【ARM嵌入式学习笔记】Day1：ARM体系结构与核心基础概念全解
文章目录
前言
本篇是ARM嵌入式学习路线的第一天笔记，从最基础的嵌入式系统概念出发，逐层深入到计算机体系结构、指令集架构、ARM内核组成、存储器模型、栈与函数调用机制、总线结构等核心入门知识，把零散的知识点串联成完整的知识框架，适合零基础入门ARM嵌入式的同学参考。
一、嵌入式系统基础认知
1. 什么是嵌入式系统
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，会根据具体的用户需求（功耗、体积、环境、稳定性、可靠性）做定制化设计，和日常使用的通用计算机有本质区别。
从分层结构上看，嵌入式系统从上到下分为三层：
- 应用层（APP）：面向用户的具体功能程序
- 操作系统层（SYS）：管理硬件资源、调度任务的系统软件
- 硬件系统：底层的物理硬件实体
2. 计算机系统的基本组成
完整的计算机系统 = 硬件系统 + 软件系统
- 软件系统又分为：应用软件（面向具体功能）、系统软件（管理硬件、提供运行环境）
经典冯诺依曼架构的硬件系统由五大核心部件组成：
- 运算器：负责数据运算
- 控制器：负责控制指令执行流程
- 存储器：负责数据存储
- 输入设备：向计算机输入信息
- 输出设备：向外输出信息
3. 常见处理器概念辨析
很多初学者容易混淆各类处理器的概念，这里做一个清晰的区分：
| 处理器类型 | 全称 | 核心定位 |
|---|---|---|
| CPU | 中央处理单元 | 通用型强的核心处理器，负责通用计算与控制 |
| GPU | 图形处理单元 | 擅长并行图形渲染与大规模并行计算 |
| FPU | 浮点运算单元 | 专门处理高精度浮点运算 |
| NPU | 神经网络处理器 | 专门加速AI神经网络推理与运算 |
在嵌入式领域，还有几个核心概念：
- MPU（微处理器）：偏向通用处理，性能强，需要搭配外部存储器、外设等使用
- MCU（微控制器）：偏向控制，高度集成，芯片内集成了存储器、外设等，俗称单片机
- 单片机：单片微型计算机系统，是MCU的通俗叫法
- DSP（数字信号处理器）：为高强度数学运算、信号处理设计的专用芯片
- SOC（片上系统）：是一种集成设计理念，把MPU、MCU、DSP、外设控制器等全部集成在同一块芯片上，像一个功能完整的“微型城市”——MPU是市政府、MCU是警察局、DSP是研究所、调制解调器是机场，所有功能模块在同一块芯片上协同工作。
二、指令集架构：CISC 与 RISC
1. 两大架构对比
目前主流的指令集架构分为两大类，对应不同的设计思路：
- CISC（复杂指令集计算机）：指令数量多、功能复杂，单条指令可以完成复杂操作，代表是X86架构（X64是X86的64位扩展）
- RISC（精简指令集计算机）：指令数量少、格式规整，单条指令功能简单，通过组合指令完成复杂任务，代表是ARM架构
设计上有一个经典的“二八定律”：20%的指令承担了80%的工作，RISC架构就是把最常用的20%指令做得精简高效，剩下的功能通过指令组合实现，以此获得更高的执行效率和更低的功耗。
常见的RISC架构除了ARM，还有MIPS、RISC-V等。
2. ARM指令集与内核版本
- ARM指令集版本演进：V1 → V4 → V9，其中经典的版本有V4、V5、V7、V9
- ARM内核产品线演进：早期的ARM1~ARM11，之后发展为Cortex三大系列：
- Cortex-A系列：面向应用处理器，性能强，运行操作系统，对应MPU场景
- Cortex-R系列：面向实时控制，高实时性，用于工业控制等场景
- Cortex-M系列：面向微控制器，低成本低功耗，对应MCU场景
三、ARM内核核心硬件组成
ARM内核内部由多个功能单元协同工作，每个单元各司其职，共同支撑程序的运行：
1. 通用寄存器组
ARM32架构内核有16个通用寄存器R0~R15，是程序运行的核心“工作台”：
- R0~R12：通用数据寄存器，用于存放运算数据、函数传参、临时变量
- R13（SP，栈指针）：永远指向当前栈的栈顶，管理栈空间
- R14（LR，链接寄存器）：保存函数调用、异常处理的返回地址，也就是“记住回家的路”
- R15（PC，程序计数器）：指向CPU当前正在取指的指令地址，决定程序的执行流向
2. Cache高速缓存
Cache是介于CPU和内存之间的高速缓存，解决CPU运算速度远快于内存读写速度的问题：
- I-Cache（指令缓存）：缓存即将执行的指令
- D-Cache（数据缓存）：缓存运算用到的数据
- 作用：大幅减少CPU访问内存的次数，提升程序运行速度
3. ALU算术逻辑单元
ALU是CPU的“运算大脑”，负责完成所有的加减乘除算术运算、与或非逻辑运算、移位运算等，运算结果会自动更新程序状态寄存器的标志位。
4. MMU内存管理单元
MMU是内存管理单元，核心作用是实现虚拟地址到物理地址的映射：
- 关闭MMU：CPU直接访问物理内存地址
- 开启MMU：CPU访问虚拟地址，由MMU翻译成物理地址
- 额外功能：内存权限管理、内存保护，是操作系统实现多进程内存隔离的硬件基础
5. 程序状态寄存器
- CPSR（当前程序状态寄存器）：全模式共享，实时记录CPU的运算标志位、中断开关、指令集状态、当前工作模式
- SPSR（备份程序状态寄存器）：每个异常模式独有一个，异常发生时自动备份CPSR的值，异常返回时恢复状态
6. 外设寄存器
内核通过外设寄存器控制片上外设，比如GPIO（通用输入输出）、PWM（脉冲宽度调制）、UART（串口）、定时器等，每个外设对应一组寄存器，通过读写寄存器实现对外设的控制。
四、ARM总线架构
总线是CPU和存储器、外设之间传输数据的“高速公路”，ARM系统中分为三类核心总线：
- 数据总线：32根，负责在各个部件之间传输数据，宽度决定了一次能传输的数据量
- 地址总线：32根，负责传输内存/外设的地址，32位地址总线可寻址范围是
0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF，共4GB地址空间 - 控制总线：传输控制信号，比如读写控制、中断信号等
按照总线速度和用途，又分为两大类：
- AHB：先进高速总线，用于连接高速部件，比如内存、DMA、高速外设
- APB：先进外设总线，用于连接低速外设，比如GPIO、UART、定时器等
五、存储器体系：RAM 与 ROM
存储器是嵌入式系统的核心存储部件，分为两大类，特点完全不同：
1. RAM（随机访问存储器）
- 特点：可被处理器直接寻址、读写速度快、单位存储成本高、断电后数据丢失（易失性）
- 典型代表：SRAM、DRAM
- 作用：运行程序时存放代码、变量、栈、堆等临时数据
2. ROM（只读存储器）
- 特点：一般不能被处理器直接寻址、单位存储成本低、断电后数据不丢失（非易失性）、读写速度慢
- 典型代表：Nor Flash、Nand Flash
- 作用：存放固件、程序镜像、永久保存的数据
3. 虚拟内存空间布局（32位系统）
开启MMU后，CPU看到的是虚拟内存空间，32位系统地址范围从0x00000000到0xFFFFFFFF，从低地址到高地址大致分为：
- 代码段：存放程序的可执行指令
- 数据段：存放已初始化的全局变量、静态变量
- BSS段：存放未初始化的全局变量，启动时自动清0
- 堆区：动态分配的内存，由低地址向高地址增长
- 栈区：存放函数局部变量、栈帧，由高地址向低地址增长
- 操作系统内核区：高地址区域，存放内核代码和数据
六、栈与函数调用机制
栈是ARM程序运行的核心机制，函数调用的整个过程都围绕栈和三个特殊寄存器展开。
1. 栈的基本概念
栈是内存中一块“后进先出”的存储区域，每个函数运行时都会在栈上分配一块专属空间，叫做栈帧，用来存放函数的形参、局部变量、临时数据。
- ARM默认采用满递减栈：栈底在高地址，栈顶向低地址方向增长
- SP寄存器永远指向当前栈的栈顶
2. 函数调用的完整过程（结合栈帧）
以main调用fun1为例，整个过程中SP、LR、PC三个寄存器协同工作：
阶段1：调用前，运行在main函数
- SP指向main函数栈帧的栈顶，栈里存放main的局部变量
a=100、b=200 - PC顺着main的代码一步步执行，走到调用fun1的指令处
阶段2：执行BL跳转指令（函数调用）
BL是带返回的跳转指令，硬件自动完成两件事：
- 把调用指令的下一条指令地址存入LR寄存器，记下“返回地址”
- 把fun1的入口地址写入PC，CPU跳转到fun1执行
阶段3：进入fun1函数执行
- SP移动位置，为fun1分配新的栈帧，存放fun1的形参a、b和局部变量sum
- PC指向fun1内部正在执行的指令
- LR仍然保存着返回main的地址
阶段4：函数返回
fun1执行return时，本质是把LR的值写回PC，CPU跳回main函数继续执行；同时SP往回移动，回收fun1的栈帧。
3. 三级流水线
ARM内核采用三级流水线架构，指令执行分为三个阶段并行执行：
- 取指：从内存中读取指令
- 译码：解析指令的功能
- 执行：执行指令运算
三级流水线同时工作，同一时刻有三条指令分别处于取指、译码、执行阶段，大幅提升CPU的执行效率。这也是为什么PC值不等于当前执行指令地址，而是当前指令地址+8的原因。
七、GCC编译基本流程
C语言代码要变成可执行程序，需要经过GCC编译器的四步处理：
- 预处理：
gcc -E main.c -o main.i- 处理头文件、宏定义、条件编译，生成预处理后的.i文件
- 编译：
gcc -S main.i -o main.s- 把C代码翻译成ARM汇编代码，生成.s汇编文件
- 汇编：
gcc -c main.s -o main.o- 把汇编代码翻译成机器码，生成.o目标文件
- 链接：
gcc main.o -o main.out- 把多个目标文件、库文件链接在一起，生成最终的可执行程序
学习总结
第一天的学习是ARM嵌入式的基础入门，核心是建立完整的体系认知：
- 从嵌入式概念出发，理解SOC的集成设计思想
- 分清CISC和RISC的区别，了解ARM的产品线定位
- 掌握ARM内核的核心组成，尤其是特殊寄存器的功能
- 理解存储器分类和内存空间布局
- 吃透栈帧机制和函数调用过程，这是后续汇编、异常处理的基础
- 了解总线结构和编译流程，建立从代码到硬件执行的完整认知
openEuler 是由开放原子开源基金会孵化的全场景开源操作系统项目，面向数字基础设施四大核心场景（服务器、云计算、边缘计算、嵌入式），全面支持 ARM、x86、RISC-V、loongArch、PowerPC、SW-64 等多样性计算架构
更多推荐
0
0- 0
已为社区贡献2条内容
所有评论(0)