ARM学习笔记（一）——基本概念

一、嵌入式系统基本概念

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，适用于对功能、体积、环境、稳定性、可靠性等方面有特定要求的专用计算机系统。

一个完整的计算机系统可以分为：

应用层 APP
    ↓
操作系统 SYS
    ↓
硬件系统

硬件系统主要包括：

运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备

其中：

• 运算器：完成各种算术运算和逻辑运算。

• 控制器：控制计算机各个部件协调工作。

• 存储器：保存程序和数据。

• 输入设备：向计算机输入数据。

• 输出设备：输出计算机处理后的结果。

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二、常见处理器类型

根据不同应用场景，常见的处理器有：

1. CPU

CPU（Central Processing Unit）------中央处理单元

是通用型处理器，主要负责执行程序和完成各种计算任务。

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2. GPU

GPU（Graphics Processing Unit）------图形处理单元

主要用于图形、图像以及大量并行计算任务。

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3. FPU

FPU（Float Processing Unit）------浮点处理单元

主要用于进行浮点数相关的计算。

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4. NPU

NPU（Neural Processing Unit）------神经网络处理单元

主要面向人工智能、神经网络等计算任务。

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5. MPU

MPU（Micro Processing Unit）------微处理器

属于通用处理器，主要用于较复杂的计算和处理任务。

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6. MCU

MCU（Micro Control Unit）------微控制器

也就是我们通常所说的单片机。

特点是：

• 集成度高

• 面向控制

• 通常集成 CPU、存储器、GPIO、定时器、UART、PWM 等外设

例如我们之前学习的：

STC89C52

就属于 MCU。

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7. DSP

DSP（Digital Signal Processing）------数字信号处理

主要面向数字信号处理，例如音频、通信、图像等领域。

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8. SoC

SoC（System On Chip）------片上系统

可以理解为：

将一个完整系统的多个功能模块集成到一块芯片中。

例如一块 SoC 中可能包含：

SoC
├── CPU / ARM Core
├── GPU
├── RAM接口
├── GPIO
├── PWM
├── UART
├── Timer
├── 存储控制器
└── 其他外设

SoC 就像一座城市，其中 CPU、GPU、RAM、GPIO、UART 等分别承担不同的功能。

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三、RAM 与 ROM

1. RAM

RAM（Random Access Memory）------随机存取存储器

主要特点：

1. 可以随机访问

2. 单位存储空间价格相对较高

3. 易失性存储器

4. 读写速度较高

RAM 断电后，保存的数据通常会丢失。

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2. ROM

ROM（Read-Only Memory）------只读存储器

特点：

1. 一般不支持直接随机写入

2. 单位存储空间价格较低

3. 非易失性存储器

4. 读写速度相对较低

ROM 中的数据掉电后仍然可以保存。

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四、ARM体系结构

ARM 是一种非常重要的处理器架构。

X86
ARM
MIPS
RISC-V

这些都属于不同的处理器架构体系。

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1. CISC

CISC（Complex Instruction Set Computer）

即：

复杂指令集计算机

特点是：

• 指令数量较多

• 指令功能较复杂

• 一条指令可以完成相对复杂的操作

  X86

作为 CISC 的典型代表。

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2. RISC

RISC（Reduced Instruction Set Computer）

即：

精简指令集计算机

特点是：

• 指令相对精简

• 指令格式比较规范

• 便于流水线执行

ARM 属于 RISC 类型的处理器架构。

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五、ARM内核与Cortex系列

ARM 内核根据不同应用场景形成不同的 Cortex 系列。

ARM
│
├── Cortex-A
│   └── app（应用）
│
├── Cortex-R
│   └── real-time（实时）
│
└── Cortex-M
    └── MCU（微控制器）

Cortex-A

主要面向：

Application
应用

适合运行比较复杂的操作系统和应用程序。

---

Cortex-R

主要面向：

Real-time
实时系统

强调实时处理能力。

---

Cortex-M

主要面向：

MCU
微控制器

常用于嵌入式控制系统。

---

六、ARM Core基本组成

ARM Core 内部包含多个重要组成部分。

通用寄存器
      │
      ├── ALU
      ├── Cache
      ├── MMU
      └── CPSR

---

1. 通用寄存器

ARM 中有多个通用寄存器：

R0
R1
R2
...
R12
R13
R14
R15

其中：

R13 ------ SP

R13 = SP

SP 即：

Stack Pointer ------ 栈指针

用于指向当前栈的位置。

---

R14 ------ LR

R14 = LR

LR 即：

Link Register ------ 链接寄存器

主要用于保存函数调用或者异常处理过程中需要返回的位置。

---

R15 ------ PC

R15 = PC

PC 即：

Program Counter ------ 程序计数器

用于表示程序当前执行的位置。

---

七、ALU

ALU（Arithmetic Logic Unit）------算术逻辑单元

主要负责：

算术运算
+
-
×
÷

逻辑运算
AND
OR
NOT
XOR

例如：

int a = 100;
int b = 200;

int sum = a + b;

其中：

100 + 200

这样的运算最终需要由处理器中的运算单元完成。

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八、Cache高速缓存

Cache------高速缓存

Cache 位于处理器和主存之间，用于提高处理器访问数据的效率。

• iCache：指令 Cache

• dCache：数据 Cache

基本思想：

CPU
 ↓
Cache
 ↓
RAM

CPU 访问速度通常高于 RAM，因此通过 Cache 保存经常使用的数据和指令，可以减少处理器访问主存的次数。

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九、MMU

MMU（Memory Management Unit）------内存管理单元

主要负责内存地址相关的管理。

物理内存空间
        ↓
      MMU
        ↓
虚拟内存空间

因此可以简单理解为：

MMU 用于完成虚拟地址与物理地址之间的内存管理。

关闭 MMU
↓
物理内存空间

打开 MMU
↓
虚拟内存空间

---

十、ARM中的CPSR和SPSR

1. CPSR

CPSR（Current Program Status Register）

即：

当前程序状态寄存器

用于保存当前程序的状态信息。

---

2. SPSR

SPSR（Saved Program Status Register）

即：

保存程序状态寄存器

主要用于异常处理过程中保存原来的程序状态。

可以简单理解为：

发生异常
   ↓
保存当前状态
   ↓
进入异常处理
   ↓
恢复原来的状态

---

十一、ARM中的SP、LR、PC

这三个寄存器是学习 ARM 时非常重要的内容。

寄存器	名称	作用
R13	SP	栈指针
R14	LR	链接寄存器
R15	PC	程序计数器

记忆方法：

R13 → SP → Stack Pointer
R14 → LR → Link Register
R15 → PC → Program Counter

---

十二、函数调用与栈

程序运行过程中，经常会进行函数调用。

例如：

int fun1(int a, int b)
{
    int sum = 0;
    sum = a + b;
    return sum;
}

int main()
{
    int a = 100;
    int b = 200;
    int sum;

    sum = fun1(a, b);
}

当 main() 调用 fun1() 时，需要使用栈保存函数调用过程中需要的信息。

栈顶
 │
 │   fun1 栈帧
 │
 │
 │   main 栈帧
 │
栈底

每调用一个函数，都可能建立对应的栈帧（Stack Frame）。

例如：

main()
   ↓
调用 fun1()
   ↓
建立 fun1 栈帧
   ↓
执行 fun1()
   ↓
return
   ↓
回到 main()

---

十三、函数调用中的SP和PC

R13(sp)
R15(pc)

其中：

SP
↓
指向当前栈的位置

PC
↓
指向当前程序执行的位置

因此在分析 ARM 程序执行过程时，可以重点观察：

PC：程序执行到了哪里？
SP：当前栈在哪里？
LR：函数执行完以后返回哪里？

---

十四、ARM地址空间与总线

三类总线：

数据总线
地址总线
控制总线

其中：

1. 数据总线

用于传输数据。

例如：

RAM → CPU
CPU → RAM

---

2. 地址总线

用于确定访问哪个地址。

例如：

0x00000000
        ↓
      地址

---

3. 控制总线

用于传输控制信息，例如读、写等控制信号。

因此计算机系统可以简单表示为：

             CPU
              │
    ┌─────────┼─────────┐
    ↓         ↓         ↓
数据总线    地址总线    控制总线
    │         │         │
    └─────────┼─────────┘
              ↓
          RAM / 外设

---

十五、RAM虚拟内存空间

开启 MMU 后，可以使用虚拟内存空间。

课堂图中对 RAM 虚拟内存空间进行了划分，例如：

高地址
┌──────────────┐
│    操作系统  │
├──────────────┤
│     栈区     │
├──────────────┤
│     堆区     │
├──────────────┤
│  未初始化区  │
├──────────────┤
│     数据段   │
├──────────────┤
│     代码段   │
└──────────────┘
低地址

其中重点理解：

代码段

保存程序代码。

数据段

保存已经初始化的全局变量、静态变量等数据。

未初始化区

用于保存未初始化的数据。

堆区

用于动态分配的内存。

栈区

用于函数调用、局部变量等。

---

十六、C语言程序的编译过程

编译过程：

main.c
  ↓
预处理
  ↓
main.i
  ↓
编译
  ↓
main.s
  ↓
汇编
  ↓
main.o
  ↓
链接
  ↓
main.out

---

1. 预处理

gcc -E main.c -o main.i

主要完成：

• 头文件展开

• 宏替换

• 条件编译等

---

2. 编译

gcc -S main.i -o main.s

将 C 语言代码转换为汇编代码。

---

3. 汇编

gcc -c main.s -o main.o

将汇编代码转换成目标文件。

---

4. 链接

gcc main.o -o main.out

将目标文件以及相关库进行链接，最终生成可执行程序。

---

十七、三段流水线

课堂最后介绍了三级流水线。

基本分为：

取指 → 译码 → 执行

即：

第一阶段：预取/取指
第二阶段：译码
第三阶段：执行

多条指令可以同时处于不同阶段。

例如：

指令1：取指 → 译码 → 执行
指令2：       取指 → 译码 → 执行
指令3：              取指 → 译码 → 执行

形成流水线以后，可以提高处理器指令执行的效率。

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十八、AHB和APB

ARM 系统中的总线：

AHB

AHB（Advanced High-performance Bus）

即高级高性能总线。

主要用于连接系统中对性能要求较高的模块。

---

APB

APB（Advanced Peripheral Bus）

即高级外设总线。

主要用于连接一些低速外设。

可以简单理解为：

高速/高性能模块
      ↓
     AHB
      ↓
   系统内部

低速外设
      ↓
     APB
      ↓
GPIO、UART等外设

---