ARM 裸机开发（1）——ARM 体系结构

一、嵌入式

嵌入式是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪的专用计算机系统，根据用户需求对功能、体积、成本、环境、可靠性做取舍。

一个嵌入式系统从下到上分三层：

复制代码

应用层 APP
操作系统 SYS
硬件系统

二、处理器家族先分清

计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成，运算器和控制器合起来就是 CPU。

按用途分的几个常见名词：

CPU（Central Processing Unit）：中央处理单元，通用处理器。

GPU（Graphics Processing Unit）：图形处理单元，大量并行运算。

FPU（Floating Processing Unit）：浮点运算单元，专门算浮点。

NPU（Neural Processing Unit）：神经网络处理器。

在嵌入式领域，按集成度和用途又有一组：

MPU（Micro Processing Unit）：微处理器，通用型，偏重处理能力，一般要外接内存和存储。

MCU（Micro Control Unit）：微控制器，集成度高，偏重控制，常说的"单片机"就是它。

DSP（Digital Signal Processing）：数字信号处理器，为高强度数学运算设计的专用芯片。

SoC（System On Chip）：片上系统，把 CPU、GPU、外设控制器集成到一块硅片上。

一个容易理解的类比：SoC 就像一张城市蓝图，把市政府（MPU）、公安局（MCU）、研究所（DSP）、机场（调制解调器）都规划在同一块土地上。

i.MX6ULL 就是典型的 SoC：内部除了 Cortex-A7 内核，还有 GPIO、PWM、UART、定时器等一堆外设控制器。

三、RAM 与 ROM

可直接寻址（可以，CPU 直接读写）一般不可被处理器直接寻址

单位容量价格（高）低

掉电（易失（数据丢失））非易失（数据保留）

读写速度（快）慢

四、架构与指令集

常见的架构四大类：X86、ARM、MIPS、RISC-V。

指令集分两大流派：

CISC（Complex Instruction Set Computer）：复杂指令集，一条指令干很多事。X86（含 x64）属于这一类。

RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精简指令集，指令少而规整，靠流水线提效率。ARM、MIPS、RISC-V 属于这一类。

ARM 的指令集版本演进到 v1--v9，不同版本对应的内核型号不同：

Cortex-A（Application）：应用处理器，跑 Linux/Android，性能优先。i.MX6ULL 的 Cortex-A7 属于这一类。

Cortex-R（Real-time）：实时处理器，硬实时场景。

Cortex-M（Microcontroller）：微控制器，低功耗低成本，STM32 用的 M3/M4 就是这一类。

所以"ARM 内核 32 位"指的是寄存器位宽和指令字长是 32 位。

五、寄存器

ARM 有 16 个通用寄存器 R0--R15，其中三个有特殊用途：

R13 = SP（Stack Pointer）：栈指针，指向栈顶。

R14 = LR（Link Register）：链接寄存器，BL 调用时保存返回地址。

R15 = PC（Program Counter）：程序计数器，指向下一条要执行的指令。

这两个状态寄存器要区分：

CPSR（Current Program Status Register）：当前程序状态寄存器，含条件标志位（NZCV）、中断屏蔽位、工作模式位。

SPSR（Saved Program Status Register）：备份程序状态寄存器，发生异常时保存 CPSR 的值。

六、Cache、MMU 与虚拟内存

Cache（高速缓存）：CPU 和内存之间的缓冲，分 I-Cache（指令）和 D-Cache（数据）。它利用程序的局部性，把常用的数据放在离 CPU 更近的地方。裸机阶段通常先关着或按需打开，因为 Cache 和 DMA 一起用会有数据一致性问题。

MMU（Memory Management Unit）：内存管理单元，负责把物理地址映射成虚拟地址。关掉 MMU 时 CPU 直接访问物理地址；打开后所有访问都要经过 MMU 的页表转换。

虚拟内存空间的典型布局（以 32 位为例，从高地址到低地址）：

复制代码

0xFFFFFFFF  操作系统内核栈
            ...
            静态区 / 已初始化 / 未初始化
0x00000000  代码段

这套布局在 Linux 程序里天天见到，和后面写链接脚本时划分 .text/.data/.bss 是同一套东西。

七、栈帧与函数调用

函数调用时，每层函数在栈上占一块自己的空间，叫栈帧，里面放局部变量、传进去的参数、返回地址。

复制代码

main  → fun0  → fun1

调用 fun1(0x4000, b) 时，R13(SP) 指向当前栈顶，R14(LR) 保存返回地址 0x3004，R15(PC) 指向 0x3004 之后的指令。fun1 内部再用 STMFD 把现场压栈，就形成了新的一层栈帧。

这也解释了昨天为什么要写保护现场：嵌套调用时 LR 会被覆盖，返回地址必须存在栈里。

八、流水线与总线

三级流水线：取指（Fetch）→ 译码（Decode）→ 执行（Execute）。三条指令同时在流水线的三个段里跑，所以 PC 指向的地址和"正在执行"的指令并不是同一条------写跳转指令时要考虑流水线的影响。

总线：

AHB（Advanced High-performance Bus）：先进的高性能总线，挂在高速外设上。

APB（Advanced Peripheral Bus）：先进的外设总线，挂在低速外设上。

昨天的时钟树里 AHB 132MHz、IPG 66MHz，就是这个层级关系：内核和内存走高速总线，UART、I2C 这类走低速总线。

九、重点总结

嵌入式 = 以应用为中心的专用计算机，软硬件可裁剪，分应用层、操作系统层、硬件层。
MPU 偏处理、MCU 偏控制、DSP 偏运算、SoC 是集成，四个词不要混用。
ARM 属于 RISC 阵营，Cortex-A 跑应用、Cortex-R 跑实时、Cortex-M 做控制。
R13/SP 管栈、R14/LR 存返回地址、R15/PC 指向下一条指令；CPSR 是当前状态，SPSR 是异常时的备份。
MMU 负责虚拟地址到物理地址的映射，Cache 负责速度差，两者的配置都在 cp15 里。