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一、ARM课程大纲

二、ARM课程学习的目的

2.1 为了找到一个薪资水平达标的工作（单片机岗位、驱动开发岗位）

应用层(APP)        在用户层调用驱动层封装好的API接口，编写对应的API接口

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                    嵌入式工程师需要做的事：
驱动层(DRIVER)       1、分析电路图（为了查看对应外设的硬件连接核引脚）
                     2、分析芯片手册（为了控制对应的外设寄存器实现外设的工作）
                     3、编写驱动代码（HAL_GPIO_WritePin（））

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硬件层（HAL）            FS-MP1A = 主控芯片（STM32MP157AAA = Cortex-A7核 * 2  + Cortex-M4核 ）
                                        |
                                        |
                            LED    FAN   BEEP    温湿度传感器    心率/脉搏传感器            

应用层(APP)        用户/程序员是需要看懂硬件的电路图（给对应引脚高电平还是低电平），然后调用API接口
                   就能实现对硬件的控制

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                    驱动代码对应的API接口由芯片厂商（ST公司）已经封装好了
驱动层(DRIVER)       芯片厂商封装的是标准库，一些公司使用的HAL库

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硬件层（HAL）            FS-MP1A = 主控芯片（STM32MP157AAA = Cortex-A7核 * 2  + Cortex-M4核 ）
                                        |
                                        |
                            LED    FAN   BEEP    温湿度传感器    心率/脉搏传感器    

2.2 为了之后的系统移植和驱动开发打基础

三、ARM课程学习完的目标

1、熟悉ARM相关的概念（寄存器、串行接口）

2、能看懂汇编指令（汇编指令的格式、功能）

3、能看懂电路图/原理图

4、能够独立分析纯英文芯片手册（尽量）

四、ARM相关的概念

4.1 机器码

机器（计算机 / 芯片）能够识别的以 0和1 组成的编码

gcc分布编译中汇编过程最后生成的文件

4.2 汇编指令

                通过gcc分布编译中的编译流程将c代码转换为汇编代码
a = b + c      ---------------------------------------------->     add r0, r1, r2

由c代码生成的对应的汇编指令

4.3 汇编指令集

多条汇编指令组成的集和

如：x86指令集、arm指令集、Mips指令集。。。。。

4.4 架构

可以说是汇编指令集的别名，也可以说是由不同的汇编指令集设计出了不同的架构

ARM汇编指令集   设计出了     ARM架构
X86汇编指令集   设计出了     X86-64/32J架构
Mips汇编指令集  设计出了     Mips架构

ARM-V1~V6架构：已经被淘汰了
ARM-V7架构：32位的架构，支持32位的汇编指令集
ARM-V8架构：既支持32位的汇编指令集，也支持64位的汇编指令集，向下兼容V7架构
ARM-V9架构：最新的架构，未来十来的主流架构

四大主流的芯片架构：
 架构       ARM架构            x86架构        RISC-V架构        Mips架构
 芯片厂商    ST                 inter           nivida         龙芯中科（龙架构）      
 
              
 芯片厂商：ST（意法半导体、STM32）、高通（骁龙8gen3）、TI（德州仪器）、NXP（恩智浦）、台积电、MTK（联发科）
         华为（海思）、小米（澎湃）、阿里（平头哥）、中芯国际、兆易创新（GD32）                                                
        

4.5 内核

由不同的架构设计出来不同的内核

ARM公司基于不同的ARM架构设计出了不同的内核
Cortex-M核 - MCU 单片机（只能运行小型操作系统FreeRTOS）
Cortex-A核 - MPU（可以运行大型的操作系统Linux操作系统）
 

4.6 处理器

CPU：中央处理器
MCU：微控制器
MPU：微处理器
SOC（system on-chip）：片上系统

ARM公司在创建前期是做芯片开发（自研内核、自研芯片），但是到了后期ARM公司不在生产芯片，只做内核的授权
ARM公司基于不同的ARM架构（v7架构、v8架构、v9架构），设计出不同的内核（Cortex-M核、Cortex-R核、Cortex-A核）
ARM公司将这些内核授权给不同的芯片厂商，芯片厂商在基于这些内核设计出不同的芯片
企业购买这些芯片，焊制PCB板加上很多的外设，做出一个产品

如：ARM公司把Cortex-A核和Cortex-M核授权给ST（意法半导体）公司，ST公司基于这两个内核设计出了STM32MP157AAA的芯片
    华清远见从ST公司购买了STM32MP157AAA的芯片这款芯片，华清远见的研发部焊制了PCB板并外加了很多外设，最终得到了FS-MP1A产品

五、ARM公司的历史

里程碑1——ARM成立 ARM前身为艾康电脑（Acorn），于1978年，英国剑桥成立，大学的孵化物。 1980年代晚期，苹果开始与艾康合作，开发新版ARM核心。

1985年，艾康开发出全球第一款商用RISC（精简指令集）处理器，即ARM1，针对于PC市场，还没有嵌入式呢！！！

1990年，艾康财务危机，受苹果和VLSI（最早做超大规模集成电路的公司）的投资，成立独立子公司：Advanced RISC Machines（ARM），ARM公司正式成立面世。

里程碑2——嵌入式RSIC处理器
1991年，ARM推出第一款嵌入式RISC处理器，即ARM6。

1993年，发布ARM7。
1997年，发布ARM9TDMI，三星2440基于此内核。

1999年，发布ARM9E，增强型ARM9。
2001年，ARMv6架构。
2002年，发布ARM11微架构。

里程碑3——微控制器
2004年，发布ARMv7架构的Cortex系列处理器，同时推出Cortex-M3。

2005年，发布Cortex-A8处理器。
 
2007年，发布Cortex-M1和Cortex-A9
2009年，实现Cortex-A9、发布Cortex-M0
2010年，推出Cortex-M4(F)、成立Linaro（ARM公司牵头成立的公共组织，专门做ARM处理器在Linux平台上的一些软件的开发和移植），推出Cortex-A15 MPcore高性能处理器（性能比较高了，但是发热量很大）。

里程碑4——64位处理器时代
2011年，推出32位 Cortex-A7 处理器，ARMv8发布
2012年，开始推出64位处理器。
推出 Cortex-M0+、ARM 首款64位处理器架构 Cortex-A53、Cortex-A57 架构。全球第一款64位ARM手机iPhone5s。
2013年，推出32位 Cortex-A12 处理器架构
2014年，推出 Cortex-M7(F) 微控制器架构；32位 Cortex-A17处理器架构。
2015年，推出64位 Cortex-A35、Cortex-A72 处理器架构。
2016年，推出 Cortex-M23 、Cortex-M33(F) 微控制器架构；32位 Cortex-A32 处理器架构；64位 Cortex-A73 处理器架构。
2017年，推出64位 Cortex-A55 、Cortex-A75 处理器架构。

2018年，推出微控制器 Cortex-M35P；64位 Cortex-A76 处理器架构。

六、精简指令集和复杂指令集

6.1 精简指令集

指令相对来说比较简单易懂
特点：精简指令集的指令宽度和指令周期固定
指令宽度：精简指令集下的每一条指令所占用的空间固定，ARM指令集的指令宽度为32位（4个字节）
指令周期：执行一条汇编指令的时间固定

精简指令集：ARM指令集、RISC指令集、Mips指令集、PowerPC指令集

上图现象说明：
    ARM处理器默认使用的是Thumb指令集
    
    Thumb指令集是ARM指令集的子集（儿子）
    Thumb指令集的指令宽度默认为16位（2个字节），同时存在Thumb2指令集的指令宽度为32位（4个字节）
    ARM指令集的指令宽度默认为32位（4个字节）

6.2 复杂指令集

特点：复杂指令集的指令周期和指令宽度不固定

x86指令集是复杂指令集

七、框图总结

八、寄存器相关概念

六大存储类型：auto static const extern volatile register

volatile(异变)的作用：防止编译器对代码进行优化，直接从内存中读取或者写入变量值  
register(内核寄存器)的特点：访问速度快、不允许取地址，只能通过寄存器编号进行访问（R0-R15）

核内寄存器：在内核中的寄存器，没有地址，只能通过编号进行访问
核外寄存器：是内存地址的映射，存在地址，可以通过地址访问

定义变量的过程：
    auto int a
    存储类型 + 数据类型 + 变量名
    
寄存器（存储器）是一块可以用于存储的特殊空间

九、ARM处理器的工作模式

9.1 Cortex-M核的工作模式

线程模式：运行main函数

异常模式：对应不同的异常的异常处理函数

9.2 Cortex-A核的工作模式

十、寄存器的位置

十一、寄存器组织

根据上图所示：
    1、每个小方块代表一个寄存器，每个寄存器占32位，4个字节的空间
    2、USER、SYS模式下有17个寄存器
    3、FIQ、IRQ、SVC、ABT、UDF、MON模式下有18个寄存器
    4、HYP模式下有19个寄存器
    5、可控制的寄存器一共有43个
    
注意：
    1、深色字体是实际存在的寄存器，浅色字体是虚拟的寄存器
    2、白色底的小方块代表着公用寄存器，蓝色底的小方块代表着私有寄存器
    公有寄存器：这个寄存器可以被所有模式使用
    私有寄存器：这个寄存器只能被对应的模式使用

十二、特殊功能寄存器（重要！！！！！！！！！！）

12.1 R13寄存器

R13寄存器 ---> sp（the stack pointer）寄存器 ---> 栈指针寄存器

SP寄存器的作用：保存了一块栈空间的地址

在ARM中栈空间的作用：压栈保存现场、出栈恢复现场

不同场景下的栈：
1、c语言中的栈区：0-4G虚拟内存中的一块空间，用于保存局部变量、函数参数等。。。。。
2、数据结构中的栈：是一种典型的数据结构，用于保存数据
3、ARM中的栈：保存了一块栈空间中的地址

不管栈应用在任何场景下，都是一种存储数据的方式，并且所有的栈都遵循FILO（先进后出）

12.2 R14寄存器

R14寄存器 ---> LR（the linking register）寄存器 ---> 链接寄存器

LR寄存器的作用：用于保存函数的返回地址

12.3 R15寄存器

R15寄存器 ---> PC（the program counter）寄存器 -----> 程序计数寄存器

PC寄存器的作用：用于保存下一条取值指令的地址

12.4 CPSR寄存器

CPSR寄存器 --------> the current program statue register ------> 当前程序状态寄存器 CPSR寄存器的作用：用于保存当前程序的状态

12.5 SPSR寄存器

SPSR寄存器 --------> the saved program statue register -----> 备份程序状态寄存器

SPSR寄存器的作用：用于备份程序的状态

12.6 CPSR寄存器中的位（高4位、低8位）

N[31]位 ：负数标志位
        当指令的执行结果为负数时，N位被置1，否则清0（一般用于比较大小）
Z[30]位 ：零标志位
        当指令的执行结果为0时，Z位被置1，否则清0（一般用于判断两个数是否相等）
C[29]位 ：进位/借位标志位
        进位：
            当指令的执行结果需要进位时（当低32位数向高32位数进位时），C位被置1，否则清0
        借位：
            当指令的执行结果需要借位时（当高32位数向低32位数借位时），C位被清0，否则置1
V[28]位 ：符号标志位
        当符号位发生变化时，V位被置1，否则清0

I[7]位 ：IRQ普通中断屏蔽位
    I = 0, 不屏蔽IRQ
    I = 1, 屏蔽IRQ
F[6]位 ：FIQ快速中断屏蔽位
    F = 0, 不屏蔽FIQ
    F = 1, 屏蔽FIQ
T[5]位 ：状态位
    T = 0时, 进入ARM状态，相当于使用ARM汇编指令集
    T = 1时, 进入Thumb状态，相当于使用Thumb汇编指令集
M[4:0]位 ：模式位
    10000  User mode;    

    10001 FIQ mode;         
    10011 SVC mode;
    10111  Abort mode;  

    11011 Undfined mode;  
    11111 System mode;     
    10110  Monitor mode;   

    10010 IRQ;