ARM体系和架构必会知识

1.NAND FLASH 和NOR FLASH异同？

在ARM处理器和嵌入式系统中，NAND Flash和NOR Flash是两种常用的非易失性存储技术，它们各有特点和用途。以下是NAND Flash和NOR Flash之间的主要异同点：

相同点

  1. 非易失性：两者都是非易失性存储技术，即断电后数据依然保持不变。
  2. 闪存技术：两者都基于闪存技术，使用浮栅晶体管存储数据。

不同点

  1. 存储结构与访问方式：
    • NOR Flash：提供随机访问接口，类似于RAM。每个存储单元可以单独被擦除和编程。这使得NOR Flash适合用作执行代码的存储介质，如存放固件或引导加载程序。
    • NAND Flash：以页为单位进行数据访问、读取、写入和擦除操作。每页包含多个字节，例如512、2048或更多字节。这种结构使得NAND Flash在读写大量数据时更高效，因此更适合用作数据存储。
  2. 速度：
    • NOR Flash：读取速度较快，适合执行代码。但写入和擦除速度较慢。
    • NAND Flash：提供更高的写入和擦除速度，但随机读取速度不及NOR Flash。
  3. 密度和成本：
    • NOR Flash：存储密度相对较低，成本较高，通常用于存储小容量的程序代码。
    • NAND Flash：具有更高的存储密度和较低的成本，适用于大容量数据存储，如SSD、USB闪存驱动器和SD卡等。
  4. 耐久性：
    • NOR Flash：写入/擦除次数通常较多，耐久性较好。
    • NAND Flash：每个块的写入/擦除寿命较短，但通过穿戴均衡算法可以延长使用寿命。
  5. 典型应用：
    • NOR Flash：由于其优秀的随机读取性能和可靠性，通常用于存储引导代码和小型程序。
    • NAND Flash：因其高容量和成本效益，主要用于移动设备的大容量存储和固态硬盘。

总结来说，选择NAND Flash或NOR Flash主要基于具体的应用需求，如对速度、成本、存储密度和耐久性的不同要求。在嵌入式系统和ARM架构的应用中，这两种技术常常根据其特点被选择用于不同的功能和模块。

2.CPU,MPU,MCU,SOC,SOPC联系与差别？

  1. CPU（Central Processing Unit，中央处理器）
  • 定义：CPU是计算机硬件的核心部件，负责解释和执行程序指令以及管理数据流。
  • 特点：它是执行计算任务的主要单元，通常只包括核心的处理功能，没有集成其他系统级功能。
  1. MPU（Microprocessor Unit，微处理器）
  • 定义：MPU是一种集成在单个芯片上的CPU，可以执行复杂的指令集，如支持操作系统、执行多任务等。
  • 特点：与CPU的主要区别是其在单个芯片上的集成程度，MPU通常不包括RAM、ROM和其他外围设备。
  1. MCU（Microcontroller Unit，微控制器）
  • 定义：MCU是一种单片机，通常包括一个处理核心（CPU）、内存（RAM和ROM）、以及其他一些必要的外围设备，如定时器、通讯接口等，全部集成在一个芯片上。
  • 特点：MCU设计用于特定的控制任务，因此它集成了更多的功能来减少外部组件的需求，适用于嵌入式系统。
  1. SoC（System on Chip，系统级芯片）
  • 定义：SoC将电子系统的所有或大部分组件集成在单一芯片上，包括处理器（可能是多核）、内存、外围设备和通信接口。
  • 特点：SoC设计用于提供完整的系统功能，从而最大化性能和能效，同时减小物理尺寸和功耗，广泛应用于智能手机、平板电脑等设备。
  1. SOPC（System on a Programmable Chip，可编程系统级芯片）
  • 定义：SOPC是一种集成在可编程逻辑设备（如FPGA）上的系统。用户可以根据需要配置或更改芯片上的硬件资源，如CPU、内存和外围设备。
  • 特点：SOPC提供了极高的灵活性，允许开发者根据具体应用需求定制硬件配置。

联系与差别

  • 联系：所有这些技术都与处理数据和执行程序代码有关，且通常是建立在可扩展的计算平台基础上。
  • 差别：主要在于集成度和应用领域。CPU和MPU更多关注核心计算能力，而MCU、SoC和SOPC则更侧重于为特定应用提供完整的系统解决方案，包括硬件和软件的整合。
  • 应用领域：CPU和MPU常用于通用计算领域，MCU多用于控制导向的应用，SoC用于高集成度的电子产品，SOPC则用于需要高度定制的应用领域。

这些组件的选择和应用依赖于项目的具体需求，包括成本、性能、功耗和空间限制等因素。

3.什么是交叉编译？

交叉编译是一种编译过程，其中编译器运行在一种类型的计算机或操作系统上，但生成的代码是为了在不同类型的计算机或操作系统上运行的。在嵌入式开发中，这种方法非常常见，因为嵌入式设备（如基于ARM处理器的设备）通常资源有限，不足以支持直接在设备上进行编译。

例如，开发者可能在一台性能强大的x86架构的PC上使用交叉编译器来开发ARM处理器的软件。这样，开发者可以利用PC的高性能来快速编译代码，而编译出来的程序则可以在ARM设备上运行。这种方法优化了开发流程，使得在资源受限的目标平台上也能高效地运行和测试软件。

4.描述一下嵌入式基于ROM的运行方式和基于RAM的运行方式有什么区别？

嵌入式系统中基于ROM的运行方式和基于RAM的运行方式涉及不同的存储和执行策略，每种方式都有其特定的优势和应用场景。下面是这两种运行方式的主要区别：

基于ROM的运行方式（ROM-based Execution）

  • 定义：在基于ROM的运行方式中，程序代码直接存储在只读存储器（ROM）或其他非易失性存储器中，如EPROM或Flash。
  • 特点：
    • 非易失性：断电后数据不会丢失。
    • 启动速度快：系统上电后可以直接从ROM执行代码，无需加载过程。
    • 安全性高：代码不易被修改，增强了系统的安全性。
    • 成本效益：减少了对RAM的依赖，可降低系统成本。
  • 应用：广泛应用于需要快速启动和高可靠性的设备，如家用电器、工业控制系统等。

基于RAM的运行方式（RAM-based Execution）

  • 定义：在基于RAM的运行方式中，程序代码在执行前需要从存储设备（如硬盘、SD卡或Flash）加载到随机存取存储器（RAM）中。
  • 特点：
    • 灵活性高：易于更新和修改程序，支持动态加载和执行。
    • 执行速度快：RAM的读写速度远高于ROM，可以提高程序的执行效率。
    • 开发简便：支持现代操作系统和复杂应用的开发，便于调试和维护。
  • 应用：常见于复杂的嵌入式系统和需要频繁更新软件的设备，如智能手机、平板电脑等。

区别总结

  • 存储介质：ROM方式使用非易失性存储，直接执行存储在ROM中的代码；RAM方式则需要先将代码从持久存储加载到易失性的RAM中。
  • 更新和灵活性：ROM中的程序难以更新，适合不经常变动的应用；而RAM加载方式便于软件更新和升级。
  • 成本和复杂性：基于ROM的系统通常硬件成本较低，但功能受限；基于RAM的系统更加复杂和功能强大，但硬件成本较高。
  • 启动速度：ROM直接执行可以实现快速启动；RAM执行需要加载过程，启动速度相对慢一些。

选择哪种方式取决于具体的应用需求、成本限制和系统设计目标。基于ROM的方法适合稳定性和安全性需求高的场景，而基于RAM的方式则适合需要高性能和灵活性的应用。

5.什么是哈佛结构和冯诺依曼结构？

哈佛结构和冯·诺伊曼结构是两种不同的计算机架构，它们在处理数据和程序的方式上有所区别。

冯·诺依曼结构

这种结构，由20世纪40年代的科学家约翰·冯·诺依曼命名，特征是数据和程序存储在同一个内存系统中，并且使用同一套地址/数据总线进行访问。这意味着数据和程序在物理上存储在同一个存储器中，CPU在执行程序时，必须一次性地从内存中提取指令和必要的数据。这种架构的一个限制是“冯·诺依曼瓶颈”，即程序和数据流量共享同一内存和总线，可能导致带宽不足。

哈佛结构

相对于冯·诺依曼结构，哈佛结构提供了分离的存储和总线系统用于数据和指令。这意味着CPU可以同时访问指令和数据，从而提高处理速度。这种结构最初是为了早期的数字计算机（如马克I）设计的，而现在在现代微控制器和DSP（数字信号处理器）中非常常见。通过分离的指令和数据存储，哈佛结构可以更有效地处理大量数据流，减少或消除冯·诺依曼瓶颈。

这两种架构在嵌入式系统、计算机和其他电子设备的设计中扮演着关键角色，设计者会根据具体的应用需求选择最适合的架构类型。

6.Arm有多少32位寄存器？

在ARM架构中，具体的寄存器数量取决于所使用的具体ARM版本。对于ARMv7-A这一广泛使用的32位架构（如Cortex-A系列处理器），它包括：

  • 16个通用寄存器（R0到R15），其中：
    • R0到R12为通用目的寄存器。
    • R13通常作为栈指针（SP）。
    • R14是链接寄存器（LR）。
    • R15是程序计数器（PC）。

此外，还有一些特殊寄存器，包括程序状态寄存器，如：

  • 当前程序状态寄存器（CPSR）
  • 保存的程序状态寄存器（SPSR），在异常处理时使用。

因此，基础的32位ARM处理器通常有16个通用寄存器加上几个特殊用途寄存器。不同的ARM版本和扩展（如浮点单元和安全扩展）可能会有额外的寄存器。

7.什么是ARM流水线技术？

ARM流水线技术是一种CPU性能优化技术，用于提高指令处理速率并提升处理器效率。在流水线技术中，CPU的指令执行过程被分解为若干个连续的步骤，每个步骤由不同的处理器部件负责。这允许同时并行处理多个指令的不同阶段，从而大幅提高了指令吞吐率和CPU的执行速度。

ARM流水线的工作原理

ARM架构的流水线通常包括以下几个基本阶段，但具体数目和设计可能会根据不同的ARM版本（如ARMv7, ARMv8等）和具体实现有所变化：

  1. 取指（Fetch）：从内存中取出下一条要执行的指令。
  2. 译码（Decode）：解析指令，确定需要执行的操作和操作数。
  3. 执行（Execute）：执行译码阶段确定的操作。这可能涉及算术逻辑单元（ALU）、浮点单元（FPU）、或其他专用硬件。
  4. 访存（Memory Access）：如果需要，进行数据的读取或写入内存操作。
  5. 写回（Write Back）：将执行结果写回到寄存器或内存中。

ARM流水线的特点

  • 超标量架构：现代ARM处理器通常采用超标量架构，可以在一个时钟周期内发射（即开始执行）多条指令。
  • 乱序执行：许多高级ARM处理器支持乱序执行技术，即不按照程序中指令的原始顺序来执行指令，而是根据数据依赖性和指令就绪状态来动态调度指令的执行，这有助于进一步提高执行效率。
  • 分支预测：为了减少控制流改变带来的流水线暂停，ARM处理器采用分支预测技术预测程序执行路径，减少由于等待分支解析而造成的时间损失。

流水线的优势和挑战

优势：

  • 提高吞吐率：流水线允许多条指令重叠执行，每个时钟周期都可能有一条指令完成，显著提高处理器性能。
  • 优化资源利用：不同阶段可以同时处理不同的指令，使得CPU的各个部件都能得到充分利用。

挑战：

  • 流水线冲突：流水线的执行可能会受到各种冲突的影响，如结构冲突、数据冲突和控制冲突。
  • 分支惩罚：分支预测错误时，已经进入流水线的指令可能需要被取消和重新执行，这会导致性能下降。

总之，ARM的流水线技术是提升现代处理器性能的关键技术之一，通过优化指令执行过程，允许更高效地处理更多的任务和计算。

8.ARM系统中，在函数调用的时候，参数是通过哪种方式传递的？

在 ARM 架构中，函数调用参数的传递遵循特定的调用约定，这些约定定义了如何通过寄存器和堆栈来传递参数。这种约定最主要的是 ARM 的标准调用约定，即 AAPCS（ARM Architecture Procedure Call Standard），也称为 ARM EABI（Embedded Application Binary Interface）。

ARM 调用约定的基本规则：

  1. 寄存器传递：
    • 前四个整数或指针参数通常通过寄存器 r0 到 r3 传递。
    • 浮点参数（在支持硬件浮点运算的 ARMv7 架构中）通常使用浮点寄存器 s0 到 s15 传递，每个参数使用一个浮点寄存器。
    • 如果参数数量超过寄存器的数量，剩余的参数会被压入堆栈。
  2. 堆栈传递：
    • 当参数不能全部放入寄存器时，或者参数类型需要更多的寄存器空间时（例如大的结构体或联合体），额外的参数需要通过堆栈传递。
    • 堆栈参数从右到左压栈，调用者负责清理堆栈。
  3. 返回值：
    • 函数的返回值通过 r0（对于整数或指针类型）传递。
    • 浮点数返回值通过 s0 寄存器传递。
    • 如果返回类型是大型结构体或联合体，调用者会在堆栈上分配空间，并将指向这个空间的指针作为一个隐含的第一个参数传递给被调用函数。被调用的函数将返回值复制到这个地址，而不是直接通过寄存器返回。
  4. 堆栈对齐：
    • 在调用时，堆栈必须保持8字节对齐，这有助于提高访问速度并满足某些数据类型的对齐要求。

这些规则确保了在不同的 ARM 平台和编译器之间，函数调用和参数传递的一致性和可预测性。它们允许编译器生成更优化的代码，并使得手写汇编代码能更容易地与由高级语言编译的代码进行交互。在实际的应用编程和系统开发中，遵循这些调用约定是非常重要的，以确保程序的正确运行和最优性能。

9.什么是PLL？

PLL（Phase-Locked Loop，锁相环）是一种电子控制系统，它能够使输出信号的相位与输入参考信号的相位同步。PLL在许多电子应用中都有广泛使用，尤其是在频率合成、调制解调、时钟生成和恢复等领域。

工作原理

PLL 主要由三部分组成：

  1. 相位比较器（Phase Comparator）：这个部件比较输入信号与VCO（电压控制振荡器）产生的信号之间的相位差，并输出一个表示这种相位差的信号。
  2. 环路滤波器（Loop Filter）：它接收来自相位比较器的输出，并过滤掉高频噪声，生成一个稳定的错误信号用于调整VCO。
  3. 电压控制振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）：VCO根据从环路滤波器接收到的电压调整其输出频率。

工作流程

  • 当系统启动时，VCO的初始频率可能与输入信号的频率不匹配。
  • 相位比较器检测输入信号和VCO输出信号之间的相位差异，并产生一个相关的错误信号。
  • 环路滤波器处理错误信号，平滑任何瞬时波动，并将其转换成一个稳定的控制电压。
  • 控制电压调节VCO，改变其频率以减少相位差。
  • 通过这种反馈控制，VCO的输出频率逐渐调整，直到与输入信号相位锁定。

应用

  • 通信系统：在无线通信和数据通信中，PLL用于生成准确的载波频率，以及从接收的信号中恢复时钟。
  • 数字系统：在微处理器和数字信号处理器中，PLL用于生成系统时钟信号。
  • 视频广播：在电视和广播设备中，PLL用于同步信号处理。
  • 频率合成器：PLL允许通过调整频率生成一系列的输出频率，用于无线设备和其他电子应用。

PLL之所以重要，是因为它提供了一种有效的方法来确保电子系统内部不同部分之间的精确时钟同步，从而确保数据的准确处理和传输。这种特性使PLL成为现代电子和通信技术中不可或缺的一个组件。

10.中断与异常有何区别？

在计算机架构中，中断和异常是两种机制，用于处理特殊情况和控制流程的改变，但它们的触发条件和处理方式存在一些关键的区别：

中断（Interrupts）

中断是由外部事件触发的，主要用来响应外围设备的请求。中断可以是可屏蔽的（可以被操作系统禁用）或非屏蔽的。中断处理的特点是异步性，即中断可以在程序执行的任何时点发生，由硬件设备的需求和状态决定。

  • 硬件中断：由外部设备（如键盘、网络接口卡等）触发。
  • 软件中断：通过执行特定的指令集来模拟硬件中断的效果，用于操作系统的系统调用等。

中断的主要目的是响应设备的请求，确保实时性，允许系统及时处理外部事件。

异常（Exceptions）

异常通常是由程序执行中的错误或特殊情况触发的，它是同步发生的，直接关联到程序的当前操作。异常可以分为两类：

  • 可恢复异常：如页面错误，允许程序在处理后继续执行。
  • 不可恢复异常：如非法指令或除零错误，通常需要异常处理程序进行干预，可能导致程序终止。

异常主要是程序自身的问题或特殊情况引起的，需要由操作系统或应用程序来管理和响应。

核心区别

  • 触发源：中断通常由外部设备或事件触发，而异常由程序内部的错误或特殊状态触发。
  • 同步性：中断是异步的，可以在程序的任何指令间发生；异常是同步的，总是与程序指令的执行直接相关。
  • 处理时间：中断可以在任何时候处理，而异常必须在出现时立即处理，以确保程序状态的正确性。

理解这两者的区别对于系统编程和操作系统的设计尤为重要，它们确保了系统的健壮性和实时响应能力。

11.中断与DMA有何区别？

中断（Interrupts）和直接内存访问（DMA）是两种重要的计算机系统机制，它们都是用来提高系统效率的技术，但服务的目的和工作方式有很大的不同。以下是它们之间的主要区别：

中断

  • 定义：中断是一种信号，由硬件或软件发送给处理器，以通知发生了一个事件，需要立即处理。这通常涉及到暂停当前程序的执行，保存其状态，并执行一个称为中断服务例程（ISR）的特定功能，以响应和处理这个事件。
  • 目的：中断机制使CPU能够响应外部或内部发生的事件，如输入设备的信号、定时器超时或软件请求，而无需持续检查事件的发生（轮询）。
  • 效率：通过中断，CPU可以继续执行其他任务，直到必须处理的事件发生，从而提高效率。

直接内存访问（DMA）

  • 定义：DMA是一种允许某些硬件子系统（如磁盘驱动器、声卡等）直接访问主内存，而无需CPU干预的技术。
  • 目的：DMA的主要目的是在执行大量数据传输时减轻CPU的负担。通过DMA，数据可以直接从输入设备传输到内存，或从内存传输到输出设备，无需每次传输都通过CPU。
  • 效率：DMA提高了数据处理速度，并允许CPU同时处理其他任务，从而提高了整体系统性能。

关键区别

  • 交互对象：中断是处理器与外部或内部事件的交互，而DMA是存储设备或其他外围设备与主内存之间的直接交互。
  • CPU参与程度：中断需要CPU暂停当前任务并处理中断，这涉及到CPU的直接参与；DMA操作则旨在尽量减少或消除CPU在数据传输过程中的参与。
  • 使用场景：中断用于实时响应系统内外的事件，如用户输入、系统调用等。DMA用于高效地处理大量数据传输，如文件读写、声音播放等。

总结来说，中断和DMA都是优化系统响应和性能的关键技术，但它们服务的方向不同。中断是提高事件响应效率的机制，而DMA是提高数据处理效率的机制。这两者通常在复杂的计算机系统中共同工作，以实现高效的性能和良好的用户体验。

12.中断能不能睡眠，为什么？下半部能不能睡眠？

在 Linux 内核中，中断处理的睡眠策略是区分上半部（Top Half）和下半部（Bottom Half）的关键特性，这种设计反映了中断处理对性能和响应时间的影响。

中断处理的上半部

上半部通常指的是中断服务例程（ISR），它直接由硬件中断触发。在设计上，上半部需要快速执行，因为它在中断上下文中运行，需要尽快释放中断线以处理更多的中断。这意味着：

  • 不能睡眠​：上半部不能执行任何可能导致睡眠的操作，例如等待信号量、获取互斥锁、进行磁盘I/O操作或等待队列。原因包括：
    • 防止死锁：中断上下文不能被调度，如果上半部试图睡眠，等待资源可能永远不会释放，导致死锁。
    • 最大化响应性：睡眠会导致中断处理延迟，降低系统对中断的响应速度。

中断处理的下半部

下半部处理是中断处理的延续，用于执行不适合在上半部中立即处理的任务。它在进程上下文中运行，可以访问内核的大部分功能，包括可以睡眠的操作。下半部可以使用的机制包括：

  • Tasklets
  • 工作队列
  • 软中断

这些机制的特点是：

  • 可以睡眠​（特别是工作队列）：下半部通常可以安全地睡眠，因为它不在中断上下文中运行。工作队列特别适合执行可能需要睡眠的任务，如数据复制、文件I/O等。
  • 灵活性和功能：下半部处理允许更复杂的操作，如获取互斥锁、调度其他任务等，这在上半部中是不被允许的。

总结

  • 中断的上半部（ISR）不能睡眠​，因为它需要快速执行并运行在中断上下文中，睡眠会引起系统的不稳定和性能问题。
  • 中断的下半部可以睡眠，特别是通过工作队列实现的下半部，它允许执行更耗时和复杂的操作，而不会影响系统对中断的快速响应。

13.中断的响应执行流程是什么？

中断的响应执行流程是计算机系统处理中断请求的一系列步骤。这个过程确保了系统能够正确响应外部或内部事件的中断，同时保持程序的执行状态和数据的完整性。这里是中断响应的一般流程：

  1. 中断请求（IRQ）生成

当外部设备需要CPU注意时，它会生成一个中断请求。这可以是任何外部事件，如键盘输入、网络数据到达或定时器超时。

  1. 中断识别

CPU在完成当前执行的指令后，会检查是否有中断请求。如果中断被屏蔽，CPU会忽略这个中断请求；否则，它会继续处理中断。

  1. 中断响应

一旦CPU确认要响应中断，它会立即停止执行当前的程序流，并保存当前环境的关键信息，以便之后能恢复执行。这通常包括保存程序计数器（PC）和当前程序状态寄存器（CPSR）等。

  1. 中断向量

CPU使用一个称为中断向量的特殊内存位置，该位置存储了处理每种类型中断的程序的入口点。CPU会根据中断的类型跳转到相应的中断服务例程（ISR）的地址。

  1. 执行中断服务例程（ISR）

一旦CPU跳转到正确的ISR，中断服务例程就开始执行。ISR负责处理中断，如读取数据缓冲区，处理硬件状态，或更新程序变量等。

  1. 中断服务完成

在ISR执行完毕后，它将执行一个中断返回指令，通常是“Return from Interrupt”（RETI）。这个指令告诉CPU中断处理已完成。

  1. 恢复程序执行

在执行RETI指令后，CPU会恢复之前保存的程序状态，包括程序计数器和程序状态寄存器等，然后继续执行被中断的程序。

这个流程确保了当外部设备或事件需要CPU处理时，CPU能够快速响应并处理中断，然后安全地返回到原始的程序执行路径，恢复之前的操作。这是现代计算系统中实现多任务和实时处理的关键机制。

14.当一个异常出现以后，ARM微处理器会执行哪几步操作？

当ARM微处理器检测到异常事件时，它会通过一系列标准步骤来处理该异常。这个过程是操作系统和硬件交互的核心部分，确保系统能够可靠和安全地处理突发事件。下面是ARM处理器处理异常的一般步骤：

  1. 识别异常
  • 异常检测：处理器首先需要识别发生了什么类型的异常。常见的异常包括中断（IRQ）、快速中断（FIQ）、软件中断（SWI）、数据访问异常（Data Abort）、预取异常（Prefetch Abort）和未定义的指令异常。
  1. 保存当前状态
  • 保存程序状态：在跳转到异常处理程序之前，处理器会自动保存当前的程序状态。这包括将当前的程序计数器（PC）、程序状态寄存器（CPSR）等信息保存到适当的地方（如链栈或专用寄存器中）。这样做是为了在处理完异常后能够恢复到异常发生时的状态，并继续执行程序。
  1. 切换模式
  • 模式切换：ARM处理器将根据异常类型切换到相应的模式（如中断模式、快速中断模式、管理模式等），每种模式都有独立的寄存器集，以便隔离异常处理过程，防止对主程序的干扰。
  1. 跳转到异常处理程序
  • 设置异常向量：ARM处理器有一个固定的异常向量表，这是一组预定义的内存位置，每种类型的异常都对应一个入口点。处理器会根据异常类型跳转到相应的异常向量地址执行异常处理程序。
  • 执行异常处理代码：一旦跳转到对应的异常处理地址，处理器开始执行预先定义的异常处理程序。这段代码负责具体分析和处理异常，可能涉及清除硬件错误、处理外部中断信号或执行其他恢复操作。
  1. 恢复程序执行
  • 恢复状态：异常处理完成后，处理器需要从之前保存的状态恢复。这通常涉及从栈或特定寄存器中恢复程序计数器（PC）和程序状态寄存器（CPSR）。
  • 返回指令：使用特定的返回指令（如 subs pc, lr, #4或 movs pc, lr等），处理器将控制权返回到异常发生前的代码位置，继续执行程序。

这一处理过程确保了ARM处理器在遇到异常情况时能够快速、有效地响应，同时保证系统的稳定运行和数据的安全。异常处理是嵌入式系统设计中非常关键的部分，需要仔细设计和实现，以应对各种可能的运行时错误和外部事件。

15.写一个中断服务需要注意哪些？如果中断产生之后要做比较多的事情你是怎么做的

编写中断服务程序（ISR）时，必须特别注意确保处理过程的效率和正确性，因为ISR直接运行在中断上下文中，对整个系统的性能和稳定性有深远的影响。下面是在编写ISR时需要考虑的一些关键点：

注意事项

  1. 最小化ISR执行时间：
    • ISR应该尽可能快地执行，只完成最必要的工作，如读取或清除中断源，并尽快返回。
  2. 避免在ISR中调用可能导致阻塞的函数：
    • 不要在ISR中调用可能导致睡眠的操作，如等待I/O操作、获取信号量等。
  3. 正确处理硬件寄存器：
    • 确保按照硬件手册正确读写寄存器，正确处理硬件状态和中断标志。
  4. 保证线程安全：
    • 如果ISR需要访问全局变量或资源，确保这些访问是线程安全的，通常需要使用原子操作或禁用中断。
  5. 优化代码：
    • 因为ISR对性能影响很大，确保ISR的代码尽可能优化，减少不必要的计算和分支。

处理复杂任务

如果中断触发后需要执行较复杂的任务，应该将任务从ISR分离到中断的下半部处理，这样可以避免在中断上下文中执行长时间操作。常见的下半部处理机制包括：

  1. Tasklets：
  • 用于处理不可睡眠的底半部工作，适合轻量级的底半部处理。
  • 示例代码：
    “`c
    void my_tasklet_function(unsigned long data) {
    // Perform task here
    }
    DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_function, 0);
    irqreturn_t my_isr(int irq, void *dev_id) {
    tasklet_schedule(&my_tasklet);
    return IRQ_HANDLED;
    }
    “`
  1. 工作队列（Workqueues）：
  • 如果需要执行可能睡眠的操作，如文件操作或等待事件，可以使用工作队列。
  • 示例代码：
    “`c
    void my_work_function(struct work_struct *work) {
    // Perform task here
    }
    DECLARE_WORK(my_work, my_work_function);
    irqreturn_t my_isr(int irq, void *dev_id) {
    schedule_work(&my_work);
    return IRQ_HANDLED;
    }
    “`
  1. 软中断（Softirqs）：
  • 用于更高优先级的底半部处理，但不如硬中断紧急，适合处理需要快速响应但不能睡眠的任务。

选择合适的下半部机制主要取决于任务的性质和对响应时间的要求。Tasklets和Softirqs适合处理不需要睡眠的快速响应任务，而工作队列适用于可能需要阻塞的更复杂操作。通过这样的设计，可以确保中断服务快速完成，同时也能处理复杂的任务而不影响系统的整体性能。

16.为什么FIQ比IRQ要快？

在ARM架构中，存在两种中断类型：快速中断请求（FIQ）和普通中断请求（IRQ）。FIQ比IRQ处理更快，原因主要包括以下几点：

  1. 寄存器银行

FIQ模式拥有独立的寄存器银行，这包括R8_fiq到R14_fiq，专门用于快速中断模式。这种设计减少了在进入和退出中断处理时所需的寄存器保存和恢复操作，从而加快了中断响应和处理速度。

  1. 中断向量和处理优先级

FIQ具有更高的优先级，几乎可以打断所有其他活动，包括IRQ。此外，FIQ的中断向量位于一个固定的位置（比IRQ的更接近中断向量表的起始），这意味着处理器能够更快地跳转到FIQ的处理程序。

  1. 中断处理时间

由于FIQ设计用于处理极少数的高优先级任务，并且中断服务程序通常被设计得非常短小和高效，因此FIQ的处理程序通常比IRQ的执行时间短，这进一步加速了处理过程。

  1. 硬件简化

在FIQ响应时，由于寄存器的自动银行切换和较少的上下文保存需求，硬件处理过程更为简单和快速。这样的硬件支持使得FIQ成为在极端延迟敏感的应用中的理想选择。

  1. 干扰程度

FIQ由于具有更高的处理优先级，它的干扰程度较低。系统设计时，通常会保持FIQ线路尽可能清晰，避免过多的软件层面干预，从而实现快速执行。

因此，FIQ提供了一种高效的方式来处理紧急和关键的任务，确保系统能够在关键时刻快速响应，这在需要极低延迟的实时处理和高性能嵌入式系统中非常关键。

17.中断和轮询哪个效率高？怎样决定是采用中断方式还是采用轮询方式去实现驱动？

在决定使用中断还是轮询来实现驱动时，通常需要根据应用的具体需求、性能目标和硬件资源来选择。中断和轮询各有其优缺点，并且适用于不同的场景。

中断的优势与适用场景

优势：

  • 响应速度快：中断驱动可以即时响应硬件事件，因为当硬件事件发生时，处理器会立即得到通知并处理该事件。
  • CPU效率高：中断允许CPU在没有外部事件时执行其他任务，从而提高CPU的使用效率。

适用场景：

  • 实时性要求高：对于需要快速响应的应用，如实时数据处理和高速数据采集，中断是更好的选择。
  • 事件驱动的应用：例如，键盘输入、网络数据接收等。

轮询的优势与适用场景

优势：

  • 实现简单：轮询模式的代码通常比中断处理逻辑简单，易于理解和维护。
  • 控制简单：轮询给予程序对执行流程的完全控制，不会像中断那样突然打断当前任务。

适用场景：

  • 低频事件处理：对于事件发生频率较低的应用，轮询可能是一种资源消耗更低的方法。
  • 硬件限制：在一些简单或资源受限的硬件平台上，可能没有足够的支持来实现复杂的中断处理机制。

如何选择？

选择中断还是轮询主要依赖于以下几个因素：

  1. 响应时间要求：如果应用需要快速响应外部事件，中断通常是更好的选择。
  2. 系统负载：如果系统中有大量空闲时间或CPU资源紧张，使用中断可以更有效地利用CPU，因为CPU可以在等待事件时执行其他任务。
  3. 事件的频率：对于事件发生频率高且不规律的情况，使用中断可以减少CPU持续检查设备状态的需要，提高效率。对于事件频率低且比较规律的情况，轮询可能更合适。
  4. 开发复杂性与资源消耗：中断驱动的开发和调试可能比轮询复杂，因为需要处理异步行为和并发问题。如果资源允许且开发周期足够，采用中断通常可以提供更好的性能和效率。

总结来说，中断方式通常在效率和响应速度上优于轮询方式，但在实现上更为复杂。选择合适的方法取决于具体的应用需求和环境条件。在实际开发中，有时也会结合使用中断和轮询，以达到最优的性能和资源利用平衡。

18.什么是异步传输和同步传输？

在数据通信领域中，异步传输和同步传输是两种基本的数据同步方式，它们定义了数据是如何在发送方和接收方之间传输的。

同步传输

同步传输是指在发送方和接收方之间存在一个固定的时钟信号来同步数据。在同步传输中，数据以连续的流形式传输，且每一位的传输都与一个预先定义的时钟信号同步。

  • 特点：
    • 数据速率高：由于数据和时钟信号是同步的，通常可以实现更高的数据传输速率。
    • 连续传输：数据可以在没有间隔的情况下连续传输。
    • 时钟同步：需要在发送方和接收方之间共享一个时钟信号，这可能通过单独的时钟线或者在数据信号中编码时钟来实现。
  • 应用场景：
    • 高速网络通讯，如以太网。
    • 高性能数据接口，如串行外设接口（SPI）、I2C等。

异步传输

异步传输不依赖于外部时钟信号来同步数据，而是使用起始位和停止位来标记每个数据包的开始和结束。接收方通过这些起始位和停止位来识别数据边界。

  • 特点：
    • 简单和灵活：不需要复杂的时钟同步机制，减少了硬件的复杂性和成本。
    • 自同步：每个数据帧的开始都由一个起始位标识，使得接收方能够自我同步到发送方的数据流。
    • 适用于低速和中断驱动的通信：如常见的RS-232串行通信。
  • 应用场景：
    • 点对点的低速通信，如计算机和外围设备之间的串行通信。
    • 无需连续数据流的应用，如键盘和鼠标等输入设备。

总结

同步传输和异步传输各有优势和局限：

  • 同步传输适合于高速、连续的数据流场景，但需要额外的时钟线或更复杂的时钟恢复技术。
  • 异步传输虽然数据速率较低，但它简化了通信的硬件需求，使其成本更低，且更容易实现，特别是在低速或不频繁的数据传输场景中。

选择哪种传输方式取决于具体的应用需求，包括数据速率、成本、硬件复杂性和实现的易程度。

19.如何判断计算机处理器是大端，还是小端？

在计算机科学中，大端（Big-endian）和小端（Little-endian）是数据在内存中的字节序（Byte Order）方式。大端方式是将高位字节存放在内存的低地址端，而小端方式则是将低位字节放在内存的低地址端。判断处理器是大端还是小端对于进行跨平台数据交换和系统开发非常重要，特别是在网络编程和操作系统开发中。

编写一个简单的C程序来判断

最简单的方法之一是通过编写一个小的C程序来检查系统的字节序。这个程序会利用联合体（Union）来共享同一内存区域，以此来查看首个字节的存放情况：

#include <stdio.h>

int main() {
    union {
        unsigned int i;
        char c[sizeof(unsigned int)];
    } x;
    x.i = 1;
    if (x.c[0] == 1)
        printf("Little-endian\n");
    else
        printf("Big-endian\n");
    return 0;
}

C

Copy

这个程序定义了一个联合体，其中包含一个 unsigned int和一个 char数组。unsigned int类型的变量 i被初始化为1。在内存中，这个值为1的四字节整数（假设使用32位整数）可以是 01 00 00 00（小端）或 00 00 00 01（大端）。

解释

  • 当我们将 x.i设置为1时，如果系统是小端，则最低位字节（1）存放在最低的地址，即 x.c[0]。
  • 如果 x.c[0]是1，则该程序输出”Little-endian”，表示这是一个小端系统。
  • 如果 x.c[0]不是1（在本例中，x.c[0]将会是0），则程序输出”Big-endian”。

其他方法

  1. 使用标准库函数：
    • 一些语言或平台提供了函数来直接检查字节序，例如Python的 sys.byteorder属性。
  2. 查看系统文档：
    • 处理器或系统的技术手册通常会指明该系统的字节序。
  3. 内置函数：
    • 在某些编译器中，可能存在用于检查字节序的内置函数。

应用重要性

了解处理器的字节序对于处理从不同类型的机器上发送来的数据尤为重要，特别是在网络通信中，因为网络协议通常采用大端字节序（网络字节序）。在进行数据交换时，不匹配的字节序可能导致数据解析错误，因此开发者需要在发送和接收数据时进行适当的字节序转换。

20.嵌人式编程中，什么是大端？什么是小端？

在嵌入式编程和计算机系统中，大端（Big-endian）和小端（Little-endian）是两种不同的字节序（或字节对齐方式），用于定义多字节数据（如整数、浮点数等）在内存中如何存储和解释。

大端 (Big-endian)

在大端字节序中，数据的最高位字节（即最重要的字节）存储在最低的内存地址，其余字节按重要性递减的顺序存储。这种方式使得数据的高位字节在内存的前面。

例如：一个为 0x12345678 的32位整数，在大端系统中的存储顺序如下：

地址0x00: 0x12
地址0x01: 0x34
地址0x02: 0x56
地址0x03: 0x78

大端模式读取数据时直观，从高地址开始读就是数据的高位。

小端 (Little-endian)

在小端字节序中，数据的最低位字节（即最不重要的字节）存储在最低的内存地址，其余字节按重要性递增的顺序存储。这意味着数据的低位字节位于内存的开始位置。

例如：同样的 0x12345678 在小端系统中的存储顺序如下：

地址0x00: 0x78
地址0x01: 0x56
地址0x02: 0x34
地址0x03: 0x12

小端模式方便在低位字节开始的处理器直接读取，特别是在进行数学运算时。

选择字节序的考虑

  • 硬件架构：不同的处理器采用不同的字节序。例如，x86架构是小端，而许多老式的网络设备和微处理器（如Motorola的处理器）采用大端。
  • 网络通信：在网络协议中，数据通常采用大端模式（称为网络字节序），因为这样可以从接收的字节流中直接读取最重要的部分。

字节序的选择在嵌入式系统设计中尤其重要，因为它影响数据的存取效率及与外部系统的兼容性。开发者需要了解目标平台的字节序，以确保数据正确处理和跨平台兼容性。

21.如何对绝对地址0x100000赋值？

在嵌入式编程中，对绝对地址进行赋值通常涉及直接操作指针。这是一种底层操作，需要确保硬件和系统支持直接访问内存地址。下面是一个简单的示例，展示如何在C语言中对绝对地址 0x100000赋值。

假设我们需要将该地址的值设置为整数 42。代码示例如下：

#include <stdint.h>

int main() {
    // 定义一个指向地址0x100000的指针
    volatile uint32_t *ptr = (volatile uint32_t *)0x100000;

    // 给指定地址赋值
    *ptr = 42;

    return 0;
}

这里有几个关键点需要注意：

  1. 指针类型：我使用了 uint32_t *，这意味着假设该地址存储的数据是一个32位的无符号整数。这个类型应该与实际硬件和所需数据的大小匹配。
  2. volatile关键字：volatile 告诉编译器，该指针指向的内存位置可能会被程序之外的因素改变（如硬件或其他并发操作），这样编译器就不会优化这些读写操作。这在嵌入式系统和硬件接口编程中非常重要。
  3. 地址访问：直接使用指针对特定内存地址的读写需要确保该内存地址是可访问且合法的，否则可能导致程序崩溃或硬件行为异常。
  4. 硬件兼容性：确保你的系统支持对此内存地址的访问。不同的系统可能有不同的内存映射和保护机制。

进行这类操作前，一定要了解目标平台的硬件手册和编程指南，以确保对内存的操作是安全和合理的。