嵌入式軟件工程師筆試面試指南-ARM體系與架構

哈嘍，大家好。我終於回來了！19號剛提交完大論文，就被抓去出差了，折騰了整整一周，26號晚上，才回到學校。鴿了好久都沒更新干貨了。今天更新一篇關於Arm的筆試面試題目，文章內容已同步更新在github。

ARM體系與架構

硬件基礎

NAND FLASH 和NOR FLASH異同？

不同點

類別	NOR	NAND
讀	快 像訪問SRAM一樣，可以隨機訪問任意地址的數據；如：unsighed short *pwAddr = (unsighed short *)0x02;unisignded short wVal;wVal = *pwAddr	快,有嚴格的時序要求，需要通過一個函數才能讀取數據，先發送讀命令->發送地址->判斷nandflash是否就緒->讀取一頁數據讀命令、發送地址、判斷狀態、讀數據都是通過操作寄存器實現的,如數據寄存器NFDATA
寫	慢，寫之前需要擦除，因為寫只能是1->0,擦除可以使0->1	快，寫之前需要擦除，因為寫只能是1->0,擦除可以使0->1
擦除	非常慢（5S）	快（3ms）
XIP	代碼可以直接在NOR FLASH上運行	NO
可靠性	比較高，位反轉的比例小於NAND FLASH的10%	比較低，位反轉比較常見，必須有校驗措施
接口	與RAM接口相同，地址和數據總線分開	I/O接口
可擦除次數	10000~100000	100000~1000000
容量	小，1MB~32MB	大，16MB~512MB
主要用途	常用於保存代碼和關鍵數據	用於保存數據
價格	高	低

注意：nandflash和norflash的0地址是不沖突的，norflash占用BANK地址，而nandflash不占用BANK地址，它的0地址是內部的。

相同點

1	寫之前都要先擦除，因為寫操作只能使1->0，而擦除動作是為了把所有位都變1
2	擦除單元都以塊為單位

CPU,MPU,MCU,SOC,SOPC聯系與差別？

1.CPU（Central Processing Unit）,是一台計算機的運算核心和控制核心。CPU由運算器、控制器和寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態的總線構成。差不多所有的CPU的運作原理可分為四個階段：提取（Fetch）、解碼（Decode）、執行（Execute）和寫回（Writeback）。 CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，並對指令譯碼，並執行指令。所謂的計算機的可編程性主要是指對CPU的編程。

2.MPU (Micro Processor Unit)，叫微處理器（不是微控制器），通常代表一個功能強大的CPU（暫且理解為增強版的CPU吧）,但不是為任何已有的特定計算目的而設計的芯片。這種芯片往往是個人計算機和高端工作站的核心CPU。最常見的微處理器是Motorola的68K系列和Intel的X86系列。

3.MCU(Micro Control Unit)，叫微控制器，是指隨着大規模集成電路的出現及其發展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的芯片，比如51，avr這些芯片，內部除了CPU外還有RAM,ROM,可以直接加簡單的外圍器件（電阻，電容）就可以運行代碼了，而MPU如x86，arm這些就不能直接放代碼了，它只不過是增強版的CPU，所以得添加RAM,ROM。

MCU MPU 最主要的區別就睡能否直接運行代碼。MCU有內部的RAM ROM，而MPU是增強版的CPU，需要添加外部RAM ROM才可以運行代碼。

4.SOC（System on Chip），指的是片上系統，MCU只是芯片級的芯片，而SOC是系統級的芯片，它既MCU（51，avr）那樣有內置RAM,ROM同時又像MPU（arm）那樣強大的，不單單是放簡單的代碼，可以放系統級的代碼，也就是說可以運行操作系統（將就認為是MCU集成化與MPU強處理力各優點二合一）。

5.SOPC（System On a Programmable Chip）可編程片上系統（FPGA就是其中一種），上面4點的硬件配置是固化的，就是說51單片機就是51單片機，不能變為avr，而avr就是avr不是51單片機，他們的硬件是一次性掩膜成型的，能改的就是軟件配置，說白點就是改代碼，本來是跑流水燈的，改下代碼，變成數碼管，而SOPC則是硬件配置，軟件配置都可以修改，軟件配置跟上面一樣，沒什么好說的，至於硬件，是可以自己構建的也就是說這個芯片是自己構造出來的，這顆芯片我們叫“白片”，什么芯片都不是，把硬件配置信息下載進去了，他就是相應的芯片了，可以讓他變成51，也可以是avr，甚至arm，同時SOPC是在SOC基礎上來的，所以他也是系統級的芯片，所以記得當把他變成arm時還得加外圍ROM，RAM之類的，不然就是MPU了。

什么是交叉編譯？

在一種計算機環境中運行的編譯程序，能編譯出在另外一種環境下運行的代碼，我們就稱這種編譯器支持交叉編譯。這個編譯過程就叫交叉編譯。簡單地說，就是在一個平台上生成另一個平台上的可執行代碼。

這里需要注意的是所謂平台，實際上包含兩個概念：體系結構（Architecture）、操作系統（OperatingSystem）。同一個體系結構可以運行不同的操作系統；同樣，同一個操作系統也可以在不同的體系結構上運行。舉例來說，我們常說的x86 Linux平台實際上是Intel x86體系結構和Linux for x86操作系統的統稱；而x86 WinNT平台實際上是Intel x86體系結構和Windows NT for x86操作系統的簡稱。

為什么需要交叉編譯？

有時是因為目的平台上不允許或不能夠安裝我們所需要的編譯器，而我們又需要這個編譯器的某些特征；有時是因為目的平台上的資源貧乏，無法運行我們所需要編譯器；有時又是因為目的平台還沒有建立，連操作系統都沒有，根本談不上運行什么編譯器。

描述一下嵌入式基於ROM的運行方式和基於RAM的運行方式有什么區別？

基於RAM

1. 需要把硬盤和其他介質的代碼先加載到ram中，加載過程中一般有重定位的操作。
2. 速度比基於ROM的快，可用RAM比基於ROM的少，因為所有的代碼，數據都必須存放在RAM中。

基於ROM

1. 速度較基於RAM的慢，因為會有一個把變量，部分代碼等從存儲器（硬盤，flash）搬移到RAM的過程。

2. 可用RAM資源比基於RAM的多；

ARM處理器

什么是哈佛結構和馮諾依曼結構？

定義

馮諾依曼結構釆用指令和數據統一編址，使用同條總線傳輸，CPU讀取指令和數據的操作無法重疊。

哈佛結構釆用指令和數據獨立編址，使用兩條獨立的總線傳輸，CPU讀取指令和數據的操作可以重疊。

利弊

馮諾依曼結構主要用於通用計算機領域，需要對存儲器中的代碼和數據頻繁的進行修改，統一編址有利於節約資源。

哈佛結構主要用於嵌入式計算機，程序固化在硬件中，有較高的可靠性、運算速度和較大的吞吐。

什么是ARM流水線技術？

流水線技術通 過多個功能部件並行工作來縮短程序執行時間，提高處理器核的效率和吞吐率，從而成為微處理器設計中最為重要的技術之一。ARM7處理器核使用了典型三級流水線的馮·諾伊曼結構，ARM9系列則采用了基於五級流水線的哈佛結構。通過增加流水線級數簡化了流水線各級的邏輯，進一步提高了處理器的性能。

PC代表程序計數器，流水線使用三個階段，因此指令分為三個階段執行：1.取指（從存儲器裝載一條指令）；2.譯碼（識別將要被執行的指令）；3.執行（處理指令並將結果寫回寄存器）。而R15（PC）總是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在執行”的指令或正在“譯碼”的指令。一般來說，人們習慣性約定將“正在執行的指令作為參考點”，稱之為當前第一條指令，因此PC總是指向第三條指令。當ARM狀態時，每條指令為4字節長，所以PC始終指向該指令地址加8字節的地址，即：PC值=當前程序執行位置+8；

ARM指令是三級流水線，取指，譯指，執行，同時執行的，現在PC指向的是正在取指的地址（下一條指令），那么cpu正在譯指的指令地址是PC-4（假設在ARM狀態下，一個指令占4個字節），cpu正在執行的指令地址是PC-8，也就是說PC所指向的地址和現在所執行的指令地址相差8。

當突然發生中斷的時候，保存的是PC的地址（PC-8+4 = PC-4 下一條指令的地址）

這樣你就知道了，如果返回的時候返回PC，那么中間就有一個指令沒有執行，所以用SUB pc lr-irq #4。

ARM有幾種工作模式？

1. 用戶模式(USR)

   用戶模式是用戶程序的工作模式，它運行在操作系統的用戶態，它沒有權限去操作其它硬件資源，只能執行處理自己的數據，也不能切換到其它模式下，要想

   訪問硬件資源或切換到其它模式只能通過軟中斷或產生異常。

2. 系統模式(SYS)

   系統模式是特權模式，不受用戶模式的限制。用戶模式和系統模式共用一套寄存器，操作系統在該模式下可以方便的訪問用戶模式的寄存器，而且操作系統的

   一些特權任務可以使用這個模式訪問一些受控的資源。

   說明：用戶模式與系統模式兩者使用相同的寄存器，都沒有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序狀態寄存器），但系統模式比用戶模式有更高的權限，可以訪問所有系統資源。

3. 一般中斷模式(IRQ)

   一般中斷模式也叫普通中斷模式，用於處理一般的中斷請求，通常在硬件產生中斷信號之后自動進入該模式，該模式為特權模式，可以自由訪問系統硬件資源。

4. 快速中斷模式(FIQ)
   快速中斷模式是相對一般中斷模式而言的，它是用來處理對時間要求比較緊急的中斷請求，主要用於高速數據傳輸及通道處理中。（快中斷有許多（R8~R14）自己的專用寄存器，發生中斷時，使用自己的寄存器就避免了保存和恢復某些寄存器。如果異常中斷處理程序中使用它自己的物理寄存器之外的其他寄存器，異常中斷處理程序必須保存和恢復這些寄存器）

5. 管理模式（SVC）
   管理模式是CPU上電后默認模式，因此，在該模式下主要用來做系統的初始化，軟中斷處理也在該模式下。當用戶模式下的用戶程序請求使用硬件資源時，通過軟件中斷進入該模式。

   說明：系統復位或開機、軟中斷時進入到SVC模式下。

6. 終止模式(ABT)：
   中止模式用於支持虛擬內存或存儲器保護，當用戶程序訪問非法地址，沒有權限讀取的內存地址時，會進入該模式，linux下編程時經常出現的segment fault通常都是在該模式下拋出返回的。

7. 未定義模式(UND)：
   未定義模式用於支持硬件協處理器的軟件仿真，CPU在指令的譯碼階段不能識別該指令操作時，會進入未定義模式。

1. 除了用戶模式外，其它6種模式稱為特權模式。所謂特權模式，即具有如下權利：

a. MRS（把狀態寄存器的內容放到通用寄存器）；

b. MSR（把通用寄存器的內容放到狀態寄存器中）。

由於狀態寄存器中的內容不能夠改變，因此，要先把內容復制到通用寄存器中，然后修改通用寄存器中的內容，再把通用寄存器中的內容復制給狀態寄存器中，即可完成“修改狀態寄存器”的任務。

2. 剩下的六種模式中除去系統模式外，統稱為異常模式。

Arm有多少32位寄存器？

ARM處理器共有37個寄存器。它包含31個通用寄存器和6個狀態寄存器。

Arm2440和6410有什么區別？

1. 主頻不同。2440是400M的。6410是533/667M的；

2. 處理器版本不一樣：2440是arm920T內核，6410是arm1176ZJF內核；

3. 6410在視頻處理方面比2440要強很多。內部視頻解碼器，包括MPEG4等視頻格式；

4. 6410支持WMV9、xvid、mpeg4、h264等格式的硬解碼和編碼；

5. 6410多和很多擴展接口比如：tv-out、CF卡和S-Video輸出等；

6. spi、串口、sd接口也比那兩個要豐富；

7. 6410采用的是DDR內存控制器；2440采用的是SDRam內存控制器；

8. 6410為雙總線架構，一路用於內存總線、一路用於Flash總線；

9. 6410的啟動方式更加靈活：主要包括SD、Nand Flash、Nor Flash和OneFlash等設備啟動；

10. 6410的Nand Flash支持SLC和MLC兩種架構，從而大大擴大存儲空間；

11. 6410為雙總線架構，一路用於內存總線、一路用於Flash總線；

12. 6410具備8路DMA通道，包括LCD、UART、Camera等專用DMA通道；

13. 6410還支持2D和3D的圖形加速；

ARM指令集分為幾類？

2類，分別為Thumb指令集，ARM指令集。ARM指令長度為32位，Thumb指令長度為16位。這種特點使得ARM既能執行16位指令，又能執行32位指令，從而增強了ARM內核的功能。

通用寄存器包括R0～R15，可以分為具體哪三類？

通用寄存器包括R0-R15，可以分為3類：

1. 未分組寄存器R0-R7

   在所有運行模式下，未分組寄存器都指向同一個物理寄存器，他們未被系統用作特殊的用途。因此在中斷或異常處理進行異常模式轉換時，由於不同的處理器運行模式均使用相同的物理寄存器，所以可能造成寄存器中數據的破壞。

2. 分組寄存器R8-R14

   對於分組寄存器，他們每次所訪問的物理寄存器都與當前的處理器運行模式相關。

   R13常用作存放堆棧指針，用戶也可以使用其他寄存器存放堆棧指針，但在Thumb指令集下，某些指令強制要求使用R13存放堆棧指針。

   R14稱為鏈接寄存器（LR，Link Register），當執行子程序時，R14可得到R15（PC）的備份，執行完子程序后，又將R14的值復制回PC，即使用R14保存返回地址。

3. 程序計數器PC（R15）

   寄存器R15用作程序計數器（PC），在ARM狀態下，位[1:0]為0，位[31:2]用於保存PC；在Thumb狀態下,位[0]為0，位[31:1]用於保存PC。

Arm處理器有幾種工作狀態？

從編程的角度來看，ARM微處理器的工作狀態一般ARM和Thumb有兩種，並可在兩種狀態之間切換。

1. ARM狀態：此時處理器執行32位的字對齊ARM指令，絕大部分工作在此狀態。

2. Thumb狀態：此時處理器執行16位的半字對齊的Thumb指令。

ARM系統中，在函數調用的時候，參數是通過哪種方式傳遞的？

當參數小於等於4的時候是通過r0-r3寄存器來進行傳遞的，當參數大於4的時候是通過壓棧的方式進行傳遞。

為什么2440的內存起始地址是0x30000000？

S3C2440處理器有八個固定的內存塊，只有兩個是可以作為ROM,SRAM和SDRAM等存儲器bank。具體如下圖所示。

ARM協處理器指令包括哪3類，請描述它們的功能。

ARM協處理器指令包括以下3類：

1. 用於ARM處理器初始化ARM協處理器的數據處理操作。

2. 用於ARM處理器的寄存器和ARM協處理器的寄存器間的數據傳送操作。

3. 用於在ARM協處理器的寄存器和內存單元之間傳送數據。

什么是PLL（鎖相環）？

簡單來說，輸入時鍾的存在是作為“參考源”。鎖相環不是為了單純產生同頻同相信號，而是一般集成進某種“頻率綜合電路”，產生一個不同頻，但鎖相的信號。

有點繞，打個比方：某參考晶振10Mhz，頻率綜合器A使用該參考源產生了900Mhz時鍾，而頻率綜合器B產生了1Ghz時鍾。雖然兩路頻率不同，但由於使用的通一個參考源，他們倆仍然是同源信號。相反，如果不同源，那么即便同頻他們也不可能一致，因為世界上沒有兩個鍾能做到完全一樣，總有微弱的頻差，導致相位飄移。在很多現實應用中有要求同源時鍾的場合，所以，鎖相環被廣泛應用。鎖相環的另外一項衍生應用是相干解調，可以自己查查相關資料。

中斷與異常

中斷與異常有何區別？

中斷是指外部硬件產生的一個電信號從CPU的中斷引腳進入，打斷CPU的運行。

異常是指軟件運行過程中發生了一些必須作出處理的事件，CPU自動產生一個陷入來打斷CPU的運行。異常在處理的時候必須考慮與處理器的時鍾同步，實際上異常也稱為同步中斷，在處理器執行到因編譯錯誤而導致的錯誤指令時，或者在執行期間出現特殊錯誤，必須靠內核處理的時候，處理器就會產生一個異常。

中斷與DMA有何區別？

DMA：是一種無須CPU的參與，就可以讓外設與系統內存之間進行雙向數據傳輸的硬件機制，使用DMA可以使系統CPU從實際的I/O數據傳輸過程中擺脫出來，從而大大提高系統的吞吐率。

中斷：是指CPU在執行程序的過程中，出現了某些突發事件時，CPU必須暫停執行當前的程序，轉去處理突發事件，處理完畢后CPU又返回源程序被中斷的位置並繼續執行。

所以中斷和DMA的區別就是：DMA不需CPU參與，而中斷是需要CPU參與的。

中斷能不能睡眠，為什么？下半部能不能睡眠？

1. 中斷處理的時候,不應該發生進程切換。因為在中斷上下文中，唯一能打斷當前中斷handler的只有更高優先級的中斷，它不會被進程打斷。如果在中斷上下文中休眠，則沒有辦法喚醒它，因為所有的wake_up_xxx都是針對某個進程而言的，而在中斷上下文中，沒有進程的概念，沒有一個task_struct（這點對於softirq和tasklet一樣）。因此真的休眠了，比如調用了會導致阻塞的例程，內核幾乎肯定會死。

2. schedule()在切換進程時，保存當前的進程上下文（CPU寄存器的值、進程的狀態以及堆棧中的內容），以便以后恢復此進程運行。中斷發生后，內核會先保存當前被中斷的進程上下文（在調用中斷處理程序后恢復）。

   但在中斷處理程序里，CPU寄存器的值肯定已經變化了（最重要的程序計數器PC、堆棧SP等）。如果此時因為睡眠或阻塞操作調用了schedule()，則保存的進程上下文就不是當前的進程上下文了。所以，不可以在中斷處理程序中調用schedule()。

3. 2.4內核中schedule()函數本身在進來的時候判斷是否處於中斷上下文:

if(unlikely(in_interrupt()))
BUG();

 因此，強行調用schedule()的結果就是內核BUG，但看2.6.18的內核schedule()的實現卻沒有這句，改掉了。

4. 中斷handler會使用被中斷的進程內核堆棧，但不會對它有任何影響，因為handler使用完后會完全清除它使用的那部分堆棧，恢復被中斷前的原貌。

5. 處於中斷上下文時候，內核是不可搶占的。因此，如果休眠，則內核一定掛起。

中斷的響應執行流程是什么？

中斷的響應流程：cpu接受中斷->保存中斷上下文跳轉到中斷處理歷程->執行中斷上半部->執行中斷下半部->恢復中斷上下文。

當一個異常出現以后，ARM微處理器會執行哪幾步操作？

1. 將下一條指令的地址存入相應連接寄存器LR，以便程序在處理異常返回時能從正確的位置重新開始執行。若異常是從ARM狀態進入，則LR寄存器中保存的是下一條指令的地址（當前PC＋4或PC＋8，與異常的類型有關）；若異常是從Thumb狀態進入，則在LR寄存器中保存當前PC的偏移量，這樣，異常處理程序就不需要確定異常是從何種狀態進入的。例如：在軟件中斷異常SWI，指令 MOV PC，R14_svc總是返回到下一條指令，不管SWI是在ARM狀態執行，還是在Thumb狀態執行。
2. 將CPSR復制到相應的SPSR中。
3. 根據異常類型，強制設置CPSR的運行模式位。
4. 強制PC從相關的異常向量地址取下一條指令執行，從而跳轉到相應的異常處理程序處。

寫一個中斷服務需要注意哪些？如果中斷產生之后要做比較多的事情你是怎么做的？

1. 寫一個中斷服務程序要注意快進快出，在中斷服務程序里面盡量快速采集信息，包括硬件信息，然后退出中斷，要做其它事情可以使用工作隊列或者tasklet方式。也就是中斷上半部和下半部。

2. 中斷服務程序中不能有阻塞操作。應為中斷期間是完全占用CPU的（即不存在內核調度），中斷被阻塞住，其他進程將無法操作。

3. 中斷服務程序注意返回值，要用操作系統定義的宏做為返回值，而不是自己定義的。

4. 如果要做的事情較多，應將這些任務放在后半段(tasklet，等待隊列等)處理。

為什么FIQ比IRQ要快？

1. ARM的FIQ模式提供了更多的banked寄存器，r8到r14還有SPSR，而IRQ模式就沒有那么多，R8,R9,R10,R11,R12對應的banked的寄存器就沒有，這就意味着在ARM的IRQ模式下，中斷處理程序自己要保存R8到R12這幾個寄存器，然后退出中斷處理時程序要恢復這幾個寄存器，而FIQ模式由於這幾個寄存器都有banked寄存器，模式切換時CPU自動保存這些值到banked寄存器，退出FIQ模式時自動恢復，所以這個過程FIQ比IRQ快.不要小看這幾個寄存器，ARM在編譯的時候，如果你FIQ中斷處理程序足夠用這幾個獨立的寄存器來運作，它就不會進行通用寄存器的壓棧，這樣也省了一些時間。

2. FIQ比IRQ有更高優先級，如果FIQ和IRQ同時產生，那么FIQ先處理。

3. 在symbian系統里，當CPU處於FIQ模式處理FIQ中斷的過程中，預取指令異常，未定義指令異常，軟件中斷全被禁止，所有的中斷被屏蔽。所以FIQ就會很快執行，不會被其他異常或者中斷打斷，所以它又比IRQ快了。而IRQ不一樣，當ARM處理IRQ模式處理IRQ中斷時，如果來了一個FIQ中斷請求，那正在執行的IRQ中斷處理程序會被搶斷，ARM切換到FIQ模式去執行這個FIQ，所以FIQ比IRQ快多了。

4. 另外FIQ的入口地址是0x1c,IRQ的入口地址是0x18。寫過完整匯編系統的都比較明白這點的差別，18只能放一條指令，為了不與1C處的FIQ沖突，這個地方只能跳轉，而FIQ不一樣，1C以后沒有任何中斷向量表了，這樣可以直接在1C處放FIQ的中斷處理程序，由於跳轉的范圍限制，至少少了一條跳轉指令。

中斷和輪詢哪個效率高？怎樣決定是采用中斷方式還是采用輪詢方式去實現驅動？

中斷是CPU處於被動狀態下來接受設備的信號，而輪詢是CPU主動去查詢該設備是否有請求。

凡事都是兩面性，所以，看效率不能簡單的說那個效率高。如果是請求設備是一個頻繁請求cpu的設備，或者有大量數據請求的網絡設備，那么輪詢的效率是比中斷高。如果是一般設備，並且該設備請求cpu的頻率比較低，則用中斷效率要高一些。主要是看請求頻率。

通信協議

什么是異步傳輸和同步傳輸？

異步傳輸：是一種典型的基於字節的輸入輸出，數據按每次一個字節進行傳輸，其傳輸速度低。

同步傳輸：需要外界的時鍾信號進行通信，是把數據字節組合起來一起發送，這種組合稱之為幀，其傳輸速度比異步傳輸快。

RS232和RS485通訊接口有什么區別？

1. 傳輸方式不同。 RS232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。 而RS485則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式。

2. 傳輸距離不同。RS232適合本地設備之間的通信，傳輸距離一般不超過20m。而RS485的傳輸距離為幾十米到上千米。

3. 設備數量。RS232 只允許一對一通信，而RS485 接口在總線上是允許連接多達128個收發器。

4. 連接方式。RS232，規定用電平表示數據，因此線路就是單線路的，用兩根線才能達到全雙工的目的；而RS485， 使用差分電平表示數據，因此，必須用兩根線才能達到傳輸數據的基本要求，要實現全雙工，必需用4根線。

 總結：從某種意義上，可以說，線路上存在的僅僅是電流，RS232/RS485規定了這些電流在什么樣的線路上流動和流動的樣式。

SPI協議

SPI的應用

SPI(Serial Peripheral Interface)協議是由摩托羅拉公司提出的通訊協議，即串行外圍設備接口，是一種高速全雙工的通信總線。SPI總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。SPI總線可直接與各個廠家生產的多種標准外圍器件相連，包括FLASH、RAM、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。

接口

1. MOSI (Master Output， Slave Input)

   主設備輸出/從設備輸入引腳。主機的數據從這條信號線輸出，從機由這條信號線讀入主機發送的數據，即這條線上數據的方向為主機到從機。

2. MISO(Master Input,， Slave Output)

   主設備輸入/從設備輸出引腳。主機從這條信號線讀入數據，從機的數據由這條信號線輸出到主機，即在這條線上數據的方向為從機到主機。

3. SCLK (Serial Clock)

   時鍾信號線，用於通訊數據同步。它由通訊主機產生，決定了通訊的速率，不同的設備支持的最高時鍾頻率不一樣，如 STM32 的 SPI 時鍾頻率最大為fpclk/2，兩個設備之間通訊時，通訊速率受限於低速設備。

4. SS( Slave Select)

   從設備選擇信號線，常稱為片選信號線，也稱為 NSS、 CS，以下用 NSS 表示。 當有多個 SPI 從設備與 SPI 主機相連時，設備的其它信號線 SCK、MOSI 及 MISO 同時並聯到相同的 SPI 總線上，即無論有多少個從設備，都共同只使用這 3 條總線；而每個從設備都有獨立的這一條 NSS 信號線，本信號線獨占主機的一個引腳，即有多少個從設備，就有多少條片選信號線。

   I2C 協議中通過設備地址來尋址、選中總線上的某個設備並與其進行通訊；而 SPI 協議中沒有設備地址，它使用 NSS 信號線來尋址，當主機要選擇從設備時，把該從設備的 NSS 信號線設置為低電平，該從設備即被選中，即片選有效，接着主機開始與被選中的從設備進行 SPI 通訊。所以SPI 通訊以 NSS 線置低電平為開始信號，以 NSS 線被拉高作為結束信號。

協議層

SPI 通訊設備之間的常用連接方式見下圖：

SPI 通訊的通訊時序，見下圖：

1. 通訊的起始和停止信號

   在圖中的標號1處，NSS 信號線由高變低，是 SPI 通訊的起始信號。 NSS 是每個從機各自獨占的信號線，當從機檢在自己的 NSS 線檢測到起始信號后，就知道自己被主機選中了，開始准備與主機通訊。在圖中的標號處， NSS 信號由低變高，是 SPI 通訊的停止信號，表示本次通訊結束，從機的選中狀態被取消。

2. 數據有效性

   SPI 使用 MOSI 及 MISO 信號線來傳輸數據，使用 SCK 信號線進行數據同步。 MOSI及 MISO 數據線在 SCK 的每個時鍾周期傳輸一位數據，且數據輸入輸出是同時進行的。數據傳輸時， MSB 先行（高位先行）或 LSB（低位先行）先行並沒有作硬性規定，但要保證兩個 SPI 通訊設備之間使用同樣的協定，一般都會采用上圖中的 MSB 先行（高位先行）模式。

   觀察圖中的2345標號處， MOSI 及 MISO 的數據在 SCK 的上升沿期間變化輸出，在 SCK 的下降沿時被采樣。即在 SCK 的下降沿時刻， MOSI 及 MISO 的數據有效，高電平時表示數據“1”，為低電平時表示數據“0”。在其它時刻，數據無效， MOSI 及 MISO為下一次表示數據做准備。

   SPI 每次數據傳輸可以 8 位或 16 位為單位，每次傳輸的單位數不受限制。

3. CPOL（時鍾極性）/CPHA（時鍾相位）及通訊模式

   上面講述的圖中的時序只是 SPI 中的其中一種通訊模式， SPI 一共有四種通訊模式，它們的主要區別是：總線空閑時 SCK 的時鍾狀態以及數據采樣時刻。為方便說明，在此引入“時鍾極性CPOL”和“時鍾相位 CPHA”的概念。

   時鍾極性 CPOL 是指 SPI 通訊設備處於空閑狀態時， SCK 信號線的電平信號(即 SPI 通訊開始前、 NSS 線為高電平時 SCK 的狀態)。 CPOL=0 時， SCK 在空閑狀態時為低電平，CPOL=1 時，則相反。

   時鍾相位 CPHA 是指數據的采樣的時刻，當 CPHA=0 時， MOSI 或 MISO 數據線上的信號將會在 SCK 時鍾線的“奇數邊沿” 被采樣。當 CPHA=1 時，數據線在 SCK 的“偶數邊沿” 采樣。

IIC協議

簡介

IIC協議是由數據線SDA和時鍾SCL構成的串行總線，可發送和接收數據,是一個多主機的半雙工通信方式

每個掛接在總線上的器件都有個唯一的地址。位速在標准模式下可達 100kbit/s,在快速模式下可達400kbit/s，在高速模式下可待3.4Mbit/s。

I2C總線系統結構,如下所示:

I2C時序介紹

1. 空閑狀態

當總線上的SDA和SCL兩條信號線同時處於高電平,便是空閑狀態,如上面的硬件圖所示,當我們不傳輸數據時, SDA和SCL被上拉電阻拉高,即進入空閑狀態

2. 起始信號

當SCL為高期間，SDA由高到低的跳變；便是總線的啟動信號,只能由主機發起,且在空閑狀態下才能啟動該信號,如下圖所示：

3. 停止信號

當SCL為高期間，SDA由低到高的跳變；便是總線的停止信號,表示數據已傳輸完成,如下圖所示：

4. 傳輸數據格式
當發了起始信號后,就開始傳輸數據,傳輸的數據格式如下圖所示：

當SCL為高電平時,便會獲取SDA數據值,其中SDA數據必須是穩定的(若SDA不穩定就會變成起始/停止信號)。

當SCL為低電平時,便是SDA的電平變化狀態。

若主從機在傳輸數據期間,需要完成其它功能(例如一個中斷),可以主動拉低SCL,使I2C進入等待狀態,直到處理結束再釋放SCL,數據傳輸會繼續

5. 應答信號ACK

I2C總線上的數據都是以8位數據(字節)進行的，當發送了8個數據后，發送方會在第9個時鍾脈沖期間釋放SDA數據，當接收方接收該字節成功，便會輸出一個ACK應答信號，當SDA為高電平,表示為非應答信號NACK，當SDA為低電平，表示為有效應答信號ACK

PS:當主機為接收方時,收到最后一個字節后,主機可以不發送ACK,直接發送停止信號來結束傳輸。

當從機為接收方時，沒有發送ACK，則表示從機可能在忙其它事、或者不匹配地址信號和不支持多主機發送，主機可以發送停止信號，再次發送起始信號啟動新的傳輸。

6. 完整的數據傳輸

如下圖所示, 發送起始信號后,便發送一個8位的設備地址,其中第8位是對設備的讀寫標志,后面緊跟着的就是數據了,直到發送停止信號終止。

PS:當我們第一次是讀操作，然后想換成寫操作時，可以再次發送一個起始信號，然后發送讀的設備地址，不需要停止信號便能實現不同的地址轉換。

IIC傳輸數據的格式

1.寫操作

剛開始主芯片要發出一個start信號，然后發出一個(用來確定是往哪一個芯片寫數據)，方向(讀/寫，0表示寫，1表示讀)。回應(用來確定這個設備是否存在)，然后就可以傳輸數據，傳輸數據之后，要有一個回應信號（確定數據是否接受完成)，然后再傳輸下一個數據。每傳輸一個數據，接受方都會有一個回應信號，數據發送完之后，主芯片就會發送一個停止信號。

白色背景：主→從。灰色背景：從→主。

2.讀操作

剛開始主芯片要發出一個start信號，然后發出一個設備地址(用來確定是從哪一個芯片讀取數據)，方向(讀/寫，0表示寫，1表示讀)。回應(用來確定這個設備是否存在)，然后就可以傳輸數據，傳輸數據之后，要有一個回應信號（確定數據是否接受完成)，然后在傳輸下一個數據。每傳輸一個數據，接受方都會有一個回應信號，數據發送完之后，主芯片就會發送一個停止信號。

白色背景：主→從。灰色背景：從→主

編程

嵌人式編程中，什么是大端？什么是小端？

大端模式：低位字節存在高地址上，高位字節存在低地址上。

小端模式：高位字節存在高地址上，低位字節存在低地址上。

STM32屬於小端模式，簡單的說，比如u32 temp=0X12345678；假設temp地址在0X2000 0010。那么在內存里面,存放就變成了：

地址         |            HEX     |
0X2000 0010  |  78   56   43  12  |

因為是16進制的，一個數為0.5字節，所以 12 代表一個字節 34 代表一個字節。

釆用小端模式的CPU對操作數的存放方式是從低字節到高字節，而大端模式對操作數的存放方式是從高字節到低字節。例如，16位寬的數0x1234在小端模式CPU內存中的存放方式（假設從地址0x4000開始存放）見表1，而在大端模式CPU內存中的存放方式見表2。

                      表1 0x1234在小端CPU內存中的存放方式

內存地址	存放內容
0x4000	0x34
0x4001	0x12

                      表2 0x1234在大端CPU內存中的存放方式

內存地址	存放內容
0x4000	0x12
0x4001	0x34

  32位寬的數0x12345678在小端模式CPU內存中的存放方式（假設從地址0x4000開始存放）見表3，而在大端模式CPU內存中的存放方式見表4。

                      表3 0x12345678在小端CPU內存中的存放方式

內存地址	存放內容
0x4000	0x78
0x4001	0x56
0x4002	0x34
0x4003	0x12

                      表4 0x12345678在大端CPU內存中的存放方式

內存地址	存放內容
0x4000	0x12
0x4001	0x34
0x4002	0x56
0x4003	0x78

以下程序為例：

#include <stdio.h>
struct mybitfields
{
	unsigned short a:4;
	unsigned short b:5;
	unsigned short c:7;
}test;
int main()
{
	int i;
	test.a = 2;
	test.b = 3;
	test.c = 0;
	i =*((short*)&test);
	printf("%d\n",i);
	return 0;
}

程序的輸出結果為 50。

上例中， sizeof（ test）=2，上例的聲明方式是把一個 short（也就是一塊16位內存）分成3部分，各部分的大小分別是4位、5位、7位，賦值語句i*（ short*）&test）就是把上面的16位內存轉換成 short類型進行解釋。

變量a的二進制表示為0000000000000010，取其低四位是0010.變量b的二進制表示為0000000000000011，取其低五位是00011。變量c的二進制表示為0000000000000000，取其低七位是0000000。

80x86機是小端（修改分區表時要注意）模式，單片機一般為大端模式。小端一般是低位字節在高位字節的前面，也就是低位在內存地址低的一端，可以這樣記（小端→低位→在前→與正常邏輯順序相反），所以合成后得到0000000000110010，即十進制的50。

下面給出另外一個例子

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
	unsigned int uiVal_1 = 0x12345678;
	unsigned int uiVal_2 = 0;
	unsigned char aucVal[4] = {0x12,0x34,0x56,0x78};
	unsigned short usVal_1 = 0;
	unsigned short usVal_2 = 0;
	memcpy(&uiVal_2,aucVal,sizeof(uiVal_2));
	usVal_1 = (unsigned short)uiVal_1;//在這里截斷，都取得的是低位
	usVal_2 = (unsigned short)uiVal_2;//在這里截斷
	printf("usVal_1:%x\n",usVal_1);//在這里又轉化回來
	printf("usVal_2:%x\n",usVal_2);//在這里又轉化回來
	return 0;

}

  小端模式是低地址存放低字節，高地址存放高字節，結構如下所示

78//低地址
56
34
12//高地址

  在內存里面測試機是小端，地址由小到大。

val1:78563412
riVal2:12345678

  結果如下：

5678
3412

如何判斷計算機處理器是大端，還是小端？

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

編者的處理器為ntel處理器，因為 Intel處理器一般都是小端模式，所以此時程序的輸出結果為：小端

上述代碼中，如果處理器是大端，則返回0；如果處理器是小端，則返回1.聯合體 union的存放順序是所有成員都從低地址開始存放，如果能夠通過改代碼知道CPU對內存是采用小端模式讀寫，還是采用大端模式讀寫，一定會令面試官刮目相看。

還可以通過指針地址來判斷，由於在32位計算機系統中， short占兩個字節，char占1個字節，所以可以采用如下做法實現該判斷。

#include <stdio.h>
int checkCPU()
{
	unsigned short usData = 0x1122;
	unsigned char*pucData = (unsigned char*)&usData;
	return (*pucData == 0x22);
}
int main()
{
	if(checkCPU())
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

程序輸出的結果為：小端

如何進行大小端的轉換？

int swapInt32(int intValue){

    int temp = 0;

    temp = ((intValue & 0x000000FF) <<24)|

           ((intValue & 0x0000FF00) <<8) |

           ((intValue & 0x00FF0000) >>8) |

           ((intValue & 0xFF000000) >>24);
    return temp;
}
/*short型：*/
unsigned short swapShort16(unsigned short shortValue){

 

return ((shortValue & 0x00FF ) <<8) | ((shortValue & 0xFF00)>>8);

}
/*float型:*/
float swapFloat32(float floatValue){

         typedef union SWAP_UNION{

         float unionFloat;

         int   unionInt;

         }SWAP_UNION;
         
         SWAP_UNION swapUnion;
         swapUnion.unionFloat = floatValue;
         swapUnion.unionInt = swapInt32(  swapUnion.unionInt);

		return     swapUnion.unionFloat;
}
/*double型換一種寫法，用一下指針，不然移位移死了……*/
void swapDouble64(unsigned char *pIn, unsigned char *pOut){

for( int i=0;i<8;i++)

pOut[7-i] = pIn[i];

}

int main()
{
    int x = 0x12345678;
    int y = swapInt32(x);
    printf("%x\r\n",y);
    return 0;
}

如何對絕對地址0x100000賦值？

(unsigned int*)0x100000 = 1234;

那么要是想讓程序跳轉到絕對地址是0x100000去執行，應該怎么做？

*((void (*)( ))0x100000 ) ( );

首先要將0x100000強制轉換成函數指針,即：

(void (*)())0x100000

然后再調用它：

*((void (*)())0x100000)();·

用typedef可以看得更直觀些：

typedef void(*)() voidFuncPtr;
*((voidFuncPtr)0x100000)();

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