嵌入式系统思考题概述

嵌入式系统思考题
第二章：
1.微机原理中，外设与微处理器之间数据传递的实现方式？
2.在此方面，微机原理与嵌入式系统的区别体现在哪里？目的？
3.位带操作与互斥、可重入函数、事务等概念的特性对比，以及它们之间的联系与具体应用范围。

可举例说明。

NVIC的功能配置与中断建立过程（主要寄存器介绍）
NVIC的功能配置
•目的：对中断进行有效管理；
•通过NVIC寄存器对NVIC功能进行配置；
•功能配置是静态的，功能的实现和中断管理是动态的；
NVIC寄存器
•NVIC 的寄存器以存储器映射的方式来访问。

•除了包含控制寄存器和中断处理的控制逻辑之外，NVIC 还包含了MPU的控制寄存器、SysTick定时器以及调试控制。

NVIC寄存器
•每个外部中断都在NVIC 的下列寄存器中“挂号”：
①使能与除能寄存器(32Bit*7+16Bit*1)：
➢SETENA0-7/CLRENA 0-7 Registers
➢SETENAs: xE000_E100 –0xE000_E11C ;
➢CLRENAs:0xE000E180 -0xE000_E19C
②悬起与“解悬”寄存器(32Bit*7+16Bit*1):
➢SETPEND0-7/CLRPEND0-7 Registers
➢SETPENDs:0xE000_E200 –0xE000_E21C ;
➢CLRPENDs:0xE000E280 -0xE000_E29C
③优先级寄存器(8bit)：
➢PRI_0-PRI_239；
➢0xE000_E400 –0xE000_E4EF
④活动状态寄存器ACTIVE Registers(32Bit*7+16Bit*1):
NVIC寄存器
•另外，下列寄存器也对中断处理有重大影响
⑤中断控制器类型寄存器ICTR 0xE000_E004：
➢ ♓♦♦☯用以判断正在使用的芯片使用了多少位来表达优先级
➢粒度为32的整数倍0x0表示32，0x1表示64，以此类推。

⑥异常掩蔽寄存器（PRIMASK, FAULTMASK 以及BASEPRI）
⑦应用程序中断及复位控制寄存器(AIRCR) 0xE000_ED0C：Bit[10：8]为优先级分组位段PRIGROUP
⑧向量表偏移量寄存器VTOR：0xE000_ED08
➢ ♓♦☯☜ 区
➢Bit[29]=1:RAM 区
⑨软件触发中断寄存器STIR（8Bit）；0xE000_EF00；写入8，则悬起IRQ #8。

⑩中断控制及状态寄存器ICSR 0xE000_ED04
⑪系统控制寄存器0xE000_ED10：涉及电源管理
⑫配置与控制寄存器0xE000_ED14
⑬中断优先级寄存器阵列0xE000_E400 –0xE000_E4EF：用于外设中断
NVIC寄存器
•系统异常优先级寄存器0xE000_ED18 -0xE000_ED23
•系统Handler控制及状态寄存器SHCSR 0xE000_ED24
•存储器管理fault 状态寄存器(MFSR) 0xE000_ED28
•总线fault 状态寄存器(BFSR) 0xE000_ED29
•用法fault 状态寄存器(UFSR)，地址：0xE000_ED2A
•硬fault 状态寄存器0xE000_ED2C
•调试fault 状态寄存器(DFSR) 0xE000_ED30等
中断建立全过程
①当系统启动后，先设置优先级组寄存器。

默认情况下使用组0（7位抢占优先级，1位亚优先级）。

②如果需要重定位向量表，先把硬fault和NMI服务例程的入口地址写到新表项所在的地址中。

③配置向量表偏移量寄存器VTOR ，使之指向新的向量表（如果有重定位的话）
④为该中断建立中断向量。

➢因为向量表可能已经重定位了，保险起见需要先读取向量表偏移量寄存器的值
➢再根据该中断在表中的位置，计算出服务例程入口地址应写入的表项，再填写之
➢如果一直使用ROM中的向量表，则无需此步骤。

⑤为该中断设置优先级。

⑥使能该中断。

中断建立全过程
•如果应用程序储存在Flash/ROM中，并且不需要改变异常服务程序，则我们可以把整个向量表编码到Flash/ROM的起始区域（从0地址开始的那段）。

在这种情况下，上例可以大大简化，只需3步：
①建立优先级组
②为该中断指定优先级
③使能该中断
•如果在I/O密集型系统中，软件需要控制大量的硬件设备，则可能必须要考虑如下因素：➢该芯片支持的中断数
➢该芯片中表达优先级的位数
如何了解微处理器中断优先级支持情况？
•在CORTEX-M3的NVIC中，有一个名为“中断控制器类型寄存器ICTR ”，它提供了该芯片中支持的中断数目，粒度是32的整数倍。

•通过对每个SETENA位进行先写后读的测试，来获取支持的中断的精确数目（往各SETENA中写1，不支持的中断将永远读回0，求出第1个0的位置即可），亦可使用SETPEND等其它位来做此测试。

•读应用程序中断及复位控制寄存器(AIRCR) 的Bit[10：8]（优先级分组位段PRIGROUP），了解分组情况。

总线矩阵有“循环优先调度”、“多层结构和总线挪用”两个主要特性，实现系统性能的最大化和减少延时。

➢❽循环优先调度”，用以确保DMA不长时间占用总线和CPU可以在任何一个时钟周期访问所有的从总线。

否则，会影响指令的单周期执行和执行过程中在周期级上“中断”正在运行的代码。

➢❽多层结构❾允许多个主设备同时执行数据传输，只要它们寻址不同的从模块，提高了数据并行性；
➢❽总线挪用❾，用于协调CPU和DMA的数据访问，提高二者并发工作的性能。

CMSIS 的软件层次
•CMSIS 分为以下3个软件层次：
①内核设备访问层Core Peripheral Access Layer (CPAL)
–内核寄存器设备名称定义、地址定义、助手函数；
–同时，为RTOS定义了独立于微控制器的接口，包括调试通道
②中间设备访问层Middleware Access Layer (MWAL)
–为软件提供访问外设的通用方法；
–芯片供应商可修改中间设备访问层，以适应具体的微控制器上外设硬件的设计③微控制器外设备访问层Device Peripheral Access Layer (DPAL)
–提供片上所有外设的定义；
–为外设提供额外的助手函数
CMSIS（Cortex-MTMSoftware Interface Standard）
➢✌公司与多家不同芯片和软件供应商紧密合作定义的
➢提供内核与外设、实时操作系统和中间设备之间的通用接口
AFIO工作原理及配置
使用默认复用功能前必须对端口位配置寄存器编程。

①对于复用的输入功能，端口可以配置成：
➢输入模式（浮空、上拉或下拉）；
➢复用功能输出模式：输入驱动器被配置成浮空输入模式。

②对于复用输出功能，端口必须配置成复用功能输出模式（推挽或开漏）。

③对于双向复用功能，端口位必须配置复用功能输出模式（推挽或开漏）。

这时，输入驱动器被配置成浮空输入模式。

•如果把一端口配置成复用输出功能，将使引脚和输出寄存器断开，并和片上外设的输出信号连接。

•如果软件把一个GPIO脚配置成复用输出功能，但是外设没有被激活，它的输出将不确定。

通过I/O端口配置方式降低功耗
5.4GPIO锁定机制
•GPIO 锁定机制
锁定机制允许冻结IO配置。

当在一个端口位上执行了锁定(LOCK)程序，即通过程序锁住配置组合，直到下次芯片复位才能解锁，复位之前，将不能再更改端口位的配置。

6.2 定时器的工作原理（续）
•每个定时器有4个输入通道：TIMx_CH1-TIMx_CH4，其输入滤波参数在捕获/比较模式寄存器1（TIM1_CCMR1）和捕获/比较模式寄存器2（TIM1_CCMR2）的IC1F[3：0]、IC2F[3：0]、IC3F[3：0]、IC4F[3：0]中设置；
•每个定时器有1个外部事件输入触发通道: TIMx_ETR，其滤波参数在从模式控制寄存器TIMx_SMCR中的ETF[3:0]中设置；
•每个定时器有1个定时器刹车输入通道: TIMx_BKIN，可以将定时器输出信号置于复位状态或一个已知状态；见P221图
•这几个输入数字滤波器实际上是一个事件计数器，它记录N个事件后会产生一个输出的跳变。

例如：TIMxCLK=fCK_INT=72MHz，CKD[1:0]=01，选择fDTS=
fCK_INT/2=36MHz，而ETF[3:0]=0100，则采样频率fSAMPLING=fDTS/2=18MHz ，N=6。

此时，3MHz以上的干扰信号被有效屏蔽。

6.7 RTC时钟
•RTC（RealTimeClock）是一种能够提供日历、时钟及数据存储等功能的专用集成电路，精度高，功耗小。

•特别是适合用于无人值守环境进行自动化控制，以及记录事件发生的时间和采集带时标的相关信息，便于观察分析。

•RTC是一个独立的定时器，拥有一组具有连续计数功能的计数器，可以通过软件编程对其进行配置。

修改计数器的值，可以重设系统当前时间。

•可编程预分频系数2^20
•32 bit 可编程计数器，适于长程时间的测量
RTC时钟源
6.7 RTC时钟（续）
•两种独立的复位类型
➢✌接口由系统复位；
➢ ❆核（预分频器、闹钟、计数器和分频器）只能由备份域复位。

•3个专门的可屏蔽中断：
➢闹钟中断，用来产生一个软件可编程的闹钟中断，驱动闹钟响铃；
➢秒中断，用来产生一个软件可编程的周期性中断，时间1s；
➢溢出中断，检测内部可编程计数器溢出，并使计数器会转为0
•2个单独的时钟：用于APB1接口的PCLK1和RTC时钟(此时的RTC时钟必须小于
PCLK1时钟的四分之一以上)。