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免费智能真题库 > 历年试卷 > 嵌入式系统设计师 > 2021年上半年 嵌入式系统设计师 下午试卷 案例
  第5题      
  知识点:   SPI   编译器   大端模式和小端模式   函数指针   设备驱动程序   数组   指针

 
【说明】
计算机系统中以字节为单位存储信息,每个地址单元都对应着一个字节。但是在C程序中除了8bit的char型数据外,还有16bit的short型、32bit的int型及long型(要看具体的编译器)。另外,对于16位或者32位的处理器,由于寄存器宽度为多个字节,那么必然存在如何安排多个字节的问题,因此就导致了大端(Big-endian)存储模式和小端(Little-endian)存储模式。问题1是关于大端模式和小端模式方面的问题。
在C语言中,可以用指针变量指向整型变量、字符串、数组、结构变量,也可以指向一个函数,对指针的用法非常灵活,也很容易出错。其中,函数指针变量为较高级的用法。问题2是将函数指针变量应用于设备驱动程序中的问题。
飞腾FT2000-4国产处理器的OSPL(Ouad Serial Peripheral Interface),是为外接SPL设备所提供的专用接口,问题3是用C语言编写的关于OSPI设备驱动的部分操作的问题。
 
问题:5.1   对于一个32bit的十六进制整数0x12345678,在Little-endian模式以及Big-endian模式内存中的存储方式(假设从地址0x8000开始存放)如表5-1所示。请完成表5-1的内容,填写由0x8000到0x8003字段中大端模式和小端模式下的值。

 
问题:5.2   请用C语言的函数指针变量,对manage_device函数进行改造,填写下面C语言代码中的(1)~(4)处的代码,将解答填入答题纸的对应栏内。

 
问题:5.3   在飞腾FT2000-4国产处理器上,李工利用 QSPI(Quad Serial Peripheral Interface)接口外接SPI Flash 芯片,设计了针对该SPIFlash的擦除换作函数。
SPI Flash的擦除操作函数实现流程分为2步。
第一步:先对QSPI中的CMD_PORT寄存器的[31:24]位写入使能命令,并置位bit22;再对QSPI中的LD_PORT寄存器写入0x01。
第二步:先对QSPI中的CMD_PORT寄存器的[31:24]位写入Flash擦除命令,并置位bit22和bit15;再对ADDR_PORT寄存器中写入要擦除的地址;最后对LD_PORT寄存器写入0x01。
飞腾FT2000-4国产处理器的QSPI中的CMD_PORT、ADDR_PORT、LD_PORT三个寄存器各个bit 位对应含义如下表5-2、表5-3和表5-4所示。

李工设计的QSPI Flash擦除函数代码如下:


 
 
 

   知识点讲解    
   · SPI    · 编译器    · 大端模式和小端模式    · 函数指针    · 设备驱动程序    · 数组    · 指针
 
       SPI
               SPI概述
               串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)总线系统是一种同步串行外设接口,它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI有三个寄存器分别为:控制寄存器SPCR、状态寄存器SPSR、数据寄存器SPDR。外围设备包括FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。
               SPI接口特点
               SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,该接口一般使用4条线:串行时钟线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线NSS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。
               接口信号特点:
               .MOSI:主器件数据输出,从器件数据输入;
               .MISO:主器件数据输入,从器件数据输出;
               .SCLK:时钟信号,由主器件产生,最大为fPCLK/2,从模式频率最大为fCPU/2;
               .NSS:从器件使能信号,由主器件控制,有的IC会标注为CS(Chip Select)。
 
       编译器
        编译阶段要做的工作是用交叉编译或汇编工具处理源代码,产生目标文件。在嵌入式系统中,宿主机和目标机所采用的处理器芯片通常是不一样的。例如,目标机采用的CPU是DragonBall M68x系列或ARM系列,而宿主机采用的是x86系列。因此,为了把宿主机上编写的高级语言程序编译成可以在目标机上运行的二进制代码,就需要用到交叉编译器。
        与普通PC中的C语言编译器不同,嵌入式系统中的C语言编译器要进行专门的优化,以提高编译效率。一般来说,优秀的嵌入式C编译器所生成的代码,其长度和执行时间仅比用汇编语言编写的代码长5%~20%。编译质量的不同,是区别嵌入式C编译器工具的重要指标。因此,硬件厂商往往会针对自己开发的处理器的特性来定制编译器,既提供对高级语言的支持,又能很好地对目标代码进行优化。
        GNU C/C++(gcc)是目前比较常用的一种交叉编译器,它支持非常多的宿主机/目标机组合。宿主机可以是Unix、AIX、Solaris、Windows、Linux等操作系统,目标机可以是x86、Power PC、MIPS、SPARC、Motorola 68K等各种类型的处理器。
        gcc是一个功能强大的工具集合,包含了预处理器、编译器、汇编器、连接器等组件。它在需要时会去调用这些组件来完成编译任务,而输入文件的类型和传递给gcc的参数决定了它将调用哪些组件。对于一般或初级的开发者,它可以提供简单的使用方式,即只给它提供C源码文件,它将完成预处理、编译、汇编、连接等所有工作,最后生成一个可执行文件。而对于中高级开发者,它提供了足够多的参数,可以让开发者全面控制代码的生成,这对于嵌入式系统软件开发来说是非常重要的。
        gcc识别的文件类型主要包括:C语言文件、C++语言文件、预处理后的C文件、预处理后的C++文件、汇编语言文件、目标文件、静态链接库、动态链接库等。以C程序为例,gcc的编译过程主要分为4个阶段:
        (1)预处理阶段,即完成宏定义和include文件展开等工作;
        (2)根据编译参数进行不同程度的优化,编译成汇编代码;
        (3)用汇编器把上一阶段生成的汇编码进一步生成目标代码;
        (4)用连接器把上一阶段生成的目标代码、其他一些相关的系统目标代码以及系统的库函数连接起来,生成最终的可执行代码。
        用户可以通过设定不同的编译参数,让gcc在编译的不同阶段停止下来,这样可以检查编译器在不同阶段的输出结果。
        在gcc的高级用法上,一般希望通过使用编译器达到两个目的:检查出源程序的错误;生成速度快、代码量小的执行程序。这可以通过设置不同的参数来实现,例如,“-Wall”参数可以发现源程序中隐藏的错误;“-O2”参数可以优化程序的执行速度和代码大小;“-g”参数可以对执行程序进行调试。
 
       大端模式和小端模式
        在计算机系统中是以字节为单位存储信息的,每个地址单元都对应着一个字节(8bit)。但是在C程序中除了8bit的char型数据外,还有16bit的short型、32bit的int型及long型(要看具体的编译器)。另外,对于16位或者32位的处理器,由于寄存器宽度为多个字节,那么必然存在着如何将多个字节安排的问题。因此就导致了大端(Big-endian)存储模式和小端(Little-endian)存储模式。
        大端模式就是高位字节存储在内存的低地址端,低位字节存储在内存的高地址端。
        小端模式就是低位字节存储在内存的低地址端,高位字节存储在内存的高地址端。
        常用CPU中的PowerPC、IBM、Sun、KEIL C51采用大端模式,X86、DEC采用小端模式,很多ARM、DSP为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式。
        一般操作系统是小端模式,而通信协议是大端模式。另外,Java和所有的网络通信协议都是使用大端模式的编码。
        例如,对于一个32bit的十六进制整数0x12345678,在Little-endian模式以及Big-endian模式内存中的存储方式(假设从地址0x4000开始存放)如下表所示。
        
        大端模式和小端模式存储示例
 
       函数指针
        在C程序中,可以将函数地址保存在函数指针变量中,然后用该指针间接调用函数。例如:
        
        该语句定义了一个名称为Compare的函数指针变量,用于保存任何有两个常量字符指针形参、返回整型值的函数的地址(函数的地址通常用函数名表示)。例如,Compare可以指向字符串运算函数库中的函数strcmp。
        
        函数指针也可以在定义时初始化:
        
        将函数地址赋给函数指针时,其参数和类型必须匹配。
        若有函数定义int strcmp(const char*,const char*);则strcmp能被直接调用,也能通过Compare被间接调用。下面三个函数调用是等价的:
        
 
       设备驱动程序
        设备驱动程序是直接同输入/输出设备交互,直接对它们进行控制的软件模块。设备驱动程序的基本任务就是接收来自于上层I/O软件的抽象请求,并且去执行这个请求。例如,抽象的读操作、写操作、设备的初始化操作等。上层的I/O软件通过这些抽象的函数接口与设备驱动程序打交道,这些接口是标准的、稳定不变的。而硬件设备的具体细节被封装在设备驱动程序里面。这样,即使硬件设备发生了变化,只要更新相应的设备驱动程序即可,不会影响到上层软件对它的使用。
        设备驱动程序与具体的设备类型密切相关。每一个I/O设备都需要相应的设备驱动程序,而每一个设备驱动程序一般也只能处理一种类型的设备。因为对于不同类型的设备,它们的控制方式是不同的。例如,对于一个鼠标驱动程序来说,它需要从设备控制器中读取各种各样的信息,包括鼠标移动的位置、哪一个键被按下了等等。而对于一个磁盘驱动程序来说,它为了进行磁盘的读写操作,就必须知道扇区、磁道、柱面、磁头等各种各样的参数,并使用这些参数来控制磁盘控制器。
        一般而言,在具体实现一个设备驱动程序的时候,可以采用一种通用的结构。
        (1)检查输入的参数是否有效,如果无效,就返回一个出错报告;如果有效,就把输入的抽象参数转换为控制设备所需要的具体参数。
        (2)检查设备当前是否空闲,如果设备正忙,那么这一次的I/O请求就暂时没法完成,因此把它加入等待队列,稍后再处理。如果设备空闲,再检查硬件的状态,看是否具备了运行的条件。
        (3)设备驱动程序向设备控制器发出一连串的命令,即把这些命令写入到控制器的各个寄存器当中。
        (4)在发出控制命令后,如果这个I/O操作需要一定的处理时间,不能马上完成,那么驱动程序就会把自己阻塞起来,直到I/O操作完成。这时会发生一个中断,在这个中断处理程序里面把驱动程序唤醒。
        (5)I/O操作完成后,驱动程序还要检查出错情况。若一切正常,就返回一些状态信息给调用者。如果这是一个输入操作,还要把输入的数据上传给上一层的系统软件。
        事实上,实时内核的I/O系统的作用就像一个转换表,把用户对I/O的请求转换到相应的设备驱动程序。这样,驱动程序就能获得最原始的用户请求,并对设备进行操作。
 
       数组
        数组是一种集合数据类型,它由多个元素组成,每个元素都有相同的数据类型,占有相同大小的存储单元,且在内存中连续存放。每个数组有一个名字,数组中的每个元素有一个序号(称为下标),表示元素在数组中的位序(位置),数组的维数和大小在定义数组时确定,程序运行时不能改变。
        一维数组的定义形式为:
        
        其中,“类型说明符”指定数组元素的类型;“数组名”的命名规则与变量相同;“常量表达式”的值表示数组元素的个数,必须是一个正整数。例如:
        
        在C程序中,数组元素的下标总是从0开始的,如果一个数组有n个元素,则第一个元素的下标是0,最后一个元素的下标是n-1。例如,在上面定义的temp数组中,第一个元素是temp[0],第二个元素是temp[1],以此类推,最后一个元素是temp[99]。访问数组元素的方法是通过数组名及数组名后的方括号中的下标。例如:
        
        程序员需确保访问数组元素时下标的有效性,访问一个不存在的数组元素(例如temp[100]),可能会导致严重的错误。
        定义数组时就给出数组元素的初值,称之为初始化,数组的初始化与简单变量的初始化类似。初值放在一对花括号中,各初值之间用逗号隔开,称为初始化表。例如:
        
        对于没有给出数组元素个数而给出了初始化表的数组定义,编译器会根据初值的个数和类型,为数组分配相应大小的内存空间。初始化表中值的个数必须小于或等于数组元素的个数。
        对于“int primes[10]={1,2,3,5,7};”,前5个数组元素的初值分别为1,2,3,5,7,后5个元素的初值都为0。
        二维数组可视为是一个矩阵,定义形式为:
        
        其中,“类型说明符”指定数组元素的类型,“常量表达式1”指定行数,“常量表达式2”指定列数。例如,可以定义一个二维数组:
        
        这个数组在内存中占用能存放12个double型数据且地址连续的存储单元。
        C语言中二维数组在内存中按行顺序存放。
        可以用sizeof计算数组空间的大小,即字节数。例如,
        
        二维数组可以看作元素是一维数组的一维数组,三维数组可看作元素是二维数组的一维数组,以此类推。
 
       指针
        简单来说,指针是内存单元的地址,它可能是变量的地址、数组空间的地址,或者是函数的入口地址。存储地址的变量称为指针变量,简称为指针。指针是C语言中最有力的武器,能够为程序员提供极大的编程灵活性。
               指针的定义
               指针类型的变量是用来存放内存地址的,下面是两个指针变量的定义:
               
               变量ptr1和ptr2都是指针类型的变量,ptr1用于保存一个整型变量的地址(称ptr1指向一个整型变量),ptr2用于保存一个字符型变量的地址(称ptr2指向一个字符变量)。
               使用指针时需明确两个概念:指针对象和指针指向的对象。指针对象是明确命名的指针变量,如上例中的ptr1、ptr2;指针指向的对象是另一个变量,用“*”和指针变量联合表示,如上例中的整型变量*ptr1和字符变量*ptr2,由于上面的定义中未对ptr1和ptr2进行初始化,它们的初始值是随机的,也就是*ptr1和*ptr2可视为并不存在。
               借助指针变量可以针对指定的地址进行操作,例如,设置地址为0x1234开始的存储空间存放一个整型变量的值0x5678,代码如下。
               
               定义指针变量时需要在每个变量名前加“*”,如下:
               
                      指针的加减运算
                      对指针变量进行加减运算时,是以指针所指向的数据类型存储宽度为单位计算的。
                      例如,下面的指针p和s在进行加1运算时有不同的结果。
                      
                      p+1实际上是按照公式p+1*sizeof(int)来计算的,s+1则是按照s+1*sizeof(char)进行计算。
                      空指针
                      标准预处理宏NULL(它的值为0,称为空指针常量)常用来表示指针不指向任何内存单元,可以把NULL赋给任意类型的指针变量,以初始化指针变量。例如:
                      
                      需要注意:全局指针变量会被自动初始化为NULL,局部指针变量的初始值是随机的。编程时常见的一个错误是没有给指针变量赋初值。未初始化的指针变量可能表示了一个非法的地址,导致程序运行时出现内存访问错误,从而使程序异常终止。
                      “&”和“*”
                      “&”称为地址运算符,其作用是获取变量的地址。“*”称为间接运算符,其作用是获取指针所指向的变量。
                      例如,下面的语句“pa=&b;”执行后,变量pa就得到了b的地址(称为指针pa指向b),*pa表示pa指向的变量(也就是变量b)。
                      例如:
                      
                      在上面的例子中,通过指针pa修改了变量b的值,本质上是对b的间接访问。在程序中通过指针访问数据对象或函数对象,提供了运算处理上的灵活性。
                      如果指针变量的值是空指针或者是随机的,通过指针来访问数据就是一种错误(在编译时报错,或者在运行时发生异常),下面的语句会产生一个运行时错误(vp可能表示了一个非法的地址,因此它所指向的对象*vp也是非法的)。
                      
                      void*类型可以与任意的数据类型匹配。void指针在被使用之前,必须转换为明确的类型。例如:
                      
                      指针与堆内存
                      在程序运行过程中,堆内存能够被动态地分配和释放,在C程序中通过malloc(或calloc、realloc)和free函数实现该处理要求。
                      例如:
                      
                      在堆中分配的内存块的生存期是由程序员自己控制的,应在程序中显式地释放。例如:
                      
                      注意:指针为空(指针值为0或NULL)时表示不指向任何内存单元,因此释放空指针没有意义。
                      因为内存资源是有限的,所以若申请的内存块不再需要就及时释放。如果程序中存在未被释放(由于丢失其地址在程序中也不能再访问)的内存块,则称为内存泄漏。持续的内存泄漏会导致程序性能降低,甚至崩溃。嵌入式系统存储空间非常有限,一般情况下应尽量采用静态存储分配策略。
               指针与数组
                      通过指针访问数组元素
                      在C程序中,常利用指针访问数组元素,数组名表示数组在内存中的首地址,即数组中第一个元素的地址。可以通过下标访问数组元素,也可以通过指针访问数组元素。
                      例如:
                      
                      数组arr的元素可以用*ptr、*(ptr+1)、*(ptr+2)、*(ptr+3)来引用。
                      数组名是常量指针,数组名的值不能改变,因此arr++是错误的,而ptr++是允许的。例如,下面的代码通过修改指针ptr来访问数组中的每个元素。
                      
                      一般情况下,一个int型变量占用4个字节的内存空间,一个char型变量占用一个字节的空间,所以str是字符指针的话,str++就使str指向下一个字符;而整型指针ptr++则使ptr指向下一个int型整数,即指向数组的第二个元素。
                      可以用指针访问二维数组元素。例如,对于一个m行、n列的二维整型数组,其定义为
                      
                      由于二维数组元素在内存中是以线性序列方式存储的,且按行存放,所以用指针访问二维数组的关键是如何计算出某个二维数组元素在内存中的地址。二维数组a的元素a[i][j](ii][j]之前的元素所占空间形成的偏移量,概念上表示为a+(i×n+j)*sizeof(int),在程序中需要表示为(&a[0][0]+i×n+j)。
                      通过指针访问字符串常量
                      可将指针设置为指向字符串常量(存储在只读存储区域),通过指针读取字符串或其中的字符。例如,
                      
                      不允许在程序运行过程中修改字符串常量。例如,下面代码试图通过修改字符串的第2个字符将“hello”改为“hallo”,程序运行时该操作会导致异常,原因是str指向的是字符串常量“hello”,该字符串在运行时不能被修改。
                      
                      如果用const进行修饰,这个错误在编译阶段就能检查出来,修改如下:
                      
                      指针数组
                      如果数组的元素类型是指针类型,则称之为指针数组。下面的ptrarr是一维数组,数组元素是指向整型变量的指针。
                      
                      若需要动态生成二维整型数组,则传统的处理方式是先设置一个指针数组arr2,然后将其每个元素的值(指针)初始化为动态分配的“行”。
                      
                      指针运算
                      在C程序中,对指针变量加一个整数或减一个整数的含义与指针指向的对象有关,也就是与指针所指向的变量所占用存储空间的大小有关。例如:
                      
                      常量指针与指针常量
                      常量指针是指针变量指向的对象是常量,即指针变量可以修改,但是不能通过指针变量来修改其指向的对象。例如,
                      
                      指针常量是指针本身是个常量,不能再指向其他对象。
                      在定义指针时,如果在指针变量前加一个const修饰符,就定义了一个指针常量,即指针值是不能修改的。
                      
                      指针常量定义时被初始化为指向整型变量d。p本身不能修改(即p不能再指向其他对象),但它所指向变量的内容却可以修改,例如,*p=5(实际上是将d的值改为5)。
                      区分常量指针和指针常量的关键是“*”的位置,如果const在“*”的左边,则为常量指针,如果const在“*”的右边则为指针常量。如果将“*”读作“指针”,将const读作“常量”,内容正好符合。对于定义“int const *p;”p是常量指针,而定义“int* const p;”p是指针常量。
               指针与函数
               指针可以作为函数的参数或返回值。
                      指针作为函数参数
                      函数调用时,用指针作为函数的参数可以借助指针来改变调用函数中实参变量的值。以下面的swap函数为例进行说明,该函数的功能是交换两个整型变量的值。
                      
                      若有函数调用swap(&x,&y),则swap函数执行后两个实参x和y的值被交换。函数中参与运算的值不是pa、pb本身,而是它们所指向的变量,也就是实参x、y(*pa与x、*pb与y所表示的对象相同)。在调用函数中,是把实参的地址传送给形参,即传送&x和&y,在swap函数中指针pa和pb并没有被修改。
                      如果在被调用函数中修改了指针参数的值,则不能实现对实参变量的修改。例如,下面函数get_str中的错误是将指针p指向的目标修改了,从而在main中调用get_str后,ptr的值仍然是NULL。
                      
                      将上面的函数定义和调用作如下修改,就可以修改实参ptr的值,使其指向函数中所申请的字符串存储空间。
                      
                      函数调用为:get_str(&ptr);
                      用const修饰函数参数,可以避免在被调用函数中出现不当的修改。例如:
                      
                      其中,from是输入参数,to是输出参数,如果在函数strcpy内通过from来修改其指向的字符(如*from='a'),编译时将报错。
                      若需要使指针参数在函数内不能修改为指向其他对象,则可如下修饰指针参数。
                      
                      指针作为函数返回值
                      函数的返回值也可以是一个指针。返回指针值的函数的一般定义形式是:
                      
                      例如,如下进行函数定义和调用,可以降低函数参数的复杂性。
                      
                      函数调用为:ptr=get_str();
                      注意:不能将具有局部作用域的变量的地址作为函数的返回值。这是因为局部变量的内存空间在函数返回后即被释放,而该变量也不再有效。
                      例如,下面函数被调用后,变量a的生存期结束,其存储空间(地址)不再有效。
                      
                      函数指针
                      在C程序中,可以将函数地址保存在函数指针变量中,然后用该指针间接调用函数。例如:
                      
                      该语句定义了一个名称为Compare的函数指针变量,用于保存任何有两个常量字符指针形参、返回整型值的函数的地址(函数的地址通常用函数名表示)。例如,Compare可以指向字符串运算函数库中的函数strcmp。
                      
                      函数指针也可以在定义时初始化:
                      
                      将函数地址赋给函数指针时,其参数和类型必须匹配。
                      若有函数定义int strcmp(const char*,const char*);则strcmp能被直接调用,也能通过Compare被间接调用。下面三个函数调用是等价的:
                      
               指针与链表
               指针是C语言的特色和精华所在,链表是指针的重要应用之一,创建、查找、插入和删除结点是链表上的基本运算,需熟练掌握这些运算的实现过程,其关键点是指针变量的初始化和在链表结点间的移动处理。
               以元素值为整数的单链表为例,需要先定义链表中结点的类型,下面将其命名为Node,而LinkList则是指向Node类型变量的指针类型名。
               
               当p指向Node类型的结点时,涉及两个指针变量:p和p->next,p是指向结点的指针,p->next是结点中的指针域,如下图(a)所示;运算“p=p->next;”之后,p指向下一个结点;如下图(b)所示;运算“p->next=p;”之后,结点的指针域指向结点自己,如下图(c)所示。
               
               指向结点的指针运算示例
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