嵌入式基础知识-4

C++软件与嵌入式软件面经解析大全（蒋豆芽的秋招打怪之旅）

本章讲解知识点

• 1.1 嵌入式计算机系统的发展
• 1.2 嵌入式计算机系统的定义与组成
• 1.3 嵌入式操作系统以及用户应用软件
• 1.4 ARM简介
• 1.5 ARM体系结构
• 1.6 其他典型微控制器
• 1.7 BootLoader
• 1.8 典型的BootLoader——U-Boot
• 1.9 驱动程序与设备
• 1.10 总线
• 1.11 串行与并行、同步与异步、半双工与全双工
• 1.12 内部总线
• 1.13 系统总线
• 1.14 外部总线

受众：本教程适合于C/C++已经入门的学生或人士，有一定的编程基础。

本章节仅适合于嵌入式软件求职的学生或人士。

故事背景

蒋 豆 芽：小名豆芽，芳龄十八，蜀中人氏。卑微小硕一枚，科研领域苟延残喘，研究的是如何炒好一盘豆芽。与大多数人一样，学习道路永无止境，间歇性踌躇满志，持续性混吃等死。会点编程，对了，是面对对象的那种。不知不觉研二到找工作的时候了，同时还在忙论文，豆芽都秃了，不过豆芽也没头发啊。

隔壁老李：大名老李，蒋豆芽的好朋友，技术高手，代码女神。给了蒋豆芽不少的人生指导意见。

导 师：蒋豆芽的老板，研究的课题是每天对豆芽嘘寒问暖。

故事引入

蒋 豆 芽：老李，你最近在干嘛啊？我看你还挺忙的。

隔壁老李：（满头大汗）是啊，豆芽，累死我了。最近忙着筹备公众号。

蒋 豆 芽：（震惊）怎么了，老李，你难道要抛弃我了？

隔壁老李：（笑）说啥呢豆芽？公众号而已，就当个兴趣爱好来搞搞。就是更忙一点而已。

蒋 豆 芽：（吁气）那就好，那就好。什么类型的公众号啊？

隔壁老李：财经、政治、生活方面的。行了，不说这个了，我们继续学习吧！

蒋 豆 芽：好！我爱学习！

隔壁老李：豆芽，我们在前面已经讲完了有关嵌入式linux开发相关的东西，以及介绍了典型的ARM框架。这一章我们来讲讲剩余的嵌入式相关的杂项知识点。

1.10 总线

隔壁老李：我们先来讲讲一个重要的知识点，那就是总线。

蒋 豆 芽：嗯？好像了解过，什么SPI啊、CAN总线啊。

隔壁老李：没错，我们来系统的讲一讲。你看看下面的设备连线。

蒋 豆 芽：我的妈呀，这也太恐怖了吧。

隔壁老李：是的，我们的微电子电路也是一个道理。任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。

蒋 豆 芽：（恍然大悟）哦，原来总线是这么来的。

隔壁老李：总线在英语中，叫作“bus”，你看，这就很形象了，总线如同公交车，内部电子器件和外围设备就是一个个的站点，CPU发出的信号就通过总线这辆公交车到达它们指定的站点。

蒋 豆 芽：是的，太形象了！公交车只能在固定的线路上跑，所以有了总线，我们的线路就不会再乱了。

隔壁老李：微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。讲总线前，我们先明确一些概念，串行与并行、同步与异步、全双工与半双工。

1.11 串行与并行、同步与异步、全双工与半双工

隔壁老李：这些概念不难，看图就特别直观了：我们先看串行和并行

串行是一个字节的数据，排成一行发送给接收设备。并行是一个字节的数据，排成一列发送给接收设备。那当然并行速率快、吞吐量大、不过消耗IO资源也很多。

串行和并行区别如下：

1. 数据传送方式不同：串行口传输方式为数据排成一行、一位一位送出数据；并行口传输8位数据一次送出。
2. 针脚不同：串行口针脚少，消耗IO资源少；并行口针脚多，消耗IO资源多。
3. 用途不同：串行口主要用在速度要求不高、有一定距离的传输场景，如UART，I2C通信；并行口多用于传输速率要求高、吞吐量大的场景，如FSMC（Flexible Static Memory Controller，可变静态存储控制器），DVP（Digital Video Port，数字视频接口）等接口。

隔壁老李：我们再来看同步与异步。

我们注意到在字节与字节之间，同步发送数据是不留间隙的，而异步发送数据可以间隙任意。这是最主要的区别。我们再看看表格：

通信类型	字节与字节之间间隙	位与位之间间隙	时钟频率	起始位、终止位
同步	无间隙	间隙固定	相同	不需要
异步	间隙任意	间隙固定	不同	需要

我们给出同步与异步通信的区别：

1. 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流，字节与字节之间没有间隙；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。
2. 同步通信效率高，异步通信效率较低。
3. 同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。
4. 同步通信可用于多点对多点，异步通信只适用于点对点。

隔壁老李：我们最后看看全双工与半双工。

半双工和全双工的区别很明显，半双工只有一条数据线，既要用作发送数据，又要用作接收数据，是单向的；而全双工一条数据线用作发送数据，一条数据线用作接收数据，是双向的。

那么两者最大区别就是速率了，全双工通信速率理论上是半双工的两倍。

隔壁老李：好了，豆芽，基本概念我们就清楚了，接下来就可以进入总线的讲解了。我们先讲内部总线。

1.12 内部总线

隔壁老李：内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连。内部总线就是我们很熟悉的了。I2C、SPI都是内部总线。

隔壁老李：我们先讲I2C总线，很重要，面试喜欢考。

隔壁老李：I2C总线的特点是：

I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。 可以看出I2C总线是半双工同步总线。

SDA：双向数据线，为OD (Open Drain，漏极输出) 门，与其它任意数量的OD与OC (Open Collector，集电极开路) 门成\线与\关系。

SCL：上升沿将数据输入到每个I2C从设备中；下降沿驱动I2C从设备输出数据。（边沿触发）

隔壁老李：I2C通信的时候，通信双方地位是不对等的，而是分为主设备和从设备。通信由主设备发起，由主设备主导，从设备只是按照I2C协议被动的接收主设备的通信，并及时响应。

蒋 豆 芽：那具体怎么选择从设备呢？

隔壁老李：系统中的所有外围器件通常具有一个7位的从器件专用地址码，其中高4位为器件类型，由生产厂家制定，低3位为器件引脚定义地址，由使用者定义 （I2C还支持10位寻址）。

主控器件通过地址码建立多机通信的机制，因此I2C总线省去了外围器件的片选线，这样无论总线上挂接多少个器件，其系统仍然为简约的二线结构，如图。

终端挂载在总线上，有主端和从端之分，主端必须是带有CPU的逻辑模块，在同一总线上同一时刻使能有一个主端，可以有多个从端，从端的数量受地址空间和总线的最大电容 400pF的限制。

蒋 豆 芽：哦，明白了。

隔壁老李：然后我们就要讲I2C总线的协议了，太喜欢考了。

我们看到时序图：

1. 空闲状态：I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。

2. 起始信号：当SCL为高电平期间，SDA由高到低的跳变；

3. 停止信号：当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变；

隔壁老李：然后我们来看看如何传输数据的，如图：

数据传输以字节为单位。

主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲，将在SDA线上传输一个数据位，当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位（ACK），此时才认为一个字节真正的被传输完成。

当然，并不是所有的字节传输都必须有一个应答位，比如：当从设备不能再接收主设备发送的数据时，从设备将回传一个否定应答位。

隔壁老李：为了加深理解，我们要代码实操一下，比如平常我们使用存储芯片AT24C02，就采用的I2C协议，我们使用51单片机来访问AT24C02，那51单片机没有I2C接口，我们就不得不利用IO模拟I2C时序，这非常有利于我们学习I2C协议。

我们从时序图左边开始，当SCL为高电平期间，SDA由高到低的跳变，那么这就是起始信号，这里要注意，SCL要在几us内完成跳变呢？

这个时候我们就要看芯片手册了，下面是我截取的AT24C02芯片手册的一部分，我们需要注意一个时间，就是t(SU.STA)，我们这里假定当AT24C02工作在1.8v时，这个时间的最小保持时间是4.7us，而我们的51单片机使用外接12M的晶振时，一个指令周期1us。意思就是SDA跳变时需要再插入时延。包括时间t(HD.STA)、t(Low)、t(High)，都是大于4.0us的，所以，都要插入时延，因为I2C时序要求并不是很严格，一般我们插入10us时延。好了，我们来看代码。

先看到起始信号：

void IIC_Start(){
    SDA = 1;     // 51单片机在读取数据之前要先置一，表示数据输入
    delay10us(); // 插入时延10us
    SCL = 1;
    delay10us(); // 插入时延10us
    SDA = 0;
    delay10us(); // 插入时延10us，保持时间是>4.7us
    SCL = 0;    
    delay10us(); // 插入时延10us
}

终止信号如下：

void IIC_Stop(){
    SDA = 0;
    delay10us(); // 插入时延10us
    SCL = 1;
    delay10us(); // 插入时延10us，建立时间大于4.7us
    SDA = 1;
    delay10us(); // 插入时延10us    
}

我们再给出字节读取、传送代码：

//通过I2C发送一个字节。在SCL时钟信号高电平期间， 发送信号SDA保持稳定
uchar I2C_SendByte(uchar dat, uchar ack){
    uchar a = 0,b = 0;      // 最大255，一个机器周期为1us，最大延时255us。            
    for(a=0; a<8; a++){     // 要发送8位，从最高位开始
        SDA = dat >> 7;        // 起始信号之后SCL=0，所以可以直接改变SDA信号
        dat = dat << 1;
        delay10us();
        SCL = 1;
        delay10us();        //建立时间>4.7us
        SCL = 0;
        delay10us();        //时间大于4us        
    }
    SDA = 1;
    delay10us();
    SCL = 1;
    /*
    主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲，将在SDA线上传输一个数据位，当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位（ACK），此时才认为一个字节真正的被传输完成
    */
    while(SDA && (ack == 1)){ // 等待应答，也就是等待从设备把SDA拉低
        b++;
        if(b > 200){        // 如果超过200us没有应答发送失败，或者为非应答，表示接收结束
            SCL = 0;
            delay10us();
            return 0;
        }
    }
    SCL = 0;
    delay10us();
     return 1;        
}

// 使用I2c读取一个字节
uchar I2C_ReadByte(){
    uchar a = 0,dat = 0;
    SDA = 1;              //起始和发送一个字节之后SCL都是0
    delay10us();
    for(a=0; a<8; a++){   // 接收8个字节
        SCL = 1;
        delay10us();
        dat <<= 1;
        dat |= SDA;
        delay10us();
        SCL = 0;
        delay10us();
    }
    return dat;        
}

蒋 豆 芽：懂了懂了，下次面试官再考时序图，就再也不用担心了。

隔壁老李：我们再介绍SPI。

SPI是串行外设接口 (Serial Peripheral Interface) 的缩写。是 Motorola 公司推出的一 种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。

PI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多 个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI (数据输入)、SDO (数据输出)、SCLK (时钟)、CS (片选)。

1. SDO/MOSI – 主设备数据输出，从设备数据输入;
2. SDI/MISO – 主设备数据输入，从设备数据输出;
3. SCLK – 时