ARM Cortex-A 裸机开发深度解析笔记
一、ARM架构：不仅是CPU，而是一个完整的生态系统
1. 系统分层与裸机开发本质
典型ARM系统软件/硬件分层结构：
应用层(APP) → 系统调用(SYS) → 内核 → 硬件(SoC)裸机开发的核心：
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去除内核层：程序直接在SoC硬件上运行
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需要手动管理：寄存器、栈、外设等所有硬件资源
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完全控制权：无操作系统开销，执行效率最高
SoC组成：
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CPU核心：Cortex-A处理器核心
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外设模块：GPIO、UART、PWM、定时器等
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集成优势：高集成度，适合嵌入式产品量产
2. 关键处理单元对比（明确开发定位）
| 名称 | 全称 | 核心特性 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| CPU | 中央处理器 | 强大的通用计算能力 | 所有嵌入式系统的核心场景 |
| MCU | 微控制器 | 丰富外设、低功耗 | 单片机开发（Cortex-M系列） |
| MPU | 微处理器 | 高性能、需外接外设 | 裸机/Linux开发（Cortex-A系列） |
| SoC | 片上系统 | CPU+外设集成 | 量产嵌入式产品 |
| DSP | 数字信号处理器 | 专注信号处理 | 音视频处理 |
本文重点：Cortex-A系列
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平衡性能和可扩展性
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既是裸机开发基础，也是Linux开发基石
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适合需要较高性能的嵌入式应用
3. RISC架构：ARM指令集的核心优势
RISC（精简指令集） vs CISC（复杂指令集）对比：
| 特性 | RISC (ARM) | CISC (x86) |
|---|---|---|
| 指令长度 | 固定（ARM状态32位） | 可变长度 |
| 执行效率 | 高，单周期执行多数指令 | 相对较低 |
| 内存访问 | 只有LDR/STR访问内存 | 多种内存访问方式 |
| 寄存器 | 丰富的通用寄存器 | 寄存器数量有限 |
| 功耗 | 低功耗设计 | 功耗较高 |
ARM RISC核心特性：
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固定指令长度：ARM状态下统一为32位，解码简单高效
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加载/存储架构：
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只有LDR/STR指令可以访问内存
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其他指令只操作寄存器
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减少内存访问频率，提高效率
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丰富寄存器：16个通用寄存器（r0-r15）
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低功耗设计：适合移动设备和工业控制
二、ARM寄存器系统：程序执行的"基础"
1. 通用寄存器（r0-r15）
| 寄存器 | 核心作用 | 关键注意事项 |
|---|---|---|
| r0-r3 | 函数参数传递、返回值存储 | 可被调用函数修改，无需保护 |
| r4-r12 | 通用数据存储 | 调用函数必须保护（push/pop） |
| r13 (SP) | 栈指针 | 指向当前栈顶，裸机中必须手动初始化 |
| r14 (LR) | 链接寄存器 | 存储函数返回地址，嵌套调用需保护 |
| r15 (PC) | 程序计数器 | 指向当前取指地址，不能手动修改 |
寄存器使用规则：
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调用者保存：r0-r3可由被调函数任意修改
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被调者保存：r4-r12必须由被调函数保存恢复
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特殊寄存器：SP、LR、PC有特殊用途
2. 状态寄存器（CPSR/SPSR）
CPSR（当前程序状态寄存器）：
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所有模式共享，存储核心状态信息
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条件标志位：
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N（负标志）：结果为负时置1
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Z（零标志）：结果为零时置1
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C（进位标志）：加法进位或减法借位时置1
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V（溢出标志）：有符号溢出时置1
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中断禁止位：
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I位：IRQ中断使能控制（1=禁止）
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F位：FIQ中断使能控制（1=禁止）
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模式位：M[4:0]，指定CPU当前工作模式
SPSR（保存的程序状态寄存器）：
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仅特权模式可用
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异常发生时备份CPSR
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异常返回时恢复CPSR
三、核心汇编指令：从数据操作到流程控制
1. 数据传送与移位指令（MOV/LDR）
核心功能：数据在寄存器间、寄存器与内存间移动
; 1. 立即数/寄存器传送（MOV）
mov r1, #0x08 ; r1 = 8（立即数传送，必须符合12位规则）
mov r3, r1 ; r3 = r1（寄存器复制）
mov r4, r1, lsl #2 ; r1左移2位（×4）存入r4（r4=32）
mov r4, r4, lsr #2 ; r4右移2位（÷4）存入r4（r4=8）
mov r4, r1, ror #4 ; r1循环右移4位
; 2. 非法立即数加载（LDR伪指令）
ldr r0, =0x1FB0 ; 0x1FB0违反12位规则，使用LDR加载大立即数关键规则：
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12位立即数规则：立即数必须能被扩展为"偶数位循环右移"的形式
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移位范围：0-31位
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移位类型：
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LSL：逻辑左移，低位补0
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LSR：逻辑右移，高位补0
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ROR：循环右移，移出的位补到高位
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2. 算术逻辑指令（ADD/SUB/CMP）
核心功能：数据运算和比较，S后缀更新CPSR标志
; 1. 算术运算（ADD/SUB）
mov r0, #0xA0 ; r0 = 160
mov r1, #0x08 ; r1 = 8
add r5, r0, #1 ; r5 = 160 + 1 = 161（立即数运算）
add r6, r0, r1 ; r6 = 160 + 8 = 168（寄存器运算）
add r6, r0, r1, lsl #2 ; r6 = 160 + (8×4) = 192（带移位运算）
sub r3, r0, r1 ; r3 = 160 - 8 = 152
adds r3, r0, r1 ; 带S后缀，更新CPSR标志位（N/Z/C/V）
; 2. 比较指令（CMP）→ 实质是"减法但不保存结果，只更新CPSR"
mov r0, #200
mov r1, #100
cmp r0, r1 ; 相当于 subs r0, r1（不改变r0，只更新标志）
movge r3, r0 ; 如果 r0≥r1（N=V），则 r3 = r0
movlt r3, r1 ; 如果 r0<r1（N≠V），则 r3 = r1核心规则：
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非法操作 ：不能直接对两个立即数运算（如
add r0, #3, #2） -
编译优化：常数运算在编译时优化
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条件执行：条件指令依赖CMP或带S后缀的算术指令
3. 位操作指令（BIC/ORR）
核心功能：精确控制寄存器特定位，硬件外设配置的关键
; 1. 清除指定位（BIC：Rd = Rn & ~Operand2）
mov r0, #0xFFFFFFFF ; r0 = 全1
bic r1, r0, #(1 << 15) ; 清除第15位（r1 = 0xFF7FFFFF）
bic r1, r0, r2, lsl #15 ; 使用寄存器移位进行灵活清除
; 2. 设置指定位（ORR：Rd = Rn | Operand2）
orr r4, r1, #(1 << 15) ; 设置第15位（r4 = 0xFFFFFFFF）应用场景：
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GPIO引脚方向配置
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外设寄存器位控制
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修改目标位而不影响其他位
四、程序流程控制：循环与分支指令
循环三要素：
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终止条件：循环何时结束
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迭代步长：每次循环如何变化
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循环体：重复执行的代码
1. while循环（先检查，后执行）
特点：循环次数不确定时使用
mov r0, #1 ; 循环变量 i = 1
mov r1, #0 ; 累加和 sum = 0
loop_label
cmp r0, #1000 ; 检查 i ≤ 1000？
bgt loop_finish ; 如果 i > 1000，退出循环
add r1, r1, r0 ; sum += i（循环体）
add r0, r0, #1 ; i++（迭代步长）
b loop_label ; 跳回循环开始
loop_finish
b loop_finish ; 无限循环暂停（裸机程序无退出机制）2. do-while循环（先执行，后检查）
特点：至少执行一次循环体
mov r0, #1 ; 循环变量 i = 1
mov r1, #0 ; 累加和 sum = 0
do_loop
add r1, r1, r0 ; sum += i（先执行循环体）
add r0, r0, #1 ; i++
cmp r0, #1000 ; 检查 i ≤ 1000？
ble do_loop ; 如果条件满足，继续循环
loop_finish
b loop_finish3. 跳转指令对比
| 指令 | 核心功能 | 应用场景 | 关键区别 |
|---|---|---|---|
| B | 无条件跳转 | 循环、一般分支 | 不保存返回地址 |
| BL | 带返回地址的跳转 | 函数调用 | 自动保存返回地址到LR |
| BX | 带状态切换的跳转 | 函数返回、状态切换 | 支持ARM/Thumb模式切换 |
特殊用法 ：bx lr = 函数返回
五、函数调用与栈机制：裸机开发的核心保障
1. ARM栈模型：满递减栈（FD）
核心规则：
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满栈：入栈前SP指向有效数据，入栈时先减4再存数据
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递减栈：栈指针从高地址向低地址增长
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初始化 ：
ldr sp, =0x40001000（非法立即数需用LDR加载）
栈配置示例：
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栈基地址：0x40001000
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栈大小：0x1000（4KB）
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栈顶随着入栈逐渐减小
2. 完整函数调用流程（含嵌套调用）
(1) 基本函数定义与返回
; 无参数无返回值函数
asm_fun0
mov r0, #10 ; 内部逻辑：r0=10, r1=20
mov r1, #20
bx lr ; 函数返回（LR存放返回地址）(2) 嵌套函数调用（需要LR保护）
; 函数1：返回r0和r1的最大值，嵌套调用asm_fun0
asm_twoNumMax
cmp r0, r1 ; 比较输入参数r0和r1
movge r3, r0 ; 将较大值存入r3
movlt r3, r1
stmfd sp!, {lr} ; 将LR压栈（嵌套调用需要保护LR）
bl asm_fun0 ; 调用asm_fun0（LR自动更新为PC+4）
ldmfd sp!, {lr} ; 恢复LR
bx lr ; 函数返回
; 主函数：初始化栈指针，调用嵌套函数
asm_main
ldr sp, =0x40001000 ; 初始化栈指针（满递减栈）
mov r0, #50 ; 参数1：a=50
mov r1, #20 ; 参数2：b=20
stmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 保存主函数上下文
bl asm_twoNumMax ; 调用嵌套函数
ldmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 恢复主函数上下文
finish
b finish ; 无限循环暂停3. 函数调用核心规则
| 规则项 | 具体内容 |
|---|---|
| 参数传递 | 前4个参数通过r0-r3传递，超过4个使用栈传递 |
| 返回值 | 通过r0返回 |
| 上下文保存 | r4-r12和LR在嵌套调用中必须压栈保护 |
| 栈对齐 | 调用C函数时需8字节对齐，使用preserve8伪指令 |
| 函数返回 | 使用bx lr，嵌套函数需先恢复LR |
调用约定总结：
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调用者责任：保存r0-r3（如果需要）
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被调者责任：保存r4-r12和LR（如果修改）
-
栈平衡：函数返回前必须恢复栈指针
六、裸机开发陷阱指南（关键实践提醒）
1. 立即数合法性陷阱
问题：直接使用非法立即数
; 错误：0x1FB0违反12位规则
mov r0, #0x1FB0 ; 编译错误！
; 正确：使用LDR伪指令
ldr r0, =0x1FB0 ; 编译器会自动处理12位立即数规则详解：
-
立即数必须能被表示为：
8位数值 × 2^(2×n)，其中n=0-15 -
即：高24位全0，低8位为有效数据
-
编译器会将非法立即数转为LDR指令加载
2. 栈初始化陷阱
; 错误：立即数可能非法
mov sp, #0x40001000 ; 可能编译错误
; 正确：使用LDR伪指令
ldr sp, =0x40001000 ; 安全可靠3. 条件指令依赖陷阱
; 错误：条件指令前无标志更新
mov r0, #100
mov r1, #50
movge r2, r0 ; 错误！CPSR标志未更新
; 正确：使用CMP或带S后缀的指令
mov r0, #100
mov r1, #50
cmp r0, r1 ; 更新CPSR标志
movge r2, r0 ; 正确！基于CMP结果4. 函数返回约定
; 常规函数返回
bx lr ; 标准返回方式
; 嵌套函数必须保护LR
nested_function
stmfd sp!, {lr} ; 保存LR
... ; 函数体
ldmfd sp!, {lr} ; 恢复LR
bx lr ; 返回5. 裸机程序终止
无操作系统时的处理方式：
-
无限循环 ：
b finish（最简单） -
低功耗模式：进入WFI/WFE状态
-
等待中断：进入中断等待状态
七、C与汇编混合调用（实践扩展）
1. 汇编调用C函数
汇编端代码：
; 1. 导入C函数（Keil环境）
import c_add
; 2. 栈对齐伪指令（避免编译错误）
preserve8
; 3. 调用流程
asm_call_c
ldr sp, =0x40001000 ; 初始化栈
stmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 保存上下文
mov r0, #1 ; C参数1：a=1
mov r1, #2 ; C参数2：b=2
bl c_add ; 调用C函数
ldmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 恢复上下文
bx lrC端函数：
// C函数定义
int c_add(int a, int b) {
return a + b;
}2. C调用汇编函数
汇编端代码：
; 导出汇编函数
export asm_fun1
asm_fun1
add r0, r0, r1 ; 实现a+b，结果存r0
bx lr ; 返回C端代码：
// 声明汇编函数
extern int asm_fun1(int a, int b);
// 调用汇编函数
int main(void) {
int res = asm_fun1(10, 20); // res = 30
while(1); // 无限循环
return 0;
}3. 混合调用关键规则
| 规则项 | 汇编调用C | C调用汇编 |
|---|---|---|
| 参数传递 | r0-r3传递前4个参数 | r0-r3接收前4个参数 |
| 返回值 | r0接收返回值 | r0返回结果 |
| 栈对齐 | 需要8字节对齐 | 编译器自动处理 |
| 寄存器保护 | 保护r4-r12和LR | 保护必要寄存器 |
| 函数声明 | 使用import伪指令 | 使用export伪指令 |
八、总结：裸机开发核心要点
1. 架构层面
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理解RISC优势：固定指令、加载/存储架构、丰富寄存器
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明确SoC组成：CPU核心 + 外设模块的集成系统
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定位开发层次：去除OS层，直接控制硬件
2. 指令层面
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掌握核心指令：MOV/LDR、ADD/SUB/CMP、BIC/ORR
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理解条件执行：基于CPSR标志的条件分支
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熟练位操作：硬件寄存器配置的关键
3. 流程控制层面
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实现循环结构：while、do-while循环
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掌握函数调用：参数传递、返回值、上下文保护
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理解栈机制：满递减栈的工作方式
4. 实践层面
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避免常见陷阱：立即数、栈初始化、条件依赖
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实现混合编程：C与汇编相互调用
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设计程序结构：裸机环境下的程序组织
5. 核心思维转变
从应用开发 到系统开发的思维转变：
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直接控制硬件：无操作系统抽象层
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手动资源管理：寄存器、栈、内存全手动管理
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极致性能优化：无OS开销，执行效率最高
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完全系统控制：对整个硬件系统有完全控制权
裸机开发的真正价值：
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深入理解硬件：从底层理解计算机工作原理
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系统级调试能力：能够调试最底层的硬件问题
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性能极致优化：无OS开销，发挥硬件最大性能
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特殊应用支持：实时性要求极高或资源极度受限的场景