ARM知识点三和串口代码的编写流程

ARM的一些常见问题

1. ARM 体系结构的主要特点是什么？

• 精简指令集 (RISC)：ARM 采用 RISC 结构，指令集较小且简单，执行效率高。相比于复杂指令集 (CISC)，RISC 更强调每条指令的执行速度。
• 低功耗设计：ARM 处理器通过简化指令集和减少每条指令的处理步骤，达到了低功耗的效果，适用于移动设备和嵌入式系统。
• Thumb 和 Thumb-2 指令集：ARM 支持 16 位 Thumb 指令集，它能够提高代码密度，特别适合对内存有限的嵌入式系统。
• 多核和对称多处理 (SMP)：现代 ARM 处理器支持多核架构，并且多核处理器可以并行处理多个任务。
• 向量浮点单元 (VFP) 和 NEON：ARM 处理器通常集成 VFP（向量浮点运算单元）和 NEON 技术来加速多媒体和信号处理任务。

2. ARM 的中断处理机制是怎样的？
   ARM 的中断机制是通过中断向量表来处理的，不同的中断类型有不同的优先级。主要的中断处理流程如下：

• 中断请求 (IRQ)：常规外设或定时器产生的中断请求。
• 快速中断 (FIQ)：高优先级的中断请求，常用于紧急任务处理。FIQ 有独立的寄存器组来加快中断响应速度。
• 中断向量表：中断向量表存储在一个固定的地址（如地址 0x00000000 或 0xFFFF0000），每种中断类型有一个固定的入口地址，处理器通过跳转到相应的中断向量表位置来响应中断。
• 嵌套中断：在 ARM 架构中，通过管理中断屏蔽和优先级，可以支持嵌套中断，即在处理中断的过程中可以响应更高优先级的中断。

3. ARM Cortex-M 系列的主要特点是什么？
   ARM Cortex-M 系列是专为嵌入式系统设计的，主要特点包括：

• 基于 ARMv7-M 或 ARMv8-M 指令集。
• 低功耗，非常适合电池供电的嵌入式设备。
• 支持快速中断响应，通过 NVIC（嵌套向量中断控制器）实现高效的中断管理，最多支持 240 个中断通道。
• 内置调试支持：如 DWT（数据观察点和跟踪）和 ITM（指令跟踪宏单元）。
• 浮点运算单元 (FPU)：Cortex-M4 和 Cortex-M7 支持硬件浮点运算，适合需要大量数值计算的应用。

4. ARM 处理器的总线接口有哪些？
   ARM 处理器主要使用以下总线接口技术：

• AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture)：AMBA 是 ARM 提出的总线协议，常用的总线类型包括：
• AHB (Advanced High-performance Bus)：主要用于高性能外围设备和高速数据传输。
• APB (Advanced Peripheral Bus)：用于低速外围设备，如 GPIO、串口等。
• AXI (Advanced eXtensible Interface)：用于高性能内存和外设之间的数据传输，支持并行和流水线操作。

5. 如何在 ARM 体系结构中实现内存映射I/O？
   内存映射I/O 是 ARM 处理器中外设与内存地址空间共享的一种机制，具体步骤如下：

• 内存映射：每个外设都分配有固定的内存地址，处理器可以通过读写这些内存地址来控制外设。
• 地址分配：不同外设的地址范围通常在芯片手册中指定。例如，GPIO 的控制寄存器可能映射到一个特定的地址段。
• 访问外设：通过普通的 ldr 和 str 指令，ARM 处理器可以访问这些内存映射的外设。

6. ARM中的异常处理机制是什么？
   ARM 处理器的异常处理机制与中断类似，但处理的是软件错误或其他需要特殊处理的事件。常见的异常包括：

• 复位异常 (Reset)：设备复位时触发。
• 未定义指令异常 (Undefined Instruction)：执行未定义的指令时触发。
• 数据预取异常 (Data Abort/Prefetch Abort)：发生内存访问错误或非法地址访问时触发。
• 软件中断 (SWI)：用于用户态调用内核服务（类似于系统调用）。

7. ARM 的虚拟内存管理是如何实现的？
   ARM 处理器支持虚拟内存管理，通过以下方式实现：

• MMU (Memory Management Unit)：用于将虚拟地址转换为物理地址，并提供访问控制。
• 分页机制：ARM 使用分页来管理内存，将内存划分为固定大小的页，虚拟地址通过页表映射到物理地- 址。
• TLB (Translation Lookaside Buffer)：TLB 用于缓存最近使用的页表项，减少内存访问时的转换开销。

安装交叉编译工具

1. 拷贝 gcc-4.6.4.tar.xz 到 Linux 环境，并解压

tar -xvf gcc-4.6.4.tar.xz

2. 将整个 GCC 目录安装到系统
   • 方法：将 gcc-4.6.4/bin 目录添加到 PATH 环境变量
   • 修改 ~/.bashrc 文件，添加以下内容，在文件底部添加

   export PATH=$PATH:/home/lsf/source/gcc-4.6.4/bin
   

   • source ~/.bashrc 使修改立即生效
3. 测试安装
   终端中输入 arm-none- 并使用 Tab 键自动补齐，检查工具是否可用
4. 注意
   • 若是 64 位系统，可能需要安装 32 位支持库

sudo apt-get install lib32ncurses5 lib32z1

接口技术

• CPU: 狭义上指的是 核, 广义上指的是 整个芯片
  • 狭义上的 CPU：指处理器的 核心 (core) 部分，负责执行指令、处理数据和控制计算过程。它包括了运算逻辑单元 (ALU)、寄存器、控制单元等，核心的任务是执行软件的指令集。
  • 广义上的 CPU：可以包括整个芯片，除了核心以外还包括缓存 (cache)、总线控制器、内存管理单元 (MMU) 等部件。它不仅仅是执行指令的逻辑单元，还包括一些周边的控制逻辑和接口。
• SOC : system on chip 片上系统, 核+接口
  • SoC 可以看作是一个集成了 CPU、接口以及其他外设的单芯片系统，适合于嵌入式系统和移动设备应用
• 裸机编程: 没有操作系统的编程,比如 单片机
  • STM32：基于 ARM Cortex-M 核心，广泛应用于工业控制和消费电子。
  • 51 单片机：经典的8位单片机，适合学习与小型应用。

裸机编程示例图

- 核心流程：
ldr 指令：CPU 使用 ldr（load register）指令，从存储器或外设的寄存器读取数据到寄存器。
str 指令：CPU 使用 str（store register）指令，将寄存器的数据写回存储器或外设的寄存器中。
- 硬件,分为两部分 核心板+外设板
- 核心板：能让CPU正常运行的最小系统，主要组件：CPU,flash,RAM,电源,串口,晶振
- 外设板: 外设板通常包含了许多外部设备，这些设备通过各种接口与核心板的 CPU 连接，用于扩展系统的功能。例如：扬声器、SD卡接口、ADC、HDMI
- 核心板和外设板通过接口（如 GPIO、I2C、SPI、UART 等）进行连接和通信。

操作硬件一般步骤（以 LED 为例）

1. 从电路板上找到该硬件
   • 找到你想控制的硬件设备。例如：LED2
   • 记下该设备的标号（如 LED2），方便后续在电路图和芯片手册中查找相关信息
2. 打开电路图，找到该硬件的连接信息
   • 打开硬件的 电路原理图，找到 LED2 相关的部分
   • 在电路图中查找 LED2 的位置，并查看该 LED 是如何连接到 CPU 的管脚上。例如，你可能会发现 LED2 连接到 CPU 的 GPX2_7 引脚
3. 阅读芯片手册 (datasheet)，找到相关控制寄存器
   • 打开对应的 芯片手册 (datasheet)，找到涉及控制 GPX2_7 引脚的章节，通常是在 GPIO（通用输入输出）控制器章节中
   • GPX2_7 表示 GPIO X 组的第 7 个引脚，你需要找到该引脚的寄存器配置方式

   寄存器的相关配置：
   GPX2CON（引脚配置寄存器）：配置该引脚的模式（输入/输出）。
   寄存器地址：0x11000C40。
   操作说明：设置 [31:28] 位为 0001，表示将 GPX2_7 设置为输出模式。
   GPX2DAT（数据寄存器）：用于控制引脚的高低电平（控制开/关）。
   寄存器地址：0x11000C44。
   操作说明：[7] 位控制 GPX2_7 的输出状态。设置该位为 1 则为高电平（LED 点亮），设置为 0 则为低电平（LED 熄灭）。
   

   • 编写代码，进行编程和测试
     • 代码在start.s中写，通过Makefile文件编译，取bin文件烧录进去开发板即可
     • 

.text
@@@ 通过 ARM 裸机编程直接控制硬件，具体任务是通过按键控制 LED 的亮灭，即当按键按下时点亮 LED，松开按键时熄灭 LED。
@@ 配置 GPX2_7 为输出模式
ldr r0,=0x11000c40        @ 加载 GPX2CON 地址
ldr r2,[r0]               @ 读取 GPX2CON 内容到 r2
bic r2,r2,#0xF0000000     @ 清除 GPX2_7 的控制位
orr r2,r2,#0x10000000     @ 设置 GPX2_7 为输出模式 (0001)
str r2,[r0]               @ 将修改后的值写回 GPX2CON

@@ 配置 K2 为输入模式 (GPX1_1)
ldr r0,=0x11000c20        @ 加载 GPX1CON 地址
ldr r2,[r0]               @ 读取 GPX1CON 内容到 r2
bic r2,r2,#0xF0           @ 清除 GPX1_1 的控制位
str r2,[r0]               @ 直接清除后默认是输入模式 (0000)

loop:
	ldr r0,=0x11000c24    @ 加载 GPX1DAT 地址 (检测按键输入)
	ldr r2,[r0]           @ 读取 GPX1DAT
	and r2,r2,#2          @ 检查 GPX1_1 状态，检查按键是否按下
	cmp r2,#0
	bleq  light_led_fun    @ 如果按下按键，调用点亮 LED 函数
	blne  off_led_fun      @ 如果没有按下，调用熄灭 LED 函数
	
	bl sdelay             @ 延时
	b loop                @ 继续循环

@@ 点亮 LED
light_led_fun:
	ldr r0,=0x11000c44    @ 加载 GPX2DAT 地址
	ldr r2,[r0]           @ 读取 GPX2DAT
	orr r2,r2,#0x80       @ 设置 GPX2_7 为高电平，点亮 LED
	str r2,[r0]           @ 写回 GPX2DAT
	mov pc,lr             @ 返回

@@ 熄灭 LED
off_led_fun: