嵌入式基础知识-1

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

豆芽前几天投递了汇底科技的嵌入式开发岗位，笔试全是选择题啊，都是电路基础，so easy！豆芽本科可是机械电子工程专业的，这点可难不倒豆芽！

第二天豆芽也收到了性格测评，跟其他公司的测评很不一样，更加专业，但是豆芽也轻轻松松通过，终于来到了面试环节。

汇底科技其实也是相当不错的公司，全球独角兽。豆芽好好准备了几天，有了之前老李的培训，这应该不难了。升职加薪迎娶白富美，哈啊哈哈哈。

汇底科技面试中。。。

面 试 官：你好，蒋豆芽，请自我介绍一下。

蒋 豆 芽：阿巴阿巴阿巴阿巴阿巴。

面 试 官：豆芽，请你说说指令乱序执行是怎么回事？

蒋 豆 芽：阿巴阿巴阿巴阿巴阿巴。

面 试 官：虽然没说清楚，但是大概意思是这样。那你知道什么是MMU吗？

蒋 豆 芽：阿巴阿巴阿巴阿巴阿巴。

面 试 官：（不置可否）说一个你熟悉的嵌入式项目

蒋 豆 芽：阿巴阿巴阿巴阿巴阿巴。

面 试 官：这位同学，你怎么一直对口型不说话啊，我们不是演电影，后期没法加台词的。今天的面试就到这里吧，后面有通知会联系你的。

经过惨烈吊打，豆芽当然不会收到任何通知了。

蒋 豆 芽：老李，我又哭了呀，今天面试问的全是嵌入式方面的知识，我不会就只能阿巴阿巴了。

隔壁老李：（叹气）毕竟我们没有介绍这方面的知识，也很正常啦，不过你怎么投嵌入式了。

蒋 豆 芽：我爸妈说这是我老本行，尽量走老本行稳定。

隔壁老李：我明白了，那我们废话不多说，我们进入嵌入式的学习。

隔壁老李：老规矩，我们还是要讲讲嵌入式的概览，了解嵌入式的由来，我们才能更加深刻地理解嵌入式的定义、特点以及与通用计算机的区别等。

1.1 嵌入式计算机系统的发展

隔壁老李：1、现代计算机技术的两大分支。电子数字计算机诞生于1946年，计算机一直朝着通用的方向前进。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对对象体系的智能化控制。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。

嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。两者区别如表：

类型	技术要求	技术发展方向
通用计算机系统	高速、海量的数值计算	更快的总线速度，更大的存储容量
嵌入式计算机系统	对象的智能化控制能力	与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性

蒋 豆 芽：有点意思，通用计算机系统大而全发展，而嵌入式计算机系统小而精发展。

隔壁老李：确实是这样的。两者发展方向不同。2、始于微型机时代的嵌入式应用。嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月， Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器 Intel 4004，其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器。以这些微处理器作为核心所构成的系统，广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。

从灵活兼容考虑，出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板机有Intel公司的iSBC系列、 Zilog公司的MCB等。

随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D转换、D/A转换、串行接口以及RAM（random access memory）、ROM（Read-Only Memory）等部件统统集成到一个VLSI中，从而制造出面向I/O设计的微控制器，即单片机，成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP（Digital Signal Processor）产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平。

蒋 豆 芽：原来是这样，所以我以前大学玩的51单片机、stm32都可以称为微型嵌入式计算机系统。

隔壁老李：没错。3、后嵌入时代。随着嵌入式计算机系统的进一步发展，开始向微处理中嵌入操作系统，使其应用更加广泛。而随着工业4.0的到来，嵌入式计算机系统向着物联方向前进，即每一个嵌入式系统搭载Internet，形成一个物物相联的网络——物联网。

蒋 豆 芽：有意思啊！物物相联，构成智慧城市、智慧生活。我突然很憧憬20年后了。哈哈。

隔壁老李：（笑容邪魅）但是你现在还没拿到正式offer啊。

蒋 豆 芽：我。。。嵌入式突然不香了。

1.2 嵌入式计算机系统的定义与组成

隔壁老李：哈哈，没事，好好学，一定会找到满意的offer的。因此，我们这里给出嵌入式系统的定义。一个广泛的定义是：嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

隔壁老李：嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，其体系结构如下图所示。

从该图中可以清楚地看到嵌入式系统体系结构上下层之间的关系。

其中，硬件平台包括嵌入式处理器和外围设备（包含驱动），它们位于嵌入式系统结构中的底层；

而Linux中的每一个外围物理设备——键盘、显示器、鼠标、磁盘、串口、并口、网络适配器等都有一个专用于控制该设备的设备驱动程序。设备与驱动，我们在后面章节还会详细讲。

嵌入式操作系统与通用操作系统的功能类似，为用户屏蔽硬件底层的具体细节，提供了一个透明的操作空间；

而应用软件则是位于嵌入式操作系统之上的，当然，用户也可以直接在嵌入式操作系统之上进行开发。

1.3 嵌入式处理器与外围设备

主要来介绍一下嵌入式系统的硬件架构，也就是嵌入式处理器以及外围设备的相关知识。

1. 嵌入式处理器

   嵌入式处理器是各嵌入式系统的核心部件，其功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，嵌入式处理器包含以下部分：

   （1）处理器内核；

   （2）地址总线；

   （3）数据总线；

   （4）控制总线；

   （5）处理器本身的辅助支持电路，如时钟、复位电路等；

   （6）片上I/O接口电路。

   嵌入式处理器可以分为3类：嵌入式微处理器（Micro Processing Unit, MPU）、嵌入式微控制器（Micro Control Unit, MCU:又叫单片机）和嵌入式DSP（Digital Signal Processor）。

   （1）嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，母板上只保留与嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小、功耗低的要求。

   （2）嵌入式微控制器又称单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM，或两者都有）和其他外设封装在同一片集成电路里。

   （3）嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。DSP正在大量进入数字滤波、FFT、谱分析、图像处理等领域。

   嵌入式微处理器与通用微处理器既有相似之处，也有不少的区别，其比较如下：

   相似点有以下两项。

   （1）对外的接口：各类总线及辅助电路接口。

   （2）处理功能：相似的指令功能分类。

   不同点有以下几项。

   （1）指令系统中指令的个数：嵌入式微处理器的指令个数与通用处理器有很大的区别，嵌入式微处理器的指令系统往往由于成本等原因而有所精简，比如有些嵌入式处理器无浮点功能等。

   （2）指令的形式：嵌入式微处理器一般都使用精简指令集（RISC）， 而对于通用处理器，复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）都有使用。

   （3）处理器的结构设计：嵌入式微处理器与通用处理器在结构设计上有较大的区别，如流水线结构的设计。

   （4）处理器的工艺和应用指标：由于嵌入式系统通常应用在特殊的场合，因此，对处理器的工艺及应用指标（如工作的温度条件等）也有不同的要求。

蒋 豆 芽：这里提到了精简指令集合复杂指令集，我来总结一下！

常见的CPU指令集分为CISC和RISC两种。

1. CISC（Complex Instruction Set Computer）是“复杂指令集”。自PC机诞生以来，处理器都采用CISC指令集方式。这种指令系统的指令不等长，指令的数目非常多，编程和设计处理器时都较为麻烦。但是基于CISC指令架构系统设计的软件已经非常普遍了，所以包括Intel、AMD在内的众多厂商至今使用的仍为CISC。
2. RISC（Reduced Instruction Set Computing）是“精简指令集”。研究人员在对CISC指令集进行测试时发现，各种指令的使用频度相当悬殊，其中常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频度却占80%。RISC正是基于这种思想提出的。采用RISC指令集的微处理器处理能力强，并且采用超标量和超流水线结构，大大增强了并行处理能力。

蒋 豆 芽：我们之前讲操作系统讲过CPU流水线设计，我来总结一下CPU涉及到的面试知识点。

1. CPU是计算机的“大脑”，它从内存中取出指令并执行。在每个CPU基本周期中，首先从内存中取出指令，解码以确定其类型和操作数，接着执行，然后再取指令、解码并执行。重复这一个过程，直到程序被执行完成。

2. CPU的内部架构和工作原理：

   CPU从逻辑上可以划分成3个部分，分别是控制单元、运算单元和存储单元，这三部分由CPU内部总线连接起来。

   控制单元(CU, Control Unit)：控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由程序计数器PC (Program Counter)、 指令寄存器IR (Instruction Register)组成。程序计数器包含当前正在执行的指令的地址，在每个指令被获取之后，程序计数器指向顺序中的下一个指令。指令寄存器用于暂存当前正在执行的指令。

   运算单元(ALU, Arithmetic Logic Unit)：是运算器的核心。可以执行算术运算 (包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算 (包括移位、逻辑测试或两个值比较)。