嵌入式学习——ARM(1)

一、嵌入式系统

嵌入式：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。

设计时根据用户需求权衡：功耗、体积、环境、稳定性、可靠性。

典型分层（自底向上）：

层级	说明
硬件系统	处理器 + 存储器 + 外设
操作系统 SYS	内核、驱动
应用层 APP	具体业务程序

二、计算机系统组成

计算机系统 = 硬件系统 + 软件系统

软件系统 = 应用软件 + 系统软件

计算机硬件系统五大组成：

运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备

其中存储器又可细分为：ROM、RAM、Cache、Register（寄存器）。

三、常见处理器分类

缩写	全称	中文	特点
CPU	Central Processing Unit	中央处理单元	强大的通用型处理器
GPU	Graphics Processing Unit	图形处理单元	擅长图形运算
FPU	Float Processing Unit	浮点运算单元	负责浮点运算
NPU	Neural Processing Unit	神经网络处理器	擅长 AI / 神经网络运算

嵌入式领域专用处理器：

MPU（Micro Processing Unit，微处理器）：通用型，偏向处理
MCU（Micro Controller Unit，微控制器）：集成度高，偏向控制（即"单片机"------单片微型计算机系统）
DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）：为高强度数学运算而设计的专用芯片
SoC（System on Chip，片上系统）：一种集成和设计的理念------像一张蓝图，把"市政府（MPU）、警察局（MCU）、研究所（DSP）、机场（调制解调器）"放在同一片土地（芯片）上，形成一个功能完善的城市

SoC 内部通常集成： 内核（kernel1 / kernel2）、GPIO、PWM、UART、timer、硬盘控制器等。

四、RAM 与 ROM 对比

对比项	RAM（随机访问存储器）	ROM（只读存储器）
直接寻址	✅ 可被处理器直接寻址	❌ 一般不可直接寻址
单位价格	高	低
掉电保持	易失性存储器	非易失性存储器
读写速率	高	低

五、指令集架构：CISC vs RISC

主流架构：X86、ARM、MIPS、RISC-V

CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集架构） ：代表 X86（X64 是 X86 的 64 位扩展）
RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集架构） ：代表 ARM

二八定律：2*4 <=> 2+2+2+2------80% 的时间只在执行 20% 的指令，因此精简指令集把常用指令做快，少见指令尽量少而精。

六、ARM 指令集与内核系列

指令集版本：V1 ~ V4 ~ V9，常见有 V4、V5、V7、V9
内核型号：ARM1 ~ ARM11

ARM Cortex 三大系列：

系列	定位	对应处理器
Cortex-A	应用级（App）	MPU
Cortex-R	实时（Real-time）	实时控制
Cortex-M	微控制器（MCU）	MCU

七、ARM 核心结构

机器字长：ARM kernel 为 32 bit（4 字节）

通用寄存器（R0 ~ R15）：

R0、R1、R2 ...（通用目的）
R13 = sp（stack pointer）：栈顶指针寄存器
R14 = lr（link register）：链接寄存器
R15 = pc（program counter）：程序计数器

关键单元：

ALU（Arithmetic Logical Unit）：算术逻辑单元
Cache（高速缓存） ：
- iCache（指令缓存）：打开
- dCache（数据缓存）：关闭
MMU（Memory Management Unit，内存管理单元） ：负责物理内存空间 ↔ 虚拟内存空间 的地址转换；可关闭 MMU
CPSR（Current Program Status Register）：当前程序状态寄存器
SPSR（Saved Program Status Register）：备份程序状态寄存器

八、总线

数据总线：32 根
地址总线 ：32 根，寻址范围 0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF
控制总线：若干根

九、虚拟内存布局（从高地址到低地址）

复制代码

0xFFFF FFFF
┌──────────────┐
│  操作系统内核  │
├──────────────┤
│    栈 区      │  ← 向下生长
├──────────────┤
│    堆 区      │  ← 向上生长
├──────────────┤
│  已初始化数据 │
├──────────────┤
│  未初始化数据 │
├──────────────┤
│    静态 区    │
├──────────────┤
│    代码 段    │
0x0000 0000    │
                │
   RAM（1G）    │   ROM（nor flash）
                └──────────────┘

十、函数调用与栈帧

示例代码：

c 复制代码

int fun0(int a, int b) {        // 0x2000
    if (a > b) return a;
    if (a <= b) return b;
}

int fun1(int a, int b) {        // 0x4000
    int sum = 0;
    sum = a + b;
    return sum;
}

int main() {                    // 0x1000
    int a = 100;
    int b = 200;
    bl 0x2000(a, b);
    sum = a + b;
}

调用过程中寄存器值：

R13 = sp
R14 = lr = 0x3000 + 4
R15 = pc = 0x3004

栈帧（从栈底到栈顶）：

栈底：main 帧（a = 100，b = 200）
中间：fun0 帧
栈顶：fun1 帧

十一、GCC 编译四步走

bash 复制代码

gcc -E main.c -o main.i    # 预处理
gcc -S main.i -o main.s    # 编译（生成汇编）
gcc -c main.s -o main.o    # 汇编（生成目标文件）
gcc main.o -o main.out     # 链接（生成可执行文件）

十二、三级流水线

指令执行分三级：预取 → 译码 → 执行，多条指令重叠执行以提高吞吐：

复制代码

指令1:  [预取][译码][执行]
指令2:       [预取][译码][执行]
指令3:            [预取][译码][执行]

十三、AMBA 总线

AHB（Advanced High-performance Bus）：先进的高速总线，连接高速外设
APB（Advanced Peripheral Bus） ：先进的外设总线，连接低速外设TOC