一、嵌入式系统的基本概念
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪的专用计算机系统。它的设计目标是满足特定场景下的功能、可靠性、成本、体积和功耗要求。
一个典型的嵌入式系统可以分为三层：
- 应用层（APS）：直接面向用户的业务逻辑，比如智能家居里的灯光控制 APP。
- 操作系统（OS）：管理硬件资源，提供任务调度、内存管理等核心功能。
- 硬件层：由 SoC、存储器、外设等组成，是整个系统的物理基础。
我用的开发板是正点原子的iMX6ULL，它的核心是 ARM Cortex-A7 架构，属于典型的嵌入式开发平台。
二、核心硬件与处理器
1. 计算机硬件系统组成
任何计算机的硬件都可以拆解为五大基本单元：
- 运算器：负责算术和逻辑运算
- 控制器：指挥协调各个部件工作
- 存储器：分为内存（RAM）和外存（Flash 等）
- 输入设备：比如按键、触摸屏
- 输出设备：比如显示屏、LED 灯
2. 常见处理器类型
- CPU：通用型处理器，负责复杂的逻辑控制和计算。
- GPU：图形处理器，专门处理图像渲染。
- MPU：微处理器，偏向处理能力，常用于高性能嵌入式场景。
- MCU：微控制器，集成度高，偏向控制，比如 STM32 系列。
- DSP：数字信号处理器，专门用于高强度数学运算，比如音频处理。
- SoC：片上系统，把 CPU、GPU、外设控制器等集成在一颗芯片上，是现代嵌入式设备的主流选择。
3. CISC vs RISC
- CISC（复杂指令集）：比如 x86 架构，指令集丰富，单条指令功能强大，但硬件复杂度高。
- RISC（精简指令集）：比如 ARM 架构，指令集精简，执行效率高，功耗更低，非常适合嵌入式场景。
三、ARM 架构核心知识
1. ARM 家族与指令集
ARM 处理器家族非常庞大，常见的有：
- 经典 ARM：ARM1~ARM11
- Cortex 系列 ：
- Cortex-A：面向高性能应用（如手机、开发板）
- Cortex-R：面向实时控制场景（如汽车电子）
- Cortex-M：面向微控制器（如 STM32）
指令集版本也从 V1 发展到了 V9，我学习的 Cortex-A7 使用的是 ARMv7 架构，是 32 位的，指令长度为 4 字节。
2. 寄存器与核心模块
- 通用寄存器：R0~R15，其中 R13 是栈指针（SP），R14 是链接寄存器（LR），R15 是程序计数器（PC）。
- 状态寄存器：CPSR（当前程序状态寄存器）和 SPSR（备份程序状态寄存器），用来记录 CPU 的运行状态。
- MMU（内存管理单元）：负责虚拟地址到物理地址的映射，是操作系统实现多任务和内存保护的基础。
- Cache：高速缓存，用来缓解 CPU 和内存之间的速度差距，分为指令 Cache 和数据 Cache。
四、存储器与内存布局
1. RAM 与 ROM
- RAM（随机访问存储器）：易失性存储，断电后数据丢失，但读写速度快，作为系统运行时的内存。
- ROM（只读存储器）：非易失性存储，断电后数据不丢失，用来存放启动代码和固件。
2. 程序的内存布局
一个运行中的程序在内存中会被划分为多个区域：
- 代码段（.text）：存放编译后的机器指令。
- 数据段（.data）：存放已初始化的全局变量。
- BSS 段（.bss）：存放未初始化的全局变量，程序启动时会被清零。
- 堆（Heap）：动态内存分配区域，由程序员手动管理（malloc/free）。
- 栈（Stack）：存放函数的局部变量和调用上下文，由系统自动管理。
3. 栈的工作原理
栈是一种 "后进先出"（LIFO）的数据结构。当函数调用发生时，系统会为该函数创建一个栈帧，里面包含：
- 函数的局部变量
- 函数的返回地址
- 保存的寄存器值
栈的增长方向是从高地址到低地址，栈顶由 SP 寄存器指向。
五、总线与外设
1. 总线结构
嵌入式系统通过总线连接 CPU、内存和外设，常见的总线有：
- AHB（高级高性能总线）：连接高性能设备，如 CPU、内存控制器。
- APB（先进外设总线）：连接低速外设，如 UART、GPIO、I2C 等。
2. 常见外设
- GPIO（通用输入输出）：最基础的外设，可以用来控制 LED、读取按键状态等。
- UART（通用异步收发器）：用于串口通信，比如调试信息输出。
- PWM（脉冲宽度调制）：可以用来控制电机转速、LED 亮度等。
六、流水线技术
为了提高 CPU 的执行效率，ARM 采用了流水线技术。简单来说，就是把一条指令的执行过程拆分成多个阶段（比如预取、译码、执行），让不同的指令在不同的阶段并行执行。