EMACS & 程序 编程点滴...

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Lastupdated: 2010-01-24

嵌入式开发

基本原理
硬件
内存
总线
DMA
高速缓存
A/D转换器（コンバータ）
DC马达的控制（PWM控制）
传感器
静电&电磁干扰
PLL控制电路
软件
RTOS特征
设备驱动
中断
调试
嵌入式系统开发方法
软件测试方法
系统控制
嵌入式Linux
线程调度
嵌入式 Linux 与 ITRON 的区别
实时系统下的并行编程
线程控制模型
优先度逆转问题
解决方法
线程间通信
处理器相关
ARM平台下的对齐

TOP基本原理

TOP硬件

TOP内存

TOPROM (Read Only Memory)
  • MROM(Mask ROM)
是制造商为了要大量生产，事先制作一颗有原始数据的ROM或EPROM当作样本，然后再大量生产与样本一样的 ROM，这一种做为
大量生产的ROM样本就是MASK ROM，而烧录在MASK ROM中的资料永远无法做修改。
  • PROM(Programmable ROM)
可擦写ROM
  • EPROM(Erasable Programmable ROM、Electrical PROM)
可编程ROM的一种。按擦写方式可分为，紫外线可擦写方式（UV-EPROM），电可擦写方式（EEPROM）。Flash内存（Flash ROM）就是 EEPROM 的一种。
即使只更新1比特的数据，也需要删除所有的数据（Flash Memory:以block单位更新/消除）
TOPRAM (Random Access Memory)
  • SRAM (Static RAM)
一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。
优点: 速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。
缺点: 集成度低，功耗较大，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率。
SRAM使用的系统 : CPU与主存之间的高速缓存。CPU内部的L1／L2或外部的L2高速缓存。
  • DRAM (Dynamic RAM)
动态随机存储器。DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新（refresh）一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。
动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；
随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。
  • SDRAM (Synchronous Dynamic RAM)
同步动态随机存取存储器。同步是指Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准。
SDRAM从发展到现在已经经历了四代，分别是：第一代SDR SDRAM，第二代DDR SDRAM，第三代DDR2 SDRAM，第四代DDR3SDRAM.
  • FeRAM (Ferroelectric RAM)
构造与DRAM相似。速度是Flash内存的10倍以上（与DRAM相当）。消费电力比DRAM或者是Flash内存小。

TOP总线

  • 串口（シリアル）
USB, IEEE1394, 串口SCSI, PCI Express
面向长距离通信

按传输方式分为同步式和非同步式（又称调步同步式），同步式需要数据线和时钟线，非同步式需要数据线上的开始，数据，结束信号。
  • 并口（パラレル）
SCSI-1, SCSI-2, SCSI-3, ATA, PCI, ISA
面向大容量，高速，短距离通信

8根数据传输用信号线，通信时利用脉冲信号
速度
SCSI 4M Byte/s
USB 12M Byte/s
USB 2.0 480M Byte/s
IEEE1394 100M Byte/s
系统总线 800～1600M Byte/s
总线控制
  • 总线判优控制(bus arbiter, バスアーピタ) : 根据接续在同一总线上，复数的CPU或者DMA控制器的使用要求，决定总线使用权的回路。
  • 从动总线控制(bus slave，バススレーブ) : 与总线接驳的装置被动地开始数据传输控制。
  • 主动总线控制(bus master，バスマスタ) : 与总线接驳的装置主动地开始数据传输控制。

TOPDMA

传送模式
  • 字节传送模式（シングル転送モード）
每次传输一个字节，每一次传输后，数据线的所有权返还给MPU
传输效率不好，但是实时性好（及时响应中断信号）
  • 块传送模式（连续传输模式）
每次传输指定的数据大小，传输过程中，占有数据线
传输效率好，但是实时性不好
  • Demand传送模式，burst传送模式（デマンド転送モード，バースト転送モード）
与连续传送模式有相同的传输，但是中间可以被中断（数据线的使用权可以随时归还）
以每个传输字节为单位检查DMA请求信号，如果有则传输下面的字节，没有则归还数据线使用权

TOP高速缓存

  • Write through : 写Cache的同时也写主内存
  • Write back : 只写Cache,只有当Cache中没有命中的数据需要换页的时候，先将Cache的内容写回内存，在加载新的
TLB
换页（ページアウト）的算法 :
LRU : Least Recently Used 最近最久未使用算法
LFU : Least Frequently Used 最不经常使用页置换算法,要求在页置换时置换引用计数最小的页
NUR/NRU : Not Used Recently/Not Recently Used 页面淘汰算法,又名近似的LRU置换算法
          换页优先级为 : 无参照/变更 > 有变更 > 有参照 > 有参照/变更

TOPA/D转换器（コンバータ）

  • 二重积分型 : 抗干扰性能强，精度高，速度慢
  • 逐次比较型 : 比并列方式慢，但是便宜
  • Flash方式 : 高速，分解能低
  （低速）二重积分型 ⇒ 逐次比较型 ⇒ 【并列比较】Flash方式（高速）

TOPDC马达的控制（PWM控制）

PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 以控制马达的转速。

TOP传感器

  • 红外线传感器 : 利用电磁波的传感器，用来测量高温
  • 测温电阻 : 利用温度的变化影响电阻值的特性，用来实现工业上的高精度计测
  • 热电对 : 用两种不同金属实现闭合回路，由于温度差在其接触面处会生成热电流
  • 热变电阻(サーミスタ) : 利用温度变化来影响半导体的性质，控制电路电阻值
  • 光量检出传感器（シリコンフォトダイオード，フォトトランジスタ）
  • 原点检出传感器（フォトインタラプタ） : 用于 步进电机(Stepper motor, ステッピングモーター)
  • 磁力传感器 （ホール素子）
  • 旋转角检测（アブソリュートエンコーダ）
  • 直线运动驱动器（ソレノイド）: 利用电磁力使铁芯运动的驱动器，比如驱动磁盘磁头的装置
  • 电动驱动器（电机，電動アクチュエータ）
  • 压力传感器（圧電素子）

TOP静电&电磁干扰

  • 干扰对策 : 框体外侧使用导电性越强越好；信号线用 单芯屏蔽电缆（shielded cable，シールドケーブル）；电源线尽量粗；减少输入信号使用 光电耦合器（Photocoupler，フォトカプラ）。

TOPPLL控制电路

PLL(Phase Locked Loop)： 为锁相回路或锁相环，用来统一整合时脉讯号，使内存能正确的存取资料。PLL用于振荡器中的反馈技术。

许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL,Phase-Locked Loop）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。

PLL电路

PLL控制电路

TOP软件

TOPRTOS特征

  • 抢占式调度 ：高优先级抢占调度算法原则是高级ready状态的任务可以抢占正在运行的低级任务，中断可以抢占任何任务。算法使高优先级任务和中断处理可以得到及时处理，以保证系统的实时性。并且不同优先级的任务间采用抢占式调度，相同优先级任务则通过时间片轮转，保证同级任务平等获得cpu时间。
PC系统(Linux或windows)是按时间调度的。操作系统有时会中断高优先级的任务，来为低优先级任务提供cpu时间。
中断结束的时候，并不一定被线程调度。
  • 可抢占内核 : RTOS中，内核操作可被抢占
  • 一般RTOS是宏内核（linux）的，基于消息传递的微内核RTOS则提供了更好的容错性和动态升级能力

TOP设备驱动

按照实现方法分为
  • 系统调用型 : 在内核空间运行，例如 windows。程序接口固定。
  • 应用程序任务型 : 在用户空间运行，一些小规模RTOS。中断处理也在程序中定义。

TOP中断

  • CISC ： 使用vector table，每个中断号执行各自的程序
  • RISC ： 将不同的中断分组，不同种类的中断执行不同的程序。中断号由特定的寄存器通知。
同步中断的场合，中断结束为止，调用进程一直处于等待状态。
非同步中断的场合，中断结束后，利用事件通知调用进程中断结束。

TOP调试

TOP硬件调试
逻辑分析仪(logic analyzer, ロジックアナライザ)
探针与MPU的端子连接，测定各种总线上信号的读写周期。
TOP软件/硬件调试
ICE调试的特征(インサーキットエミュレータ)
  • 可代替目标设备（模拟目标设备的MPU—内部有与目标设备相同的MPU，内存）
  • 不使用其他资源
  • ROM/RAM内集成硬件中断（ブレーク）功能
  • 实时跟踪(トレース)/触发（トリガ）
  • 连接MPU的IC接口
JTAG调试的特征
  • 不能代替目标设备
  • 使用MPU的设备资源
  • ROM/RAM内集成硬件中断（ブレーク）功能
  • 由MPU的外部可以产生让MPU停止的信号
  • 对应JTAG的设备与HOST之间通过5根信号线（TAP）连接，HOST输入测试信号并解析输出信号来检测目标设备的状态
软件调试（モニタデバッガ）的特征
  • RAM内配置软件中断
  • 需要设备资源
  • 不能更改/参照CPU内部的特殊寄存器
  • 实时性差，不能实现实时跟踪/触发

TOP嵌入式系统开发方法

并行模式（concurrent，コンカレント）
  • 软件与硬件并行的开发
  • Co-design（コデザイン）: 协调设计
  • Co-verification（コベリフィケーション）: 协调验证
マスククロック方式
停止不必要回路的时钟供给，以达到省电，节能的效果
Watchdog Timer(ウォッチドッグタイマー)
计算机硬件计时器，用来检测软件例外

TOP软件测试方法

黑箱测试
黑箱测试（又称为功能测试）是把程序或系统看成一个黑盒子，完全不考虑其内部结构和处理过程。
  • 同值分割 : 同值分割又称为等价划分，它的含义是针对输入条件，将所有可能的输入数据（有效的和无效的）分为若干等价类，对每一个等价类只取一组数据作为测试数据，使得选取的测试数据具有代表性。
  • 界限分割（边界分析） : 选取刚好等于、稍小于和稍大于等价类边界值的数据作为测试数据，而不是选取每个等价类内的典型值或任意值作为测试数据。
  • 因果图法 : 主要标识出输入数据（原因）和输出数据（结果）之间的关系，调查其有效组合的测试分支。适合于被测程序具有多种输入条件，程序的输出又依赖于输入条件的各种组合的情况。
利用因果图导出测试用例的步骤：
1. 列出原因（输入条件）和结果（输出条件）；
2. 标识出原因和结果之间的关系（一一对应、选择关系、 并列关系、否定关系），画出因果图；
3. 把因果图转化成判定表；
4. 对判定表的每一列写成一个测试用例。
黑盒测试策略
1. 首先用边界值分析法设计测试用例
2. 必要时用等价分类法补充测试用例
3. 必要时再用错误推测法补充测试用例
4. 如果在程序的说明中含有输入条件的组合，宜在一开始就采用因果法，然后再按上述步骤进行
Bottom Up Test（ボトムアップテスト）
在由多个模块组成的系统程序中，从底层模块向上层模块的测试手法。测试底层的过程中，上层模块可以用“驱动（Driver）”代替。
Top Down Test（トップダウンテスト）
在由多个模块组成的系统程序中，从上层模块向底层模块的测试手法。测试上层的过程中，底层模块可以用“存根（stub）”代替。

TOP系统控制

  • 顺序控制(シーケンス制御) : 按照预先定义好的顺序来控制执行
  • 模糊控制(Fuzzy Control, ファジー制御) : 定量化不明确的值，来达到系统控制。例如，模糊洗衣机、模糊冰箱、模糊相机等，专家系统、智能控制中也大量运用模糊计算。
  • 反馈控制(feedback control, フィードバック制御) : 管理人员分析以前的工作的执行结果，将它与控制标准相比较，发现偏差所在并找出原因，拟定纠正措施以防止偏差发展或继续存在，就是反馈控制。
  • 前馈控制(feed-forward control, フィードフォワード制御) : 是指通过观察情况、收集整理信息、掌握规律、预测趋势，正确预计未来可能出现的问题，提前采取措施，将可能发生的偏差消除在萌芽状态中，为避免在未来不同发展阶段可能出现的问题而事先采取的措施。　前馈控制发生在实际工作开始之前，是未来导向的。质量控制培训项目、预测、预算、实时的计算机系统都属于前馈控制。前馈控制是管理层最渴望采取的控制类型，因为它能避免预期出现的问题，而不比当问题出现时再补救。它是为了弥补反馈控制的缺点而产生的。
  • 伺服控制(servo control, サーボ制御) : 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
反馈控制，前馈控制，伺服控制的特性之一是不需要变更硬件，只需更改软件特性就可对应各种伺服控制特征。

TOP嵌入式Linux

TOP线程调度

执行线程调度的时机
  • 中断程序结束时
  • 系统调用结束时
  • 系统空闲时间
  • 固定时钟

linux内核使用 非抢占式 的线程调度方式。但是为了在嵌入式领域中实现有效的实时性，有以下几种改善方式 :

  • 改善驱动程序，内核中断的禁止时间（割り込みマスク時間）
  • 采用混合构造的内核（ハイブリッド構造，RTLinux）
  • 内核优化（采用抢占式内核，MontaVista Linux）
※ linux 2.6 开始内核已经支持抢占式线程调度。如果需要中断结束后执行线程调度，须在 thread_info 结构中设置 : TIF_NEED_RESCHED

抢占式 linux 线程调度

抢占式 linux 线程调度

TOP嵌入式 Linux 与 ITRON 的区别

ITRON
  • 任务以内核模式运行
  • 没有MMU，直接访问内存
  • 按优先级方式执行任务调度
  • 任务刚生成时为休止状态，这之后被其他任务唤醒为执行状态
  • 用于中断的系统调用与通常任务中使用的系统调用不同

ITRON INTERRUPT

ITRON 中断处理

Linux
  • 为了达到实时处理的要求，采用实时线程调度方法（抢占式线程调度）
  • 管理以内核模式运行的任务
  • 结合RTOS的混合架构

LINUX INTERRUPT

Linux 中断处理

linux中进程通过系统调用访问设备，如果设备等待中断的情况下，调用sleep系统调用。中断结束后，通过wake_up()来唤醒。

TOP实时系统下的并行编程

TOP线程控制模型

  • 工作群模型(work crew model)
线程池模式。web服务器，邮件服务器等经常应用。（并行地执行相同的任务）
  • 管理者/工人模型(boss/worker model)
主线程接收事件命令，分配给工作线程完成，主线程不被阻塞。（可能阻塞或较长时间完成的任务由工作线程完成）
  • 流水线模型
任务以串行的方式对数据进行处理

TOP优先度逆转问题

有以下优先级的线程：

B>C>A

由于加锁，低优先级线程A占用某一资源时，CPU切换到高优先级B后，B要访问相同的资源。这时，B被A阻塞。而其中介于A,B之间的线程C会抢占A的CPU，使C先于B执行。即优先级倒置。

TOP解决方法

优先级继承
低优先级线程A保持资源后被高优先级B线程抢占，将A线程的优先级升级到B线程的优先级（以使A，B之间可以相互转换）。之后切换到A线程后，释放资源，并恢复到原先的优先级。（需要保证阻塞时，中等优先级的线程不被调用）
优先级上限
临界资源与一个极限优先级相关联（当前系统的最高优先级+1）。线程进入临界区后，该线程将获得该资源的极限优先级，直到线程退出临界区，恢复为原先的优先级。

TOP线程间通信

无数据交换的线程间相互作用
  • 利用信号实现线程同步
  • 事件，旗语实现无数据交换的线程协作
线程同步，异步数据交换
  • 数据池
  • 隧道（Queue, RingBuffer）
线程同步，数据同步

用“邮箱”(MailBox) 实现

  • 数据接收顺序是 送信的顺序 或者是 优先级顺序
  • 需要两个队列（queue） 分别是 授信等待Queue 消息Queue
  • 低优先级 线程送信， 高优先级 线程授信。通过系统调用完成送授信

MailBox

MailBox

TOP处理器相关

TOPARM平台下的对齐

__align(num)

这个用于修改最高级别对象的字节边界。在汇编中使用LDRD或者STRD时就要用到此命令__align(8)进行修饰限制。来保证数据对象是相应对齐。这个修饰对象的命令最大是8个字节限制,可以让2字节的对象进行4字节对齐,但是不能让4字节的对象2字节对齐。__align是存储类修改,他只修饰最高级类型对象不能用于结构或者函数对象。

__packed
__packed是进行一字节对齐
  1. 不能对packed的对象进行对齐
  2. 所有对象的读写访问都进行非对齐访问
  3. float及包含float的结构联合及未用__packed的对象将不能字节对齐
  4. __packed对局部整形变量无影响
  5. 强制由unpacked对象向packed对象转化是未定义,整形指针可以合法定义为packed。 
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         __packed int* p;  //__packed int 则没有意义
  6. 对齐或非对齐读写访问带来问题
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__packed struct STRUCT_TEST
{
    char a;
    int b;
    char c;
};    //定义如上结构此时b的起始地址一定是不对齐的
      //在栈中访问b可能有问题,因为栈上数据肯定是对齐访问

//将下面变量定义成全局静态不在栈上
static char* p;
static struct STRUCT_TEST a;
void Main()
{
    __packed int* q;  //此时定义成__packed来修饰当前q指向为非对齐的数据地址下面的访问则可以

    p = (char*)&a;
    q = (int*)(p+1);
    *q = 0x87654321;

    /*
    得到赋值的汇编指令很清楚

    ldr      r5,0x20001590 ; = #0x12345678
    [0xe1a00005]   mov      r0,r5
    [0xeb0000b0]   bl       __rt_uwrite4  //在此处调用一个写4byte的操作函数

    [0xe5c10000]   strb     r0,[r1,#0]   //函数进行4次strb操作然后返回保证了数据正确的访问
    [0xe1a02420]   mov      r2,r0,lsr #8
    [0xe5c12001]   strb     r2,[r1,#1]
    [0xe1a02820]   mov      r2,r0,lsr #16
    [0xe5c12002]   strb     r2,[r1,#2]
    [0xe1a02c20]   mov      r2,r0,lsr #24
    [0xe5c12003]   strb     r2,[r1,#3]
    [0xe1a0f00e]   mov      pc,r14

    编译器会在使用__packed的情况下，自动对其中的4字节/2字节访问添加特殊代码，以保证其结果的正确。
    */

    /*
    如果q没有加__packed修饰则汇编出来指令是这样直接会导致奇地址处访问失败
    [0xe59f2018]   ldr      r2,0x20001594 ; = #0x87654321
    [0xe5812000]   str      r2,[r1,#0]
    */

    //这样可以很清楚的看到非对齐访问是如何产生错误的
    //以及如何消除非对齐访问带来问题
    //也可以看到非对齐访问和对齐访问的指令差异导致效率问题
}
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