嵌入式考点总结

覆盖实验：实验1 搭建开发环境 | 实验2 GPIO与ARM裸机开发 | 实验3 中断 | 实验4 Uboot与Linux系统 | 实验5 设备驱动
覆盖课件：CH1 嵌入式系统基础 | CH2 ARM硬件平台 | CH3 交叉开发环境

📗 CH1 嵌入式系统基础

1. 嵌入式系统定义 ⭐⭐

IEEE定义： 嵌入式系统是”用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。

通俗定义： 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104工控计算机都可以认为是嵌入式系统。

2. 嵌入式系统特点 ⭐⭐⭐

特点	说明
专用性	为固定用途而定制
可裁剪	资源有限，够用即可
可靠性	长期工作，故障率低
实时性	强实时 / 弱实时
低功耗	首要目标不是高性能而是低功耗

3. PC与嵌入式系统对比 ⭐⭐

硬件对比：

对比项	PC	嵌入式系统
CPU	Intel 和 AMD	ARM、MIPS、Motorola
内存	内存条	内存芯片
存储设备	硬盘	Flash 芯片
输入设备	键盘、鼠标	按键、触摸屏
输出设备	显示器	LCD、无、控制设备
接口	卡	芯片

软件对比：

对比项	PC	嵌入式系统
引导代码	主板的 BIOS	BootLoader（要移植）
OS	Windows、Linux	WindowsCE、VxWorks、Linux（要移植）
驱动程序	OS自带或下载	自己开发或移植
开发环境	本机开发和调试	借助服务器进行交叉编译
仿真器	不需要	需要

4. 嵌入式系统组成结构 ⭐⭐

1
2
3

嵌入式系统 = 硬件系统 + 软件系统
├── 硬件系统 = 嵌入式处理器 + 最小系统 + 接口电路
└── 软件系统 = 嵌入式OS + 应用软件

最小系统： 处理器 + 最少的外围电路（时钟、复位、电源）
简单嵌入式系统： 硬件 + 监控程序（无OS）
复杂嵌入式系统： 硬件 + 嵌入式OS + 驱动 + 应用

5. 嵌入式处理器分类 ⭐⭐⭐

类型	全称	特点	典型代表
MPU	Micro Processor Unit	功能强，需外部扩展存储器和I/O	ARM系列、MIPS系列、PowerPC
MCU	Micro Controller Unit	片内集成CPU+RAM+Flash+I/O	8051系列、STM32系列
DSP	Digital Signal Processor	专用于数字信号处理	TI的TMS320系列
SoC	System on Chip	系统级芯片，高度集成	RK3399、Exynos4412

MCU基本含义： 在一块芯片上集成了CPU、存储器（RAM/ROM）、定时器/计数器及多种I/O接口的比较完整的系统。

6. 嵌入式操作系统 ⭐⭐

OS	特点
VxWorks	稳定，异常处理强，商业系统
Windows CE	界面漂亮
μC/OS-II	最佳学习型，开源，实时性好
嵌入式Linux	开源，可裁剪，应用广泛
Android / iOS	移动智能终端
HarmonyOS	华为全场景分布式OS

嵌入式Linux（Embedded Linux）是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量为几百KB到几十MB的存储芯片中，应用于特定嵌入式系统的专用Linux操作系统。

7. 交叉开发环境 ⭐⭐⭐

交叉开发（Cross Developing）： 在PC机（宿主机/上位机）上完成程序的编辑、编译、链接等工作；程序的运行在嵌入式设备（目标机）上。

环境	组成
宿主机	PC + Linux + 交叉编译工具链
目标机	实验箱 + 引导程序 + 嵌入式操作系统

使用交叉开发的原因： 嵌入式系统的硬件资源有限，编译所需资源大、耗时长，且嵌入式设备编辑不方便。

在线调试方式：

JTAG（Joint Test Action Group）：IBM和TI公司提出
BDM（Background Debugging Method）：Motorola公司提出

8. GCC编译过程 ⭐⭐⭐

C源程序 hello.c 编译成可执行文件，要依次经过四个阶段：

1	hello.c →[预处理 -E]→ hello.i →[编译 -S]→ hello.S →[汇编 -c]→ hello.o →[链接]→ a.out

阶段	选项	功能
预处理	`-E`	处理 `#include` 头文件、`#define` 宏替换，生成 `.i` 文件
编译	`-S`	语法检查 → 转换为汇编语言，生成 `.s` 文件
汇编	`-c`	汇编代码 → 目标代码（机器码），生成 `.o` 文件
链接		目标代码 + 库文件 → 可执行文件

GCC编译过程演示：

# 预处理 → 编译 → 汇编 → 链接（一步步执行）
gcc -E hello.c -o hello.i       # 预处理：展开头文件、替换宏
gcc -S hello.i -o hello.s       # 编译：转换为汇编代码
gcc -c hello.s -o hello.o       # 汇编：生成目标文件
gcc hello.o -o hello            # 链接：生成可执行文件

# 一步到位（默认输出 a.out）
gcc hello.c
./a.out

# 指定输出文件名
gcc hello.c -o hello
./hello

GCC多文件编译实例：

/* exam1.c */
int sum(int n) {
    int temp = 0, i;
    for(i = 1; i <= n; i++)
        temp += i;
    return temp;
}

/* exam2.c */
#include <stdio.h>
main() {
    int m;
    extern int sum(int sum);
    scanf("%d", &m);
    printf("The sum is %d", sum(m));
}

1 2	gcc exam1.c exam2.c -o exam # 多个源文件编译为一个可执行文件 ./exam

GCC编译选项：

选项	功能	示例
`-o FileName`	指定输出文件名（默认 `a.out`）	`gcc test.c -o test`
`-c`	只编译生成目标文件 `.o`	`gcc -c test.c`
`-g`	包含标准调试信息	`gcc -g test.c -o test`
`-O`	优化编译，提高执行效率	`gcc -O test.c -o test`
`-l`	链接库文件（如 `-lpthread`）	`gcc pthread.c -lpthread -o pthread`

GCC优化效果对比：

# 不优化
gcc optimize.c -o op_1
time ./op_1
# real    0m4.203s

# 优化编译
gcc -O optimize.c -o op_2
time ./op_2
# real    0m1.064s    ← 速度提升约4倍

GCC链接库示例（多线程程序）：

# 错误：未指定线程库
gcc pthread.c -o pthread
# 报错：undefined reference to `pthread_create'

# 正确：使用 -l 指定链接 libpthread 库
gcc pthread.c -lpthread -o pthread

多文件编译： gcc exam1.c exam2.c -o exam

9. Buildroot与SDK层次架构 ⭐

Buildroot： Linux平台上构建嵌入式Linux系统的框架，由大量Makefile脚本和Kconfig配置文件构成。可通过 make menuconfig 配置，编译出完整系统（Uboot + kernel + rootfs + 应用程序）。

SDK层次架构：

┌─────────────────────────┐
│   Applications（应用层）  │  具体产品功能及交互逻辑
├─────────────────────────┤
│   Libraries（中间件层）   │  系统基础库、第三方开源库、API接口
├─────────────────────────┤
│   Kernel（内核层）        │  Linux 4.4 内核
├─────────────────────────┤
│   Bootloader（引导层）    │  Uboot
└─────────────────────────┘

编译命令：

1
2
3

./build.sh uboot    # 编译Uboot
./build.sh kernel   # 编译内核
./build.sh rootfs   # 编译根文件系统

📘 CH2 ARM硬件平台

1. ARM处理器概述 ⭐⭐

ARM处理器特点：

功耗低（以mW计，首要目标不是高性能而是低功耗）
集成丰富的外设接口（尽可能做到SoC）
对实时多任务有很强的支持能力

典型ARM系列：

体系结构	典型内核	特点
ARMv4T	ARM7TDMI	3级流水线，无Cache无MMU
ARMv5	ARM920T	5级流水线，16KB Cache，有MMU
ARMv7-A	Cortex-A8/A9/A15	有Cache有MMU
ARMv7-M	Cortex-M3	高速公路ETC读卡机
ARMv8	Cortex-A53/A72	64位（RK3399使用）

2. ARM处理器工作模式 ⭐⭐⭐

ARM处理器有 7种工作模式：

模式	缩写	说明
用户模式	usr	正常程序执行模式，不能直接切换到其他模式
快速中断模式	fiq	高速数据传输或通道处理
外部中断模式	irq	通用中断处理
管理模式	svc	操作系统使用的保护模式（复位后默认进入）
中止模式	abt	虚拟内存或存储器保护
未定义指令模式	und	支持硬件协处理器的软件仿真
系统模式	sys	运行具有特权的操作系统任务（ARMv4以上）

其中 usr 为非特权模式，其余6种为特权模式；fiq、irq、svc、abt、und 有独立的寄存器组，称为异常模式。

3. ARM寄存器 ⭐⭐⭐

通用寄存器： R0~R15

寄存器	别名	用途
R0~R3	—	参数传递 / 返回值 / 临时变量
R4~R11	—	局部变量（被调用函数需保存）
R12	ip	过程间临时寄存器（子程序调用时的scratch寄存器）
R13	SP	栈指针（Stack Pointer）
R14	LR	链接寄存器（Link Register），保存函数返回地址
R15	PC	程序计数器（Program Counter）

状态寄存器：

寄存器	用途
CPSR	当前程序状态寄存器，保存条件标志、中断禁止位、当前处理器模式
SPSR	程序状态保存寄存器，异常发生时保存CPSR的副本（5种异常模式各有1个SPSR）

CPSR中关键位：低5位为模式位（如SVC=0x13），bit6为FIQ禁止位，bit7为IRQ禁止位

4. ARM指令分类 ⭐⭐⭐

数据处理指令

指令	功能	示例
`MOV`	数据传送	`MOV R0, #0xFF`
`MVN`	数据取反传送	`MVN R0, #0`
`ADD`	加法	`ADD R0, R1, R2`
`SUB`	减法	`SUB R0, R1, #5`
`AND`	按位与	`AND R0, R0, #0xFF`
`ORR`	按位或	`ORR R0, R0, #0x01`
`BIC`	位清零	`BIC R0, R0, #0x1F`
`EOR`	按位异或	`EOR R0, R0, R0`
`CMP`	比较（设置CPSR标志，不保存结果）	`CMP R1, #0`
`MRS`	读状态寄存器	`MRS R0, CPSR`
`MSR`	写状态寄存器	`MSR CPSR_c, R0`

跳转指令

指令	功能	示例
`B`	无条件跳转	`B Label`
`BL`	带链接跳转（调用子程序，返回地址存入LR）	`BL main`
`BX`	跳转到寄存器中的地址（常用于函数返回）	`BX LR`
`BEQ`	条件跳转（Z=1时跳转）	`BEQ Label`

存储器访问指令（LDR/STR系列）

ARM除了寄存器（R0~R15）外没有别的存储单元。所有外围模块都看作是ARM的不同地址单元。

指令	位数	功能	示例
`LDR`	32位（字）	从存储器加载到寄存器	`LDR R3, [R4]`
`LDRB`	8位（字节）	加载字节，高24位清零	`LDRB R3, [R1, #8]`
`LDRH`	16位（半字）	加载半字，高16位清零	`LDRH R3, [R1, R2]`
`STR`	32位（字）	从寄存器存储到存储器	`STR R3, [R1], #8`
`STRB`	8位（字节）	存储低8位	`STRB R3, [R1]`
`STRH`	16位（半字）	存储低16位	`STRH R3, [R1]`

LDR寻址方式：

方式	语法	说明
零偏移	`LDR Rd, [Rn]`	Rn即为地址
前索引偏移	`LDR Rd, [Rn, #0x04]!`	先更新地址，再访问（`!`表示写回Rn）
后索引偏移	`LDR Rd, [Rn], #0x04`	先访问，再更新地址
程序相对偏移	`LDR Rd, label`	基于PC的偏移（加载标号地址）

批量加载/存储指令（LDM/STM）：

堆栈类型	后缀	说明
满递减堆栈	FD	栈满时地址递减（常用）
空递减堆栈	ED	栈空时地址递减
满递增堆栈	FA	栈满时地址递增
空递增堆栈	EA	栈空时地址递增

1 2	STMFD SP!, {R0, R4-R12, LR} @ 多寄存器入栈（保存现场） LDMFD SP!, {R0, R4-R12, PC} @ 多寄存器出栈（恢复现场）

PUSH = STMFD SP!，POP = LDMFD SP!（PUSH/POP是STMFD/LDMFD的别名）

数据交换指令：

指令	功能
`SWP`	字交换：R2↔[R3]
`SWPB`	字节交换：R2低8位↔[R3]字节

5. RK3399 SoC详解 ⭐⭐⭐

RK3399 架构：

Big.Little架构：双核 Cortex-A72（大核）+ 四核 Cortex-A53（小核），64位
CPU频率 > 1.8GHz（大核簇）
L1 Cache：A72 各48KB I + 32KB D；A53 各32KB I + 32KB D
L2 Cache：大核簇1024KB，小核簇512KB
内部SRAM：总计192KB（启动时bootrom使用4KB）

RK3399 GPIO四步设置（以 GPIO0_A2 引脚为例）：

步骤	名称	寄存器地址	操作
1	使能时钟	`0xFF750000` + `0x0104`	`PMUCRU_CLKGATE_CON1` 置位19，使能GPIO0时钟
2	设置功能模式	`0xFF310000` + `0x0000`	`PMUGRF_GPIO0A_IOMUX`，第21:20位设为`11`（GPIO模式）
3	设置方向	`0xFF720000` + `0x0004`	`GPIO_SWPORTA_DDR`，第2位置1=输出，0=输入
4	设置电平	`0xFF720000` + `0x0000`	`GPIO_SWPORTA_DR`，第2位置1=高电平，0=低电平

完整ARM汇编代码（四步合一）：

.global _start
_start:
    bl led_test
    ret

halt:
    b halt

/*************************************************/
led_test:
    /* 第一步：使能GPIO0时钟 */
    mov x0, #0xFF750000          @ PMUCRU基地址
    mov x1, #0xFF750000
    ldr w1, [x1, #0x0104]       @ 读取 PMUCRU_CLKGATE_CON1
    orr w1, w1, #0x80000         @ 第19位置1，使能GPIO0时钟
    str w1, [x0, #0x0104]        @ 写回寄存器

    /* 第二步：设置GPIO0为GPIO功能模式 */
    mov x0, #0xFF310000          @ PMUGRF基地址
    mov x1, #0xFF310000
    ldr w1, [x1, #0x0000]        @ 读取 PMUGRF_GPIO0A_IOMUX
    orr w1, w1, #0x300000        @ 第21:20位设为11（GPIO模式）
    str w1, [x0, #0x0000]        @ 写回寄存器

    /* 第三步：设置GPIO0_A2为输出方向 */
    mov x0, #0xFF720000          @ GPIO0基地址
    mov x1, #0xFF720000
    ldr w1, [x1, #0x0004]        @ 读取 GPIO_SWPORTA_DDR
    orr w1, w1, #0x04            @ 第2位置1（输出）
    str w1, [x0, #0x0004]        @ 写回寄存器

    /* 第四步：设置GPIO0_A2输出高电平 */
    mov x0, #0xFF720000
    mov x1, #0xFF720000
    ldr w1, [x1, #0x0000]        @ 读取 GPIO_SWPORTA_DR
    orr w1, w1, #0x04            @ 第2位置1（高电平）
    str w1, [x0, #0x0000]        @ 写回寄存器

    b halt

RK3399 C语言LED控制程序：

#include "led.h"

static void led_delay(void) {
    volatile unsigned long int i, j;
    for(i = 10; i > 0; i--)
        for(j = 10000; j > 0; j--);
}

int main(void) {
    led_int();
    led_status(0);
    while(1) {
        led_status_led0(1);   led_delay(); led_delay();
        led_status_led0(0);   led_delay(); led_delay();
        led_status_led1(1);   led_delay(); led_delay();
        led_status_led1(0);   led_delay(); led_delay();
        led_status_led2(1);   led_delay(); led_delay();
        led_status_led2(0);   led_delay(); led_delay();
        led_status_led3(1);   led_delay(); led_delay();
        led_status_led3(0);   led_delay(); led_delay();
    }
    return 0;
}

GPIO操作的核心是**”读-改-写”**：先从寄存器读取当前值（ldr），修改特定位（orr），再写回寄存器（str）。

Exynos4412 GPIO寄存器组织方式（对比）：

寄存器类型	命名规则	功能
端口控制寄存器	GPA0CON ~ GPZCON	配置引脚复用功能
端口数据寄存器	GPA0DAT ~ GPZDAT	读/写引脚电平
端口上拉寄存器	GPA0PUD ~ GPZPUD	配置上拉/下拉电阻
驱动能力寄存器	GPA0DRV ~ GPZDRV	配置驱动强度

📙 CH3 交叉开发环境（BootLoader与Linux系统）

1. BootLoader概述 ⭐⭐⭐

BootLoader定义： 系统加电后运行的第一段代码（通常从地址 0x00000000 开始执行），核心任务是启动操作系统。相当于PC中的 BIOS + MBR。

BootLoader通用结构：

阶段	语言	功能
Stage1	汇编	硬件设备初始化 → 为Stage2准备RAM → 复制Stage2到RAM → 设置堆栈 → 跳转Stage2入口
Stage2	C语言	初始化硬件 → 检测内存映射 → 将kernel和rootfs从Flash读到RAM → 设置启动参数 → 引导内核

常用BootLoader： U-Boot（Universal BootLoader）、Blob、ARMboot、RedBoot、vivi

2. U-Boot目录结构 ⭐⭐

目录	存放内容
`arch`	体系结构相关代码（arm、x86等）
`board`	核心板相关支持文件（samsung、rockchip等）
`common`	U-Boot命令（bootm、tftp等）
`configs`	各板配置文件（`rk3399_defconfig`）
`driver`	驱动程序（网卡、串口、USB等）
`fs`	文件系统支持（ext4、nfs、jffs2等）
`include`	头文件（硬件平台支持、系统配置等）
`net`	网络协议栈（bootp、tftp、rarp）
`tools`	工具（`mkimage` 生成U-Boot镜像）

配置命令：

1 2	make rk3399_defconfig # 加载默认配置 make menuconfig # 图形化配置

3. Linux内核启动流程 ⭐⭐

Image的生成过程：

1	vmlinux（原始内核，~23MB）→[objcopy去掉符号表]→ Image（纯内核镜像，~18MB）

Linux启动流程：

arch/arm64/kernel/head.S（汇编入口）
→ start_kernel()（init/main.c）
  → rest_init()
    → kernel_init()（启动init进程）
      → 用户空间（加载rootfs中的init脚本）

vmlinux.lds 是内核链接脚本，决定了各段在内存中的位置

4. 根文件系统（rootfs） ⭐⭐⭐

rootfs 与 kernel 的关系：

根文件系统和内核是完全独立的两个部分
单独的Linux内核没法正常工作，必须搭配根文件系统
rootfs包含：内核模块（.ko）、/etc/fstab（自动挂载列表）、/etc/inittab（init配置）、应用程序、库文件等

Linux关键目录文件：

文件	用途
`/etc/fstab`	自动挂载的文件系统列表
`/etc/inittab`	init进程的配置文件
`/bin`	系统必备命令（cp、ls、mount、rm）
`/sbin`	系统管理命令（insmod、fdisk、reboot）

Linux文件系统格式（补充）：

类型	格式
传统硬盘	ext2、ext3、ext4、XFS
闪存	JFFS2、YAFFS
网络	NFS
虚拟/特殊	swap、procfs、sysfs、debugfs、devfs

📗 实验1 搭建开发环境

1. eAIOT实验平台 ⭐

平台组成：

左侧：高性能嵌入式主板（核心板），采用瑞芯微 RK3399（64位ARM SoC），标配 4GB 内存 + 16GB 闪存
右侧：无线传感器网络扩展板（Zigbee、BLE、LORA、NB-IoT、RFID、10+传感器）
核心板以金手指形式插入底板，板载 2×2 MIMO 双天线 WiFi 模组

支持运行的OS： Android 8.1、Ubuntu 18.04、Armbian、Buildroot、Linux

开机流程（按顺序）：

将各类天线、网线正确接入
将 Type-C 数据线插入 debug 或 download 口
确保主板电源开关处于靠左关闭状态
插入白色 12V 电源插头
向右拨动电源开关启动系统

⚠️ 请严格按照以上步骤开机，减少瞬时电涌对主板接口的损害。Type-C 接口较为脆弱，请勿暴力抽拽。

2. Linux文件系统 ⭐⭐

文件系统类型：

文件系统	特点
ext2	早期文件系统，非日志文件系统，已不推荐
ext3	在 ext2 基础上发展，日志文件系统，完全兼容 ext2
ext4	在 ext3 基础上发展，性能和可靠性更佳，向下兼容 ext3 和 ext2

Linux根目录重要文件夹：

目录	用途
`/bin`	二进制可执行命令文件
`/sbin`	系统命令
`/root`	超级用户 root 的根目录
`/home`	普通用户默认目录
`/boot`	系统内核和启动文件
`/dev`	设备文件
`/etc`	系统管理配置文件
`/lib`	系统运行所需库文件
`/proc`	虚拟目录，保存系统信息和进程信息
`/tmp`	临时文件，所有用户可读写
`/var`	变化文件，如日志
`/usr`	应用程序和库文件
`/sys`	系统设备和文件层次结构

查询当前文件系统版本：df -T -h

3. 常用Shell命令 ⭐⭐

Shell命令格式： command -options [argument]

基础命令：

命令	语法示例	功能
`ls`	`ls -l /home`	列出目录内容（`-l`详细列表，`-a`显示隐藏文件）
`cd`	`cd /home/xuelitec`	切换目录（`cd ~`回用户目录，`cd ..`返回上级）
`pwd`	`pwd`	显示当前所在目录的完整路径
`uname`	`uname -a`	显示系统信息（`-a`显示全部内核信息）
`sudo`	`sudo apt-get install xxx`	以超级用户权限执行命令
`man`	`man ls`	查看命令手册（按 `q` 退出）
`df`	`df -T -h`	查看磁盘使用情况（`-T`显示文件系统类型，`-h`人性化显示）

文件操作命令：

命令	语法示例	功能
`touch`	`touch test1.c`	创建空文件 / 更新文件时间戳
`mkdir`	`mkdir -p dir/subdir`	创建目录（`-p`递归创建多级目录）
`rm`	`rm -rf dir/`	删除文件（`-r`递归删除目录，`-f`强制）
`rmdir`	`rmdir empty_dir/`	删除空目录（目录非空会报错）
`cp`	`cp file1.c /home/backup/`	复制文件
`mv`	`mv oldname.c newname.c`	移动文件 / 重命名
`chmod`	`chmod 755 test1.c`	修改文件权限
`find`	`find /home -name "*.c"`	按条件查找文件
`grep`	`grep "include" main.c`	在文件中搜索字符串

压缩解压命令：

命令	语法示例	功能
`tar`	`tar -zxvf file.tar.gz`	解压 `.tar.gz`（`-z`gzip，`-x`解压，`-v`显示过程，`-f`指定文件）
`tar`	`tar -cvzf dir.tar.gz dir/`	压缩为 `.tar.gz`（`-c`创建）
`zip`	`zip archive.zip file1 file2`	压缩为 `.zip`
`unzip`	`unzip archive.zip`	解压 `.zip`

文件权限详解（chmod）：

# 查询权限
ls -l test1.c
# 输出：-rwxr-xr-- 1 user group 1024 May 7 10:00 test1.c
#      [-][rwx][r-x][r--]
#       |   |     |     |
#       |   |     |     └─ 其他用户：只读(r--)
#       |   |     └─────── 同组用户：读+执行(r-x)
#       |   └───────────── 所有者：读+写+执行(rwx)
#       └──────────────── 文件类型（-普通文件，d目录）

# 修改权限 - 数字法
chmod 755 test1.c    # rwxr-xr-x（7=rwx, 5=r-x, 5=r-x）
chmod 644 test1.c    # rw-r--r--（6=rw-, 4=r--, 4=r--）

4. 开发环境搭建 ⭐

Ubuntu和Windows文件互传： FTP服务

NFS服务安装：

1	sudo apt-get install nfs-kernel-server

SSH服务安装：

1	sudo apt-get install openssh-server

交叉编译工具链： arm-linux-gnueabihf-gcc（用于编译裸机程序）/ aarch64-linux-gnu-gcc（用于编译64位程序）

📘 实验2 GPIO与ARM裸机开发

1. ARM处理器与GPIO ⭐⭐⭐

RK3399 SoC 双处理器：

Cortex-A53（64位，小核）
Cortex-A72（64位，大核）

GPIO操作步骤（裸机）：

使能GPIO时钟
设置GPIO复用功能（配置MUX寄存器）
设置GPIO方向（输入/输出）
设置GPIO输出电平（高低）

RK3399关键寄存器：

PMUGRF_GPIO0A_IOMUX（地址 0xFF310000）：GPIO复用功能配置
GPIO0_SWPORTA_DR：GPIO数据寄存器（写数据）
GPIO0_SWPORTA_DDR：GPIO方向寄存器（0=输入，1=输出）

2. ARM启动文件(start.S) ⭐⭐⭐

start.S完成的主要功能：

设置异常向量表（Exception Vector）
关闭 IRQ、FIQ，设置 SVC 模式
关闭 L1 cache，设置 L2 cache，关闭 MMU
根据 OM 引脚确定启动方式
在 SoC 内部 SRAM 中设置栈
执行 lowlevel_init 函数（初始化系统时钟、SDRAM、串口等）
设置 SDRAM 中的栈

⚠️ 异常向量表必须从 0x00000000 或 0xFFFF0000 开始，每条向量占4字节

3. ARM汇编与C语言混合编程 ⭐⭐

关键汇编指令：

指令	语法示例	功能
`LDR`	`LDR R0, =0xFF310000`	将地址/数据加载到寄存器（`=`表示伪指令，加载立即数到R0）
`STR`	`STR R0, [R1]`	将寄存器的值存储到内存地址
`MOV`	`MOV R0, #0xFF`	将立即数移动到寄存器
`BL`	`BL main`	带链接的跳转（调用函数，将返回地址存入LR）
`B`	`B loop`	无条件跳转（不保存返回地址）
`BX`	`BX LR`	跳转到寄存器中的地址（常用于函数返回，`LR`存放返回地址）
`PUSH`	`PUSH {R0, R1, LR}`	将寄存器压栈（保存现场）
`POP`	`POP {R0, R1, PC}`	从栈中弹出寄存器（恢复现场，`PC`为程序计数器）
`MRS`	`MRS R0, CPSR`	读取状态寄存器CPSR到通用寄存器
`MSR`	`MSR CPSR_c, R0`	写入通用寄存器的值到状态寄存器

汇编中调用C函数： 使用 BL main 跳转到C语言入口点，函数返回时通过 BX LR 回到汇编

实际应用示例（start.S中设置SVC模式并关中断）：

MRS R0, CPSR          @ 读取当前状态寄存器
BIC R0, R0, #0x1F     @ 清除低5位（模式位）
ORR R0, R0, #0x13     @ 设置为SVC模式（0x13 = 10011）
ORR R0, R0, #0xC0     @ 关闭IRQ（bit 7）和FIQ（bit 6）
MSR CPSR_c, R0        @ 写回CPSR

栈设置与调用C函数示例：

1
2
3

LDR SP, =0x00200000   @ 设置栈指针SP（SDRAM顶部往下）
BL main               @ 调用C语言main函数
B .                   @ 如果main返回则死循环

4. 交叉编译与烧写 ⭐⭐

编译步骤：

# 编译 start.S
arm-linux-gnueabihf-gcc -c start.S -o start.o
# 编译 main.c
arm-linux-gnueabihf-gcc -c main.c -o main.o
# 链接
arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0x00000000 start.o main.o -o led.elf
# 生成bin文件
arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary led.elf led.bin

烧写命令（Uboot下）：

# 下载到内存
loadx 0x00200000    # 使用xmodem协议
# 执行
go 0x00200000

Makefile编写要点：

CROSS_COMPILE = arm-linux-gnueabihf-
使用 -march=armv7-a 指定架构
链接脚本 .ld 指定各段在内存中的位置

5. Makefile 编写 ⭐⭐⭐

Makefile 是工程管理工具，通过依赖关系自动判断哪些文件需要重新编译，大幅提高编译效率。

基本语法

1 2	目标(target): 依赖(prerequisites) [Tab] 命令(command)

规则：

目标：要生成的文件，或是一个”伪目标”（如 clean）

依赖：生成目标所依赖的文件列表

命令：生成目标的具体操作（必须用 Tab 开头）

变量与自动变量

Makefile变量分为三类：

变量/符号	含义	示例
`$(CC)`	编译器	`CC = arm-linux-gnueabihf-gcc`
`$(LD)`	链接器	`LD = arm-linux-gnueabihf-ld`
`$(OBJCOPY)`	格式转换工具	`OBJCOPY = arm-linux-gnueabihf-objcopy`
`$@`	当前目标名	`led.bin: led.elf` 中 `$@` = `led.bin`
`$<`	第一个依赖名	`led.o: led.S` 中 `$<` = `led.S`
`$^`	所有依赖名（空格分隔）	`app: a.o b.o` 中 `$^` = `a.o b.o`
`?=`	若未定义则赋值	`CROSS_COMPILE ?= arm-linux-gnueabihf-`

Makefile预定义变量（Make自带，可直接引用）：

变量	默认值	用途
`AR`	`ar`	库文件维护程序
`AS`	`as`	汇编程序
`CC`	`cc`	C编译器
`CPP`	`$(CC) -E`	C预编译器
`CXX`	`g++`	C++编译器
`RM`	`rm -f`	文件删除命令
`CFLAGS`	无	C编译器选项
`LDFLAGS`	无	链接器选项

常用编译变量

变量	用途	常用值
`CFLAGS`	C编译选项	`-march=armv7-a -mfloat-abi=hard -mfpu=neon`
`LDFLAGS`	链接选项	`-Ttext 0x00000000 -Tlink.ld`
`CROSS_COMPILE`	交叉编译前缀	`arm-linux-gnueabihf-`
`TARGET`	最终目标文件名	`led.bin`

伪目标 `.PHONY`

1
2
3

.PHONY: clean     # 声明 clean 为伪目标，避免目录下有同名文件时 make 不执行
clean:
    rm -f *.o *.elf *.bin

为什么需要 .PHONY？ 若目录下存在一个名为 clean 的文件，make clean 会认为目标已最新而跳过。.PHONY 告诉 make 无论是否有同名文件都执行该规则。

裸机开发完整 Makefile 示例

# 交叉编译工具链前缀
CROSS_COMPILE = arm-linux-gnueabihf-
CC  = $(CROSS_COMPILE)gcc
LD  = $(CROSS_COMPILE)ld
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
CFLAGS = -march=armv7-a -marm -Wall

TARGET = led
OBJS   = start.o main.o

# 默认目标（第一个目标）
all: $(TARGET).bin

# 链接：将 .o 文件链接为 .elf
$(TARGET).elf: $(OBJS)
    $(LD) -Ttext 0x00000000 $^ -o $@

# 生成二进制文件
$(TARGET).bin: $(TARGET).elf
    $(OBJCOPY) -O binary $< $@

# 编译 .S → .o
%.o: %.S
    $(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@

# 编译 .c → .o
%.o: %.c
    $(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@

# 伪目标：清理
.PHONY: clean
clean:
    rm -f $(OBJS) $(TARGET).elf $(TARGET).bin

内核模块 Makefile（`实验5` 用）

# 内核模块 Makefile（放在模块源码同一目录）
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build   # 内核源码目录

obj-m += chrdev.o          # 指定要编译为模块的目标

all:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules        # 进入内核目录编译模块

clean:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean        # 清理

关键点： 内核模块 Makefile 与普通 Makefile 不同，obj-m 表示编译为模块，-C 指定内核源码目录，M=$(PWD) 指定模块源码目录。

RK3399实际交叉编译 Makefile（课件原版）

# RK3399 裸机交叉编译 Makefile（带链接脚本）
PREFIX  = aarch64-linux-gnu-
CC      = $(PREFIX)gcc
LD      = $(PREFIX)ld
AR      = $(PREFIX)ar
OBJCOPY = $(PREFIX)objcopy
OBJDUMP = $(PREFIX)objdump

# 添加 GCC 运行时库
PLATFORM_LIBS += -L $(shell dirname `$(CC) $(CFLAGS) -print-libgcc-file-name`) -lgcc

rk3399.bin: start.S
    $(CC) -nostdlib -g -c -o start.o start.S
    $(LD) -Trk3399.lds -g start.o -o rk3399_elf $(PLATFORM_LIBS)
    $(OBJCOPY) -O binary -S rk3399_elf rk3399.bin
    $(OBJDUMP) -D -m arm rk3399_elf > rk3399.dis

clean:
    rm -f rk3399.dis rk3399.bin rk3399_elf *.o

与简化版Makefile的区别： 使用 -nostdlib 不链接标准库（裸机无OS）、-Trk3399.lds 指定链接脚本控制内存布局、OBJDUMP 生成反汇编文件用于调试

Make 常用命令

命令	功能
`make`	执行 Makefile 中第一个目标（通常是 `all`）
`make clean`	执行 `clean` 目标，清理编译产物
`make -j4`	4个线程并行编译，加快速度
`make V=1`	显示详细的编译命令（调试用）

📙 实验3 中断

1. 中断基本概念 ⭐⭐⭐

中断定义： CPU在执行程序的过程中，当出现某些突发事件时，CPU暂停当前程序，转去处理该事件，处理完毕后再返回原来被中断的位置继续执行。

中断类型：

类型	来源	特点
IRQ	外设中断	普通中断，可屏蔽
FIQ	快速中断	优先级高于IRQ，用于高速数据传输
SWI/SVC	软件中断	用户态切换到内核态
Reset	复位	最高优先级
Undefined Instruction	未定义指令	执行未定义指令时触发
Data Abort	数据访问异常	数据读写出错
Prefetch Abort	指令预取异常	指令读取出错

2. RK3399 GPIO中断实验 ⭐⭐

GPIO中断配置步骤：

使能GPIO时钟
设置GPIO复用功能为GPIO模式
设置GPIO方向为输入
配置GPIO中断触发方式（上升沿/下降沿/高电平/低电平）
使能GPIO中断
注册中断服务函数（ISR）

按键消抖： 软件延时消抖（约10~20ms）

3. ARM异常处理 ⭐⭐

异常向量表：

地址偏移	异常类型
0x00	Reset
0x04	Undefined Instruction
0x08	SWI/SVC
0x0C	Prefetch Abort
0x10	Data Abort
0x14	未使用
0x18	IRQ
0x1C	FIQ

中断处理流程：

保存现场（将寄存器压栈）
执行中断服务程序（ISR）
恢复现场（寄存器出栈）
中断返回

4. GIC中断控制器 ⭐⭐

GIC（Generic Interrupt Controller）功能：

中断优先级管理
中断路由（分发到哪个CPU核心）
中断屏蔽与使能
中断状态跟踪（active/pending/inactive）

📕 实验4 Uboot与Linux系统

1. RK3399启动过程 ⭐⭐⭐

完整启动流程：

1	上电复位 → romcode → BL1（SRAM）→ BL2（DDR）→ OS Kernel → Rootfs

详细步骤：

RK3399系统上电复位后，Cortex-A53从地址 0xFFFF0000 执行romcode
romcode依次按以下顺序查找介质上的ID BLOCK信息：
- SPI NOR FLASH → SPI NAND FLASH → eMMC → SD/MMC → USB
romcode功能：查找ID BLOCK → 确定启动方式 → 初始化硬件 → 将BL1加载到内部SRAM
BL1执行DDR初始化，将BL2复制到DDR，跳转到BL2
BL2初始化硬件和软件，将OS复制到DDR，跳转到OS
启动操作系统

2. Bootloader (Uboot) ⭐⭐⭐

Bootloader定义： 系统启动后、OS内核运行之前运行的一段小程序，用于初始化硬件设备、建立内存映射，为调用OS内核准备好环境。

Bootloader两种操作模式：

模式	说明
启动加载模式（自主模式）	从固态存储设备将OS加载到RAM运行，无需用户介入。是产品发布时的正常工作模式
下载模式	通过串口/网络从主机下载内核映像和根文件系统。用于第一次安装和系统更新，提供命令行接口

BL1阶段（Stage1，汇编实现）：

步骤	功能
1	硬件设备初始化
2	为加载Stage2准备RAM空间
3	复制Stage2到RAM空间
4	设置堆栈（为执行C语言代码做准备）
5	跳转到Stage2的C入口点

BL2阶段（Stage2，C语言实现）：

步骤	功能
1	初始化本阶段使用的硬件设备
2	检测系统内存映射（memory map）
3	将内核映像和根文件系统从Flash读到RAM
4	为内核设置启动参数
5	调用内核

3. Uboot源码启动流程 ⭐⭐

start.S 文件（BL1阶段）：

指定Uboot入口
设置异常向量
关闭IRQ、FIQ，设置SVC模式
关闭L1 cache，设置L2 cache，关闭MMU
根据OM引脚确定启动方式
在SoC内部SRAM中设置栈
执行 lowlevel_init（初始化系统时钟、SDRAM、串口）
设置开发板供电锁存
设置SDRAM中的栈

_main 函数（BL1→BL2过渡）：

将Uboot从存储介质复制到SDRAM（BL2加载到RAM并跳转）
设置并开启MMU
在SDRAM中合适位置设置栈
清除BSS段，BL1阶段完毕

board_init_r 函数（BL2阶段）：

规划Uboot内存使用
遍历调用 init_sequence 初始化函数数组
初始化堆管理器
初始化SD/MMC控制器
环境变量重定位
目标机硬件设备初始化
控制台初始化
网卡芯片初始化
进入主循环 main_loop（出现Uboot提示符）

4. Linux内核 ⭐⭐

Linux内核主要功能：

功能	说明
进程管理	进程创建/销毁，调度策略，处理器资源共享，进程间通信
内存管理	虚拟地址空间，地址映射，多进程安全共享内存
文件管理	虚拟文件系统（VFS），支持ext3/ext4等数十种文件系统
设备管理	设备驱动程序，每种外设对应特定驱动代码
网络管理	网络协议栈 + 网络设备驱动程序

Linux内核目录结构：

目录	内容
`arch`	架构相关代码（ARM、x86等）
`block`	块设备（SD卡、eMMC、NAND、硬盘等）
`drivers`	驱动程序（`drivers/i2c`、`drivers/gpio`等）
`fs`	文件系统
`init`	初始化代码（含 `main.c` 的 `start_kernel`）
`ipc`	进程间通信
`kernel`	调度器等核心代码
`mm`	内存管理
`net`	网络协议栈

Linux内核启动顺序：

1	内核引导 → 运行init → 系统初始化 → 建立终端 → 用户登录系统

内核编译命令：

# 编译uboot
sudo ./build.sh uboot
# 生成：rk3399_loader_v1.22.119.bin, trust.img, uboot.img

# 编译内核
sudo ./build.sh kernel
# 生成：kernel.img, resource.img, boot.img

内核配置命令：

1
2
3

# 加载实验平台默认配置
make lpkt030_linux_defconfig    # 或 rk3399_defconfig
# 编译后在 arch/arm64/boot/ 目录下生成 Image 镜像

📓 实验5 设备驱动（一）

1. 应用程序与驱动的关系 ⭐⭐⭐

调用流程：

1	应用程序(用户空间) → C库函数(open/read/write) → 系统调用 → 内核空间 → 驱动程序

应用程序运行在用户空间
驱动程序运行在内核空间
用户空间不能直接操作内核，必须通过系统调用陷入内核空间
open、close、write、read 等函数由 C 库提供

2. file_operations 结构体 ⭐⭐⭐

定义位置： include/linux/fs.h

file_operations 是Linux内核驱动操作函数集合

成员	功能
`owner`	拥有该结构体的模块指针，设为 `THIS_MODULE`
`read`	读取设备文件
`write`	向设备文件写入数据
`open`	打开设备文件
`release`	关闭设备文件（对应应用层 `close`）

开发字符设备驱动最主要的工作就是实现 file_operations 中的函数

3. 驱动模块加载与卸载 ⭐⭐⭐

驱动运行方式：

编译进Linux内核：内核启动时自动运行
编译为模块（.ko）：内核启动后使用命令加载（调试时推荐）

模块注册函数：

1 2	module_init(xxx_init); // 注册模块加载函数，insmod时调用xxx_init module_exit(xxx_exit); // 注册模块卸载函数，rmmod时调用xxx_exit

模块加载命令：

1
2
3

insmod drv.ko        # 加载指定模块
modprobe drv.ko      # 加载模块（自动处理依赖）
rmmod drv.ko         # 卸载模块

4. 字符设备注册与注销 ⭐⭐

// 注册字符设备
register_chrdev(major, name, fops);
// major: 主设备号; name: 设备名; fops: file_operations指针

// 注销字符设备
unregister_chrdev(major, name);

设备号：

每个设备有一个设备号，分为主设备号和次设备号
应用程序通过设备号使用设备驱动
主设备号：标识驱动程序（同类驱动共用）
次设备号：标识具体设备实例

创建设备文件：

1	mknod /dev/chrdev c 200 0 # c=字符设备 200=主设备号 0=次设备号

5. 内核空间与用户空间数据传递 ⭐⭐⭐

两个空间不能直接互相访问，必须使用专用函数：

// 内核空间 → 用户空间
unsigned long copy_to_user(void *to, const void *from, unsigned long count);

// 用户空间 → 内核空间
unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long count);

参数	含义
`to`	传递的目标地址
`from`	传递的起始地址
`count`	传递的数据长度
返回值	未成功传递的数据长度

6. 地址映射（MMU） ⭐⭐⭐

MMU（Memory Manage Unit）功能：

虚拟空间到物理空间的映射
内存保护，设置访问权限和缓冲特性

关键概念：

虚拟地址（VA）：CPU访问的地址
物理地址（PA）：实际硬件地址
Linux内核启动时初始化MMU，CPU访问的都是虚拟地址

地址映射函数：

// 物理地址 → 虚拟地址
void __iomem *ioremap(unsigned long phys_addr, size_t size);

// 释放映射
void iounmap(volatile void __iomem *addr);

示例：

// 映射
static void __iomem *PMUGRF_GPIO0A_IOMUX = ioremap(PMUGRF_GPIO0A_IOMUX_BASE, 4);
// 卸载时取消映射
iounmap(PMUGRF_GPIO0A_IOMUX);

7. I/O内存访问函数 ⭐⭐

ARM体系下只有I/O内存（无I/O端口概念）

读操作函数：

函数	位数
`readb(addr)`	8-bit
`readw(addr)`	16-bit
`readl(addr)`	32-bit

写操作函数：

函数	位数
`writeb(value, addr)`	8-bit
`writew(value, addr)`	16-bit
`writel(value, addr)`	32-bit

寄存器操作示例：

// 读-改-写操作
val = readl(PMUGRF_GPIO0A_IOMUX);     // 读取寄存器
val |= (3 << (4+16)) | (0 << 4);       // 修改特定位
writel(val, PMUGRF_GPIO0A_IOMUX);      // 写回寄存器

8. 字符设备驱动开发完整步骤 ⭐⭐

编写驱动代码：实现 file_operations 中的 open/release/read/write
编写Makefile：使用内核构建系统（KDIR指向内核源码目录）
编译驱动：make 生成 .ko 模块文件
编译测试程序：aarch64-linux-gnu-gcc chrdevApp.c -o chrdevApp
加载模块：insmod chrdev.ko
创建设备文件：mknod /dev/chrdev c 200 0
运行测试：./chrdevApp

📝 重点题型总结

简答题：嵌入式系统定义与特点

定义要点： 以应用为中心、计算机技术为基础、软硬件可裁剪、专用计算机系统
特点记忆： 专裁可实低（专用性、可裁剪、可靠性、实时性、低功耗）

简答题：嵌入式处理器分类

MPU（微处理器）需外扩存储器；MCU（微控制器）片上集成CPU+RAM+Flash+I/O；DSP（数字信号处理器）专用于信号处理；SoC（片上系统）高度集成

简答题：ARM处理器工作模式

7种模式： usr（用户）、fiq（快速中断）、irq（外部中断）、svc（管理/复位默认）、abt（中止）、und（未定义指令）、sys（系统）
特权模式： 除usr外的6种；异常模式： fiq、irq、svc、abt、und（各有独立SPSR）

简答题：ARM寄存器

R13=SP（栈指针）、R14=LR（链接寄存器，保存返回地址）、R15=PC（程序计数器）
CPSR（当前状态寄存器）、SPSR（异常模式下保存CPSR副本，5种异常模式各1个）

程序分析题：ARM汇编指令

掌握指令功能识别：MOV（传送）、ADD/SUB（加减）、AND/ORR/BIC/EOR（位运算）、CMP（比较，设标志）、LDR/STR（存储器访问）、B/BL/BX（跳转）、MRS/MSR（状态寄存器访问）、PUSH/POP（栈操作）
LDR寻址辨析： 零偏移[Rn]、前索引[Rn,#off]!、后索引[Rn],#off

简答题：交叉开发环境

宿主机（PC + Linux + 交叉编译工具链）负责编辑编译；目标机（实验箱 + BootLoader + OS）负责运行
在线调试： JTAG（IBM/TI）、BDM（Motorola）

简答题：GCC编译过程

四阶段： 预处理(-E→.i) → 编译(-S→.s) → 汇编(-c→.o) → 链接(→可执行文件)

简答题：rootfs与kernel的关系

完全独立的两个部分。 单独内核无法工作，必须搭配rootfs（包含内核模块、/etc/fstab、/etc/inittab、应用程序、库文件等）

简答题：RK3399启动过程

记忆线索： 上电 → romcode(0xFFFF0000) → 查ID BLOCK(SPI NOR→NAND→eMMC→SD→USB) → BL1(SRAM, DDR初始化) → BL2(DDR, 加载OS) → 启动OS

简答题：Bootloader两种模式

启动加载模式 = 自主模式，从存储设备加载OS，产品发布用；下载模式 = 从主机下载，首次安装和更新用

简答题：BL1/BL2阶段功能

**BL1(汇编)**：硬件初始化 → 准备RAM → 复制BL2 → 设栈 → 跳转C入口
**BL2(C)**：初始化硬件 → 检测内存 → 读内核/根文件系统 → 设启动参数 → 调用内核

简答题：Linux内核主要功能

记忆：进程、内存、文件、设备、网络

简答题：内核空间与用户空间数据传递

copy_to_user = 内核→用户；copy_from_user = 用户→内核；两个空间不能直接访问

简答题：地址映射

ioremap = 物理地址→虚拟地址；iounmap = 释放映射；因为MMU开启后CPU只能访问虚拟地址

简答题：file_operations结构体

是Linux内核驱动操作函数集合，包含 open/read/write/release 等函数指针

简答题：设备号与设备文件

mknod /dev/chrdev c 200 0：c=字符设备，200=主设备号，0=次设备号；应用通过设备号使用驱动

💡 考试提示：

嵌入式系统定义与特点（专用性、可裁剪、可靠性、实时性、低功耗）可能考填空/简答

嵌入式处理器分类（MPU/MCU/DSP/SoC）需区分

ARM工作模式（7种，特别是usr/svc/irq/fiq）可能考简答或选择

ARM寄存器（R13=SP, R14=LR, R15=PC, CPSR/SPSR）必考

ARM指令（MOV/ADD/SUB/CMP/LDR/STR/B/BL/BX/PUSH/POP/MRS/MSR）必考程序分析

LDR寻址方式（零偏移、前索引、后索引）可能考辨析

RK3399启动过程（romcode地址、ID BLOCK查找顺序）必考简答

RK3399 GPIO四步（CRU→GRF→方向→电平）必考

Bootloader两种模式和BL1/BL2功能必考简答

GCC编译过程（预处理→编译→汇编→链接）及编译选项（-c/-o/-g/-O/-l）可能考

Linux内核五大功能必考简答

字符设备驱动开发步骤（加载/卸载、注册/注销、数据传递、地址映射）为实验5重难点

Makefile编写（变量、自动变量、伪目标、内核模块Makefile）可能考简答或写Makefile

根文件系统与内核的独立性可能考简答

ARM异常向量表（7种异常）需记忆地址偏移