【期末复习】嵌入式——S5PV210开发板

本文为嵌入式课程期末复习，仅供参考，所用课本：嵌入式Linux操作系统（李建祥著）。

第一章

1.1 简述嵌入式微处理器数据存储格式的大，小端模式。

大端模式是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中。

小端模式则是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中。

1.2 Cortex-A8 处理器主要由哪 5 部分组成？

（1）处理器核心：负责执行指令和数据处理，支持多种指令集，能够高效地执行各种计算任务。

（2）内存管理单元（MMU）：处理器中负责内存管理的部分，提供了虚拟内存到物理内存的映射功能。通过 MMU，Cortex-A8 可以实现内存保护、地址转换以及多任务之间的内存隔离。

（3）高速缓存：Cortex-A8 通常配备了一级（L1）和二级（L2）高速缓存，用于存储处理器经常访问的数据和指令。可以提高处理器的性能，减少访问主存的延迟。

（4）浮点单元（FPU）：专门用于执行浮点运算的硬件部分，使得处理器在处理复杂数学运算和图形处理等方面具有出色的性能。

（5）外设接口：用于连接各种外部设备。

1.3 写出 R 寄存器组中 r13、r14、r15 的名称和作用。

(1) r13（堆栈指针寄存器SP），用于指向当前堆栈的顶部。

(2) r14（链接寄存器LR），用于存储子程序返回主程序的链接地址。当处理器执行调用指令（如BL）时，r14 用于存储了程序计数器 PC的备份，供子程序的返回主程序。

(3) r15（程序计数器PC），指向当前的程序地址。PC 的值决定了 CPU接下来要执行的指令的地址。在ARM 体系结构中，由于采用了多级流水线技术，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址。

1.4 简述 Cortex-A8 处理器的 8 种工作模式。

(1) 用户模式：正常程序执行的模式，大多数应用程序代码都在此模式下运行。该模式为非特权模式，限制内存的直接访问和通过物理地址对硬件设备进行读写操作。

(2) 系统模式：使用与用户模式相同的寄存器组，但拥有特权级操作系统任务

的执行能力，允许访问硬件资源和执行特权操作。

(3) 管理模式：操作系统使用的保护模式，通常系统复位或软件中断时进入此模式。

(4) 中断模式：当低优先级中断发生时进入此模式，常用于处理普通的外部中断。

(5) 快速中断模式：当高优先级中断发生时进入此模式，用于高速数据传输和通道处理。

(6) 数据访问中止模式：当存取异常（如无效的内存访问）发生时进入此模式。

(7) 未定义指令中止模式：当执行未定义指令时进入此模式，用于支持硬件协处理器的软件仿真。

(8) 监控模式：可在安全模式与非安全模式之间进行转换。

除用户模式外，其余模式都属于特权模式，该模式下可以访问所有的系统资源。

1.5 如何确定系统出于哪种操作模式？

使用mrs命令将cpsr寄存器中的值读取出来，比较其模式位M[4:0]的值判断当前所处模式。

1.6 简述 Cortex-A8 处理器的 CPSR 寄存器各功能位名称和功能定义

(1) 条件标志位：

N负数或小于标志位：N=1表示运行结果为负数。

Z零标志位：Z=1表示运算结果为零。

C进位/借位标志位：加法运算中，若结果产生了进位，C=1，减法运算中，若发生借位，C=0。

V溢出标志位：V=1，表示两个有符号数相加结果溢出。

Q 标识位：若执行乘法和分数算术运算指令时，发生溢出，则Q被置为1。

(2) 状态控制位：

IT：条件语句执行控制位。

J：T=1时，依据J位决定处理器的工作状态。

E：决定数据的端模式（大端/小端）。

(3) 控制位：

I：IRQ 中断禁止位。I=1 时，禁止 IRQ 中断，反之允许。

F：FIQ 中断禁止位。F=1 时，禁止 FIQ 中断，反之允许。

T：Thumb 状态位。决定处理器的工作状态。

M[4:0]：工作模式位。用于决定当前处理器的工作模式。

第二章

2.1 举例说明 ARM 汇编指令所支持的寻址方式。

(1) 立即数寻址：立即数作为操作数在指令中给出SUB R0, R1, #1

(2) 寄存器寻址：操作数存放在寄存器中，指令执行时直接取出寄存器值来操作。MOV R1, R2

(3) 寄存器间接寻址：操作数保存在寄存器指定地址的存储单元中。LDR R1, [R2]

(4) 寄存器移位寻址：寄存器寻址得到的操作数再进行移位得到最终的操作数。MOV R0, R2, LSL #3

(5) 基址寻址：基址寄存器中的值与指令中的偏移地址量相加，形成操作数的有效地址。LDR R2, [R3, #0x5]

(6) 相对寻址：将程序计数器作为基址寄存器，指令中的标号作为地址偏移量，两者相加得到操作数存放地址。B process

(7) 多寄存器寻址：一条指令可以完成多个寄存器值的传送。LDMIA R1, {R2-R4, R5}

补充：IA每次传送后地址加4，DA减4(I increment A after D decrement)

    IB每次传送前地址加4，DB减4(B before)

    FA满递增堆栈，FB满递减堆栈(F full)

    EA空递增堆栈，EB空递减堆栈(E empty)

(8) 块拷贝寻址：可实现数据块的复制。LDMIA R0 {R1-R5}

(9) 堆栈寻址：用于数据栈与寄存器组之间的批量数据传输。LDMFD R13！，{R0,R1,R2,R3,R4}

R13为堆栈指针，此指令将R0-R4依次压入堆栈中

2.2 ARM GNU汇编

2.2.1 相对跳转指令 b 和 bl

bl 指令除了跳转之外，还将返回地址（bl 指令下面一条指令的地址）保存在lr寄存器中。 b 和 bl 指令只能实现±32MB 空间的跳转，并且是位置无关指令。

2.2.2 数据传送指令 mov 和伪指令 ldr

mov 指令可以把一个立即数或寄存器的值（这里不能是内存地址）赋给另一个寄存器， mov 指令限制了立即数的长度为 8 位。

mov r1, r2 /* r2 中的内容赋给 r1 */mov r1,#0xFF /* r1=0xFF */

ldr 指令即是加载指令（内存访问指令），也是伪指令，作为加载指令时，可以把一个寄存器内的数据加载到另一个寄存器，或内存地址里的数据加载到寄存器中。作为伪指令时，可以在立即数前面加一个等号“=”，以表示把一个地址写到寄存器中去。

对于 ldr 伪指令的第二个参数没有范围的限制，如果立即数的长度不超过 8 位时，编译器会自动转换为 mov 指令。

ldr r1, =100 /* r1=100，系统会自动用 mov 指令代替 */ldr r1, =0x12345678 /* r1=0x12345678 */ldr r1, 0x12345678 /* 将 0x12345678 地址处的值赋给 r1 寄存器*/

2.2.3 内存访问指令 ldr、str、ldm、stm

str 是内存访问指令，它的功能与 ldr 相反，它是把数据存到内存中去。

ldr r1, [r2 + 4] /* 将地址为 r2+4 的内存单元数据读取到 r1 寄存器 */str r1, [r2 + 4] /* 将 r1 寄存器的内容保存到地址为 r2+4 的内存单元中 */

ldm 和 stm 属于批量内存加载和存储指令，可以实现在一组寄存器和一块连续的内存单元之间传输数据。语法格式如下： 

ldm{cond}< mode> {!} {^} stm{cond}< mode> {!} {^}

2.2.4 加减指令 add、sub

1）add 寄存器，数据 add r1, 8 /* r1=r1+8 */

2）add 寄存器，寄存器 add r1, r2 /* r1=r1+r2 */

3）add 寄存器，内存单元 add r1, [0x12345678] /* r1 等于 r1 寄存器的值加内存 0x12345678 中的值 */

4）add 内存单元，寄存器 add [0x12345678], r1 /* 内存 0x12345678 中的值加 r1 再写回到 0x12345678 中*/

sub类似

2.2.5 位操作指令 bic、orr

bic 为位清除指令，bic {cond}{S} 目的寄存器，操作数 1，操作数 2

用途：清除操作数 1 的某些位（操作数 2 指定），并把结果写到目的寄存器中。

例如： bic r0, r0, 0x1f //将 r0 的 bit[4:0]

位清零 orr 指令用法与 bic 类似，它是把操作数 1 指定的位（操作数 2）置1。

2.2.6 程序状态寄存器访问指令 msr、mrs

msr 和 mrs 用来对程序状态寄存器 cpsr 和 spsr 进行读写操作。

msr cpsr, r1 /* 将 r1 中的内容写回到 cpsr */

mrs r1, cpsr /* 读取 cpsr 到 r1 */

补充记忆：s-status状态寄存器 r-通用寄存器，所以msr是将通用寄存器的值写入状态寄存器，mrs是将状态寄存器的值读取到通用寄存器中。

第三章

3.1 简述 S5PV210 芯片功能。

(1) 核心架构：采用了 ARM Cortex-A8 内核，基于 ARM V7 指令集，主频可达 1GHZ，具有 64/32 位内部总线结构，以及 32/32KB 的数据/指令一级缓存和 512KB 的二级缓存。

(2) 图形处理能力：内建高性能3D 图形引擎和 2D 图形引擎，支持 2D/3D图形加速。

(3) 视频编解码能力：内建 MFC，支持多种格式视频的编解码，以及模拟/数字 TV 输出。

(4) 图像处理：JPEG 硬件编解码，最大支持 8000x8000 分辨率的图像处理。

(5) 存储和接口：存储控制器支持多种类型的 RAM。Flash 支持 Nandflash、Norflash、OneNand 等。接口丰富。

(6) 高清输出：内建的 HDMI v1.3 接口，可以将高清视频输出到外部显示器上。

(7) 功耗和性能优化：提供了多种电源管理和功耗优化技术，确保高性能低功耗。

3.2 简述 S5PV210 上电复位后的启动过程。

(1)处理器上电后，首先进入复位状态并开始初始化。

(2)执行iROM中的固化代码，即 BL0。

(3)执行 BL0，加载bootloader到片内SRAM中， 即BL1，并跳转到BL1中执行。

(4)执行BL1，加载bootloader剩余部分到SRAM中，即BL2并跳转到BL2中执行。

(5)执行BL2初始化DRAM控制器，并加载操作系统到SRAM中。

(6)处理器跳转到操作系统的起始地址，开始运行操作系统。

3.3 BL0启动序列

(1)禁止看门狗

(2)初始化指令缓存

(3)初始化栈、堆

(4)初始化块设备复制函数

(5)初始化PLL（锁相环）及设置系统时钟

(6)根据OM引脚设置，从相应设置中复制BL1前16KB字节到片内SRAM的0xD0020000地址，并检查BL1的checknum信息，若检查失败，将自动尝试第二次启动

(7)检查是否安全模式启动，是则验证BL1的完整性

(8)跳转到BL1起始地址处

第四章

4.1 常用u_boot命令

Help：查看当前u_boot的所有可用命令

Bdinfo：显示开发板配置信息

Cmp：比较两块存储单元的值

Tftp：通过tftp协议从网络下载文件到指定内存地址

Ping：测试网络连通性

Printenv：打印当前环境变量及其值

Setenv：设置环境变量

Saveenv：保存环境变量

Version：查看当前u_boot版本信息

Reboot：重启

​​​​​​​4.2 写出 U-Boot 两种工作模式的作用。

(1) 启动加载模式是应用系统的正常工作模式，该模式自动将嵌入式操作系统从FLASH 中加载到 SDRAM 中运行，无需用户介入。

(2) 下载模式允许 Bootloader 通过某些通信手段将内核映像或根文件系统映像等从 PC 机中下载到目标板的 FLASH 中。通常用于开发阶段，目标机中的u_boot会向终端提供一个简单的命令行接口。

第五章

嵌入式系统开发环境主要由哪两部分构成？

(1) 宿主机指PC或笔记本电脑，用于搭建交叉编译环境，编译用于目标机的系统内核和应用程序。

(2) 目标机指量身定制的一个嵌入式专用平台，用于系统内核和应用程序的测试与运行。

六、其余补充内容

6.1 Flash闪存

Flash闪存是一种非易失性存储器，即供电电源关闭后仍能保存片内信息不丢失。常用的闪存主要有Nor和Nand两类。

（1）接口方面，Nor Flash带有通用的SRAM接口，支持随机访问。而Nand Flash的接口是相对复杂的I/O接口串行的存取数据，需要先发出命令，然后发出相应的地址，最后读/写数据。

（2）容量与成本方面，Nor Flash的容量相比Nand Flash小很多，价格高很多。

（3）可靠性方面，Nor Flash上不存在坏块，而Nand Flash在使用前要进行坏块扫描，且flash的位翻转现象的出现频率较高，在文件存储时容易导致信息出错。

（4）使用寿命方面，Nand Flash一个块最大擦写次数可达百万次，而Nor Flash只有十万次左右。

（5）读写速度方面Nand Flash擦除简单，而Nor Flash擦除前需要先将目标块内的值先写为1，且Nor Flash的块较大，擦除时间较长。

​​​​​​​U盘常用的存储器是Nand Flash

U盘常用的存储器是非易失性存储器Nand Flash，然后回答它相比与Nor Flash的优点。

6.2 ​​​​​​​如何理解嵌入式系统？结合应用谈谈自己的理解

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有着严格要求的专用计算机系统。

6.3 ​​​​​​​嵌入式系统的特点

（1）软硬件可裁剪

（2）体积小、低功耗、低成本，高可靠性、高稳定性

（3）实时性和交互性强

（4）对开发环境和人员有一定要求​​​​​​​

6.4 ​​​​​​​S5PV210提供几个32位的定时器，哪几个具备PWM功能？

S5PV210提供5个32位定时器，其中定时器0、1、2、3具备PWM功能，定时器4没有输出引脚，定时器还具有死区寄存器。

6.5 ​​​​​​​以定时器0为例，说说PWM定时器工作过程

(1)设置预分频器和时钟分频器值

(2)设置TCNTBn定时器初值和TCMPBn比较值，配置TCON寄存器开启定时器，在使能手动更新后，TCNTNBn和TCMPBn的值自动装入定时器内部的TCNTn和TCMPn寄存器

(3)TCNTn开始减一计数，直到和TCMPn的值相等时，在使能自动反转功能后，TOUTn的输出引脚信号反转

(4)TCNTn继续进行减一操作，直到减到0。如果使能中断功能，则触发相应的中断，跳转到相应的中断服务子程序中执行

(5)如果使能自动加载，则TCNTn的值减到0后，会进行自动重装并开始下一次定时操作。若为手动加载，则定时器停止定时。直到装入初值和比较值，会在执行完当前周期后，在下一次时钟周期开始定时操作

​​​​​​​6.6 嵌入式设备文件分为哪三类？

(1)字符设备，能够像字节流一样访问的设备，比如文件、串口

(2)块设备，数据以块的形式存放，比如Nand Flash

(3)网络接口，同时具有字符设备和块设备的部分特点

七、实验部分

7.1 ​​​​​​​Linux交叉编译环境的制作过程

(1)下载交叉编译工具链arm-linux-gcc，并进行解压

(2)启用32位架构，安装32位依赖库

(3)配置环境变量，并确保其生效

(4)输入arm-linux-gcc -v命令，若正确输出版本号，则安装配置成功

7.2 ​​​​​​​U_Boot移植过程

根据开发板需求从 U-Boot 的官网下载对应的源码，并准备一个容量足够且无重要数据的sd卡，将其格式化为 FAT32 文件系统。

在boards.cfg中添加单板硬件信息，创建板级目录和配置文件，配置相关的硬件相关驱动

执行make <board>_config命令，自动生成配置文件和架构符号链接

通过make命令编译生成spl/u-boot-spl.bin和u-boot.bin，按芯片要求烧录sd卡中（实验中为扇区1和扇区32）

将sd卡插入到开发板上，选择从sd卡启动观察现象是否正常

7.3 ​​​​​​​U_Boot启动过程

（1）BL0（iROM 阶段）：iROM初始化硬件并从SD卡扇区1加载SPL到内部RAM执行；

（2）BL1（SPL 阶段）：SPL初始化时钟和DDRAM后，从SD卡扇区32加载完整U-Boot到DDRAM起始地址（0x20000000）执行；

（3）BL2（U-Boot 阶段）：U-Boot完成硬件初始化后，执行重定位计算目标地址，将自身代码从加载地址复制到目标地址，根据重定位表修正符号地址，最后跳转到重定位后的 U-Boot 继续执行，准备加载内核。

7.4 ​​​​​​​驱动设计实验具体过程

在Ubuntu环境下搭建交叉编译环境，禁用系统自带的蜂鸣器驱动以避免冲突(make menuconfig)并编译内核源码。

编写驱动程序buzzer.c、驱动测试代码test.c和对应的Makefile文件。

执行make命令编译生成内核模块buzzer.ko和test可执行文件，并将buzzer.ko与test可执行文件通过tftp命令、sd卡、u盘或其它方式导入开发板。

在开发板上加载好buzzer.ko文件(insmod buzzer.ko)，创建字符设备(mknod /dev/buzzer)，为test程序添加可执行权限(chmod +x  test)并运行test(./test)，观察蜂鸣器现象（响起）。

7.5 ​​​​​​​加载设备驱动程序有几种方法，分别如何实现？

两种加载方式：

（1）静态编译加载，把驱动程序直接编译进内核，开机自动生效，缺点是调试麻烦

（2）动态模块加载：将驱动程序编译为.ko模块文件，通过insmod命令手动添加模块(insert)，不需要时使用rmmod命令删除（remove），便于调试，可根据需求进行内核裁剪

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