前言

本讲义内容广泛，但各部分较为简明，旨在帮助你快速掌握嵌入式开发、计算机和数字电路等领域的基础知识。通过下图，你可以直观地了解讲义所涉及的主要内容。

在每次集中培训前，你需要提前完成相应的预学习任务。同时，我们鼓励你根据讲义提前完成培训的所有内容。

预学习一

内容

• 你缺失的那门计算机课——Windows的基本使用
• 复习 C 语言

预计时间

You tell me.

具体内容

• 查看你缺失的那门计算机课网站，学习基础篇和软件篇并完成练习。
• 自行寻找教程复习 C 语言语法。

验收标准

无

鸭蛋开发板开发环境配置

预计时间

1h

具体内容

• 查看鸭蛋文档，完成第三章。

注意事项

• 务必使用 TD5.6.2 版本
• 将 license 文件放到 C:\Anlogic\TD5.6.2\license
• Arduino IDE 使用 2.3.3 版本
• 在 Arduino 开发板管理器中下载 Yadan 的开发环境时，会遇到报错，自行 STFW（Search The Fucking Web）
• RISC-V GCC 工具链使用 v10.1.0-1.1 版本

验收标准

无

程序是如何从C语言编译成计算机可以理解的指令？

如果你想进一步了解这方面的内容，可以阅读《深入理解计算机系统》。

C语言是一种编译型语言，它需要通过编译器将源代码转换为可执行的机器代码。编译过程通常分为以下几个阶段：

1. 预处理（Preprocessing）：

   • 处理所有预处理指令，如#include、#define、以及条件编译指令等。
   • 输出是一个经过预处理的C源文件。

2. 编译（Compilation）：

   • 将预处理后的C代码转换为汇编代码。这一步主要是进行语法分析、语义分析和优化。
   • 输出是对应平台的汇编代码文件。

3. 汇编（Assembly）：

   • 将汇编代码转换为目标机器代码（机器指令）。
   • 输出是目标文件（object file），通常是二进制格式的。

4. 链接（Linking）：

   • 将多个目标文件和库文件结合在一起，形成一个可执行文件。
   • 处理外部符号引用，并将函数和变量地址进行必要的调整。

编译器（如GCC、Clang等）通过这几个阶段将C源代码转换为最终可以在目标平台运行的可执行程序。这个过程涉及语法和语义检查、代码优化等多种复杂技术。

在使用gcc时，你可以分步骤进行编译。以下是每个步骤的命令：

1. 预处理：

   gcc -E source_file.c -o preprocessed_file.i

2. 编译（生成汇编代码）：

   gcc -S preprocessed_file.i -o assembly_file.s

3. 汇编（生成目标文件）：

   gcc -c assembly_file.s -o object_file.o

4. 链接（生成可执行文件）：

   gcc object_file.o -o executable_name

通过这些步骤，可以手动控制编译过程中的每个阶段，并检查各阶段的中间输出。

链接

C语言编程的核心能力之一就是链接OS所提供的库。链接是一种为你的程序添加额外特性的方法，这些特性由其它人在系统中创建并打包。
C中的库有两种基本类型：

静态

你可以使用ar和ranlib来构建它，就像上个练习中的libYOUR_LIBRARY.a那样（Windows下后缀为.lib）。这种库可以当做一系列.o对象文件和函数的容器，以及当你构建程序时，可以当做是一个大型的.o文件。

动态

它们通常以.so（Linux）或.dll（Windows）结尾。这些文件都被构建好并且放置到指定的地方。当你运行程序时，OS会动态加载这些文件并且“凭空”链接到你的程序中。

静态库

构建静态库

1. 编写源文件：创建一个或多个C源文件和相应的头文件。例如，你可以有 foo.c 和 foo.h。

   /* foo.h */
   #ifndef FOO_H
   #define FOO_H
   
   void hello();
   
   #endif

   /* foo.c */
   #include <stdio.h>
   #include "foo.h"
   
   void hello() {
       printf("Hello, World!\n");
   }

2. 编译源文件为目标文件：使用 gcc 或其他C编译器将源文件编译成目标文件（.o 文件）。

   gcc -c foo.c -o foo.o

   这条命令会生成一个名为 foo.o 的目标文件。

3. 创建静态库文件：使用 ar 命令创建一个静态库文件（.a 文件）。

   ar rcs libfoo.a foo.o

   这条命令会把 foo.o 打包成一个名为 libfoo.a 的静态库。

链接静态库

4. 编写使用库的程序：创建一个C程序使用你生成的库。

   /* main.c */
   #include "foo.h"
   
   int main() {
       hello();
       return 0;
   }

5. 编译并链接程序：编译使用静态库的程序，同时链接静态库。

   gcc main.c -L. -lfoo -o main

   这里的 -L. 指定库路径为当前目录，-lfoo 表示链接名为 libfoo.a 的库（lib 和 .a 是默认前缀和后缀，所以只需指定 foo）。

6. 运行程序：编译成功后，直接运行生成的可执行文件 main。

   ./main

   输出应该是：

   Hello, World!

   创建一个动态库（又称共享库）在 C 语言中涉及以下步骤。我们以 Linux 系统为例，使用 gcc 编译器来创建和使用动态库。

动态库

创建动态库

1. 编写源文件：与创建静态库类似，你需要编写源文件和头文件。例如，使用 foo.c 和 foo.h：

   /* foo.h */
   #ifndef FOO_H
   #define FOO_H
   
   void hello();
   
   #endif

   /* foo.c */
   #include <stdio.h>
   #include "foo.h"
   
   void hello() {
       printf("Hello, Dynamic World!\n");
   }

2. 编译源文件为目标文件：编译时使用 -fPIC 选项生成位置无关代码，这对于动态库很重要。

   gcc -c foo.c -fPIC -o foo.o

3. 创建共享库文件：使用 -shared 选项生成动态库（.so 文件）。

   gcc -shared -o libfoo.so foo.o

   这将创建一个名为 libfoo.so 的共享库。

链接和使用动态库

4. 编写使用库的程序：创建一个程序来使用共享库。

   /* main.c */
   #include "foo.h"
   
   int main() {
       hello();
       return 0;
   }

5. 编译并链接程序：编译使用动态库的程序，指定库路径和库名称。

   gcc main.c -L. -lfoo -o main

   命令说明：

   • -L. 指定库路径为当前目录。
   • -lfoo 指定要链接的库为 libfoo.so（lib 和 .so 是约定前缀和后缀）。

6. 运行程序：为了让程序找到并加载共享库，你可以：

   • 设置 LD_LIBRARY_PATH 环境变量，或者，
   • 将共享库复制到系统库路径下，例如 /usr/lib 或 /usr/local/lib。

   使用 LD_LIBRARY_PATH，可以运行：

   export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.
   ./main

   运行后，输出应该是：

   Hello, Dynamic World!

使用鸭蛋的基本姿势

预计时间

1.5h

具体内容

• 查看鸭蛋文档第四章，完成第四章。

注意事项

• 使用 Yadan SOC，你需要下载Yadan SOC的工程文件，自行使用TD生成比特流文件并且烧录。
• 自行 STFW，安装 Python 环境
• 在 4.3.2 编写代码中，你的代码需要在样例空工程中进行编写
• 鸭蛋文档中的4.3.5, 4.3.6不需要阅读

验收标准

• 分别使用 Arduino IDE 和 C 语言从底层点亮 LED 灯

UART串口，PWM，GPIO

UART

通信方式在日常的应用中一般分为串行通信（serial communication）和并行通信（parallel communication）。UART使用的是串行通信。首先我们了解下什么是并行通信，并行通信是指多比特数据同时通过并行线进行传送，一般以字或字节为单位并行进行传输。这种传输方式用的通信线多、成本高。
我们再来了解下串行通信的特点。串行通信是指数据在一条数据线上，一比特接一比特地按顺序传送的方式，这一点与并行通信是不同的。这里我们以传输一个字节（8位）数据为例，在并行通信中，一个字节的数据是在 8 条并行传输线上同时由源地传送到目的地；而在串行通信中，因为数据是在一条传输线上一位接一位地顺序传送的，所以一个字节的数据要分8次进行传送。如果我们以T为一个时间单位的话，那么并行通信发送一个字节的数据只需要1T的时间，而串行通信需要8T的时间，由此可以总结出串行通信
的的特点：一是节省传输线，大大降低了使用成本，二是数据传送速度慢，这一点在大位宽的数据传输上尤为明显。综上可知，串行通信主要应用于长距离、低速率的通信场合。

接口定义

UART的接线很简单，只需要连接两根线就可以发送数据

数据格式

起始位：当不传输数据时，UART数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送UART会将传输线从高电平拉到低电平并保持1个波特率周期。当接收UART检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。
数据帧：数据帧包含所传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是5位到8位。如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是9位。在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。
奇偶校验：奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位，接收 UART 判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。接收 UART读取数据帧后，将计数值为1的位，检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0（偶数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为1（奇数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为0，而总和为奇数，或者奇
偶校验位为1，而总和为偶数，则UART认为数据帧中的位已改变。
停止位：为了表示数据包结束，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1到2位时间。

奇偶检验

你可以阅读我的文章，详细了解如何通过奇偶检验来纠正数据传输中的错误。

波特率

即每秒传输的位数(bit)。一般选波特率都会有9600，19200，115200等选项。其实就是每秒传输这么多个比特位数(bit)。两个设备需要约定好相同的波特率才能进行通讯。

GPIO

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入/输出）是微控制器和其他集成电路上的一种通用引脚，用于实现数字信号的输入和输出。

功能

输入模式：用于读取外部设备的数字信号。例如，按钮状态。
输出模式：用于向外部设备发送数字信号。例如，控制LED亮灭。

例子

在Arduino中，使用pinMode()函数配置引脚为输入或输出；使用digitalWrite()和digitalRead()分别操作输出和读取输入。

PWM

用于模拟信号控制的数字信号技术。通过调节脉冲信号的占空比，可以模拟输出连续的模拟电压。
下图是一个50%占空比的PWM波，假设他的高电压的时候是5V，那么50%占空比就可以等效成5V*50%=2.5V。

使用 Arduino 花式点亮 LED 灯

你将会用到 UART、PWM、GPIO 的知识。

预计时间

4h

具体内容

• 完成鸭蛋文档第五章实验一

注意事项

• 你可能需要使用到GPIO引脚，查看鸭蛋文档1.1获取相关信息

验收标准

• YADAN Board 能通过 UART 串口接收 PC 发送来的参数以调整呼吸灯的效果，如调整亮度。
• 开发板可反馈当前呼吸灯参数给 PC。

最简单的CPU是怎样工作的？

阅读南京大学计算机系统基础实验1.2,2.1

使用 C 语言点亮 LED 灯

你需要学习配置定时器寄存器并点亮 LED 灯。

预计时间

1h

具体内容

• 完成鸭蛋文档第五章实验二

验收标准

• 自己配置寄存器并使 LED 灯闪烁

函数库设计

自己为定时器编写库函数，功能自定。比如写一个：

void Timer_cmp_set(); //设置指定定时器的compare值
void Timer_PRE_set(); //设置指定定时器的预分频值
void Timer_en_set(); // 启用指定定时器
void Timer_value_set(); // 设置指定定时器的值
unsigned int Timer_value_read(); //读取指定定时器的值

预计时间

1h

验收标准

• 看你代码以及运行效果

进阶一（可选）

内容

自由设计

预计时间

You tell me.

具体内容

自由设计你的作品，比如智能（障）小车、温湿度计、指纹门锁。以下为可选参考：

• 温湿度显示系统

  使用 DHT11 温湿度传感器采集温湿度信息，通过 UART 串口发送到 PC 机显示。
  DHT11 是一款单总线通信的温湿度传感器，仅需一个上拉的 GPIO 端口就可以实现数据传输。完成此设计需要了解 DHT11 的通信方式，并编写相应库函数，实现对 DHT11 的驱动。

• 宿舍智能门锁

  使用外接蓝牙模块或者指纹模块，控制舵机转动从而拉动宿舍门锁实现开门。（真的能开门！）
  蓝牙模块或指纹模块均使用UART串口与开发板通讯，舵机通过开发板的PWM信号控制转动的角度。

验收标准

无

预学习二

内容

学习数电与 Verilog

预计时间

You tell me.

具体内容

• 阅读《数字设计和计算机体系结构》第一到四章，学习数电知识和 Verilog 语言
• 使用 USTC 的Verilog OJ练习 Verilog，根据自己情况选择完成，若有基础，可以直接挑选靠后的题目。
• 【从电路设计的角度入门VerilogHDL】 https://www.bilibili.com/video/BV1PS4y1s7XW

验收标准

• USTC OJ 完成题目至 ID60（根据自己情况适当跳过前面题目）

FPGA 点亮 LED 灯

预计时间

4h

具体内容

• 查看文档并完成。

验收标准

• 使用 FPGA 成功点亮 LED 灯

FPGA 使用 PWM 点亮 LED 灯

预计时间

4h

具体内容

• 查看文档并完成。

验收标准

• FPGA 使用 PWM 成功点亮 LED 灯

FPGA 使用旋钮调节灯的亮度

预计时间

4h

具体内容

• 查看文档并完成。

验收标准

• FPGA 使用 PWM 成功点亮 LED 灯

FPGA 使用 UART 串口实现与电脑通讯

预计时间

4h

具体内容

• 查看文档并完成。

验收标准

• 从电脑接收或发送数据，并点亮 LED 灯

进阶二（可选）

内容

一生一芯

预计时间

∞

具体内容

• 一生一芯项目主页

进阶二的小帮助

如何使用 sing-box 加速 GitHub 的访问