ARM嵌入式学习（六） --- ARM基础介绍和相关专业术语讲解

单片机（MCU）：通常将CPU、RAM、ROM、定时器、I/O等集成在一个芯片上，是一个完整的微型计算机系统。例如STM32系列基于Cortex-M内核。
ARM：既可以作为MCU的核心（如Cortex-M），也可以作为应用处理器（MPU）用于高性能设备（如Cortex-A）。ARM本身是处理器内核，需要搭配其他外设才能构成完整系统。

1.3 ARM Cortex系列分类

ARM根据应用场景将Cortex内核分为三个系列：

Cortex-A（Application）：面向消费电子（手机、平板），低功耗
Cortex-R（Real-time）：面向实时控制（汽车、工业），强调快速响应和可靠性。
Cortex-M（Microcontroller）：面向微控制器（IoT、传感器），高能效

二、ARM处理器内部组成（核心部件）

ARM处理器内核主要由以下单元构成，它们协同工作完成指令执行和数据运算。

2.1 运算单元（ALU）

**ALU（运算单元）**是CPU执行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非、异或）的硬件电路。它直接接收来自寄存器的数据，并将结果写回寄存器或内存。

2.2 寄存器组

寄存器是CPU内部最快的存储单元，用于临时存放指令、数据和地址。ARM处理器通常包含以下寄存器：

通用寄存器 R0 ~ R12

用于存储临时数据、变量或地址。R0~R12是32位寄存器（在ARMv7之前），其中R0~R7为低组寄存器，所有指令均可访问；R8~R12为高组寄存器，部分指令可能受限。

程序计数器 PC

PC（Program Counter） 一般指向正在运行的下下条指令，默认做自加运算，复位值为0
复位：CPU上电或复位时，PC被设置为复位向量地址（通常为0），并从该地址开始执行。

链接寄存器 LR

**LR（Link Register）**存储函数的返回地址

栈指针寄存器 SP

SP（Stack Pointer） 指向当前栈顶的地址。

当前程序状态寄存器 CPSR（重点）

CPSR（Current Program Status Register）记录CPU的当前状态，包括：
- 条件标志位：N（负）、Z（零）、C（进位/借位）、V（溢出）
- 中断禁止位：I（IRQ禁止）、F（FIQ禁止）
- 处理器模式位（用户、系统、中断等）
- 大小端控制位（E）

保存程序状态寄存器 SPSR（重点：异常处理和中断）

**SPSR（Saved Program Status Register）保存程序状态寄存器，是CPSR的备份。**当发生异常（如中断）时，硬件自动将当前的CPSR保存到SPSR中，以便异常返回时恢复。每个异常模式都有自己的SPSR。

中断：当外设触发中断，CPU保存当前上下文（自动保存PC到LR、CPSR到SPSR），跳转到中断向量表，执行中断服务程序，最后通过恢复现场返回。

2.3 流水线

现代ARM处理器采用指令流水线 技术（流水线提高了指令吞吐率），将指令执行过程分为多个阶段，使多条指令并行处理。典型的三级流水线包括：

取指（Fetch） ：从内存中读取指令。
解码（Decode） ：解析指令类型和操作数。
执行（Execute） ：ALU运算或访存操作。

2.4 缓存（Cache）

Cache是缓存，访问速率介于寄存器和内存之间，提高程序执行的效率

I-Cache （指令缓存）：缓存指令，减少取指延迟。
D-Cache （数据缓存）：缓存数据，减少访存延迟。
访问速度：寄存器 > Cache > RAM > ROM/Flash。

2.5 内存管理单元（MMU）

MMU（Memory Management Unit） 负责将CPU生成的虚拟地址 转换为物理地址，并实现内存保护、页表管理、权限控制等功能。它是运行Linux等现代操作系统的必备组件。对于不带MMU的Cortex-M系列，则直接使用物理地址。

2.6 协处理器

ARM架构允许通过协处理器扩展功能，例如用于浮点运算的VFP（向量浮点单元）或NEON（SIMD指令集）。协处理器通过专用指令与CPU交互。

三、存储器层次结构

存储器系统遵循"速度越快、价格越贵、容量越小"的层次化设计。

3.1 寄存器

位于CPU内部，速度最快 （一个时钟周期），数量有限（通常十几个到几十个），用于临时存储。

3.2 缓存（Cache）

静态RAM（SRAM）实现，速度快但成本高。分为一级缓存（L1）和二级缓存（L2），部分处理器还有三级缓存（L3）。

3.3 内存（RAM）

RAM在运行时存放程序和数据，掉电后内容丢失。常见类型：

SRAM（静态RAM）：用触发器存储，速度快但集成度低、功耗高，常用于Cache或片内RAM。
DRAM（动态RAM）：用电容存储，需定期刷新，速度较慢但容量大、成本低，用作主存。
SDRAM（同步DRAM）：与CPU时钟同步，提高数据传输效率。
DDR内存：双倍数据率SDRAM，在时钟上升沿和下降沿均传输数据（如DDR3、DDR4）。

3.4 只读存储器（ROM）

ROM掉电后数据不丢失，用于存储固件（如Bootloader）。常见类型：

PROM：可编程一次，出厂后无法修改。
EPROM：可擦除（紫外线照射）并重写，需专用编程器。
EEPROM：电可擦除，可字节级修改，常用于存储少量配置数据。
Flash（闪存） ：**Flash访问速率快，掉电数据不丢失。**现代最常用的非易失存储器，分为NOR Flash（支持随机访问，可芯片内执行）和NAND Flash（高密度，用于存储设备）。

3.5 存储器访问效率对比

寄存器：最快/最贵
Cache：次之
RAM（SDRAM/DDR）：中等速度/价格适中
ROM/Flash：较慢/便宜（但NOR Flash可较快随机读取）

四、系统总线与SOC（片上系统）

现代ARM处理器往往以SOC形式集成，通过总线连接各个模块。

4.1 总线类型

地址总线 ：单向，用于传输地址信息，确定访问的存储单元或外设。
数据总线 ：双向，用于传输数据。
控制总线 ：传输读写控制信号、忙信号、中断请求等。

4.2 AMBA总线协议

ARM公司定义了AMBA（高级微控制器总线架构）标准，常见总线有：

AHB（高速总线）：连接高速模块，如CPU、存储控制器、DMA控制器、LCD控制器等。支持突发传输、流水线操作。
APB（外设（低速）总线）：连接低速外设，如UART、定时器、I2C、ADC控制器等。通过桥接器与AHB相连，简化设计。

4.3 常见外设控制器

存储控制器：管理不同类型存储器（SDRAM、Flash）的时序和地址映射。
LCD控制器：驱动液晶显示屏，生成像素时钟和同步信号。
ADC控制器：模数转换，将模拟信号转换为数字值。
定时器：提供定时、计数、PWM输出等功能。
UART控制器：实现串行通信。

4.4 SOC概念

**SOC（片上系统）**将CPU、内存控制器、总线、外设控制器、甚至GPU等集成在同一芯片上，形成完整的系统。例如手机芯片（骁龙、麒麟）就是复杂的SOC。

五、内核结构与栈

理解程序如何执行是掌握体系结构的关键。

5.1 冯诺伊曼结构与哈佛结构

冯诺伊曼结构 ：指令和数据存放在同一存储器中，通过同一总线访问（如PC和通用寄存器）。结构简单，但可能因总线争用导致瓶颈（冯诺伊曼瓶颈）。
哈佛结构 ：指令和数据分别存放在独立的存储器中 ，有独立的总线，可同时访问，提高效率。现代处理器常采用改进型哈佛结构，即指令Cache和数据Cache分离，但共用外部存储器（如ARM Cortex-M）。

5.2 栈（Stack）详解

栈是内存中一种后进先出的数据结构，用于保存函数调用帧、局部变量、寄存器现场等。栈的操作方向与指针指向方式有多种类型，必须区分清楚：

增栈与减栈

增栈（Ascending Stack） ：栈向高地址方向增长。压栈时SP增加，出栈时SP减小。
减栈（Descending Stack） ：栈向低地址方向增长。压栈时SP减小，出栈时SP增加。ARM默认使用减栈。

空栈与满栈

空栈（Empty Stack）：SP指向下一个空闲位置。压栈时先将数据存入SP指向的地址，然后SP移动；出栈时先移动SP，再取出数据。
满栈（Full Stack）：SP指向最后一个压入的数据（即栈顶元素）。压栈时先移动SP，再将数据存入新位置；出栈时先取出数据，再移动SP。

组合类型（要知道）

满增栈：SP指向最后压入的数据，栈向高地址增长。
空增栈：SP指向下一个空闲位置，栈向高地址增长。
满减栈 ：SP指向最后压入的数据，栈向低地址增长。这是ARM体系结构的默认栈类型（FD，Full Descending）。
空减栈：SP指向下一个空闲位置，栈向低地址增长

六、ARM的基本工作模式与Cortex-A扩展（重点）

七个工作模式和两个扩展模式要记住。

七、多核异构与相关术语

7.1 多核异构

现代复杂SOC常集成多种处理器核心，以平衡性能、功耗和专用计算需求。例如：

ARM Cortex-A + Cortex-M：A核运行操作系统，M核处理实时控制。
ARM + DSP：专用于音频、视频编解码。
ARM + FPGA：提供硬件可重构的加速能力。

7.2 相关术语辨析

CPU：中央处理单元，指处理器核心。
SOC：片上系统，集成CPU、内存、外设等。
MCU ：微控制器，通常指包含CPU、RAM、ROM、外设的单芯片，用于嵌入式控制。
MPU ：微处理器，通常指不带集成外设的高性能CPU（需外接内存和外设）。
DSP：数字信号处理器，针对信号处理算法优化。
FPGA：现场可编程门阵列，硬件可编程，可实现自定义逻辑。

八、扩展知识

8.1 二极管导通

阳极（正极） 接 电源的正极（高电位）。
阴极（负极） 接 电源的负极（低电位）

如何区分二极管的正负极：

看引脚长短（长的为正，短的为负）

看内部结构（小的为正，大的是负）：

8.2 三极管导通

看箭头，PN结得正偏才能导通，PNP是B处低电平导通，NPN是高电平导通

8.3 MOS管导通

也是看箭头

8.4常用ASCII码

大A小a和数字0都要记住（65、97、48）

九、总结

本文从ARM处理器内核出发，逐步扩展到存储器、总线、SOC以及程序执行机制，全面梳理了有关ARM的大部分专业术语 。理解这些概念不仅有助于嵌入式开发，也为深入学习计算机体系结构奠定基础。希望读者能通过本篇文章建立起清晰的知识脉络，并在实践中灵活运用。