节组合在一起发送，组合称为帧，传输速度较快；
• 异步传输：典型的基于字节的输入输出，数据按每次一个字节进行传输，传输速度低。

4.2 RS232和RS485

4.3 SPI协议

4.3.1 SPI的应用和接口

????SPI协议，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。
接口：

• MOSI：主设备输出/从设备输入引脚；
• MISO：主设备输入/从设备输出引脚；
• SCLK：时钟信号线，用于通讯数据同步，由通讯主机产生；
• SS：从设备选择信号线，即片选信号线，SPI协议没有设备地址，SS被置为低的设备被选中为从设备，和主设备通信。

4.3.2 协议层

SPI设备常见的连接方式如下：

SPI的通讯时序如下：

• 图中标号1处，NSS线由高变低，就是通讯起始信号；NSS由低变高，就是通讯的停止信号；
• SPI使用MOSI和MISO来传递数据，使用SCK信号线来进行数据同步，SCK的每个时钟周期都会传输一位数据，输入输出是同事的，一般MSB先行，即高位先行；
• CPOL(时钟极性)/CPHA(时钟相位)及通讯模式：SPI一共有四种通讯模式，区别在于总线空闲时SCK的时钟状态及数据采样时刻。

4.4 IIC协议

????IIC协议是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，是一个多主机的半双工通信方式，每个挂接在总线上的器件都有一个唯一的地址。

时序介绍：

• 空闲状态：SDA和SCL同时处于高电平状态，就是空闲状态，两条线都被上拉电阻拉高；
• 起始信号：SCL为高期间，SDA由高向低跳变，只能由主机发起；
  
• 停止信号：SCL为高期间，SDA由低到高跳变；
  
• 传输数据格式：发了起始信号后，就开始传输数据；SCL为高电平期间，获取SDA数据值，这期间SDA数据必须是稳定的；当SCL为低电平时，便是SDA的电平变化状态;
  
• 应答信号ACK：I2C总线的数据以8位数据(字节)进行，发送8个数据后，发送方在第9个时钟脉冲期间释放SDA数据，接收方接收该字节成功，输出一个ACK应答信号；
• 完整的数据传输：发送起始信号后，便发送一个8位的设备地址，第8位是读写标志，紧跟着就是数据；
  
• IIC传输数据的格式：读和写操作的格式如下。
  
  

5. 编程

5.1 大端和小端

• 大端模式：低位字节存储在高地址上，高位字节存储在低地址上；
• 小端模式：高位字节存储在高地址上，低位字节存储在低地址上；
  

5.2 如何判断计算机是大端还是小端

#include<stdio.h>
int checkCPU()
{
	union w
	{
		int a;
		char b;
	}c;
	c.a = 1;
	return(c.b == 1);//如果是小端，则c.b == 1
}
int main()
{
	if(checkCPU())
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0；
}

5.3 大小端转换

int swapInt32(int intValue)
{
	int tmp = 0;
	tmp = ((intValue & 0x000000FF) << 24 |
		   (intValue & 0x0000FF00) << 8 |
		   (intValue & 0x00FF0000) >> 8 |
		   (intValue & 0xFF000000) >> 24));
	return tmp;			
} 

5.4 如何操作绝对地址0x100000

*(unsigned int*)0x100000 = 1234;//对0x100000赋值
*((void(*)())0x100000)();//让程序跳转到0x100000执行，下面将该语句分解
void(*)()0x100000;//将0x100000转化成函数指针
*((void(*)())0x100000)();//调用上面的函数指针

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