ARM Cortex-M 内存映射详解:如何基于寄存器直接读写 寄存器映射方式编码程序 直接操作硬件寄存器来控制 MCU
ARM Cortex-M 的系统映射空间
在 STM32 等 ARM Cortex-M 系列 MCU 中,内存地址空间按照 存储功能 进行了严格划分,包括 Flash(程序存储)、RAM(数据存储)、外设寄存器(GPIO、UART、SPI 等)以及系统控制寄存器(中断、调试相关)。下面详细解析各个地址段的作用和特点。
1.1 内存地址映射总览
在 ARM Cortex-M 处理器(如 STM32 系列 MCU)中地址空间通常采用 32 位地址总线,因此可寻址 4GB(0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF),但在嵌入式系统中,MCU 的可用内存远小于 4GB,并且地址空间被划分为多个功能区。
| 地址范围 | 存储内容 | 描述 |
|---|---|---|
0x00000000 - 0x000003FF | 向量表(Vector Table) | 存放复位向量(起始栈指针)、异常入口地址 |
0x08000000 - 0x0800FFFF | Flash(代码存储) | 存储 程序代码(.text) 和 只读数据(.rodata) |
0x1FFFF000 - 0x1FFFF7FF | 系统 Boot ROM | 预留给 MCU BootLoader(ISP、IAP 相关) |
0x20000000 - 0x20004FFF | RAM(可变数据存储) | SRAM(RAM,存储 .data、.bss、堆、栈) |
0x40000000 - 0x500607FF | 外设寄存器 | 片上 GPIO、UART、SPI、I2C、TIM、ADC 等外设的控制寄存器 |
0xE0000000 - 0xE00FFFFF | System 控制寄存器 | NVIC(中断控制)、SysTick(系统定时器)、调试接口 |
1.20x00000000 - 0x000003FF:向量表 (Vector Table)
MCU 复位后,系统从 0x00000000 地址处读取向量表,该表包含了复位后跳转到 main() 的入口地址。
作用:
- 存储异常和中断向量表,即异常/中断入口地址。
- 第一项存放的是栈指针初值(SP),用于 CPU 复位时初始化堆栈。
- 其余项是中断服务程序(ISR)地址,例如:
- 复位向量(Reset Vector)
- 硬件故障处理(HardFault、NMI)
- 外设中断(UART、GPIO、TIM 等)
向量表示例
0x00000000: 0x20004FFF ; 初始栈指针地址(RAM 顶部)
0x00000004: 0x08000239 ; 复位处理函数(Reset_Handler)
0x00000008: 0x08000321 ; NMI_Handler
0x0000000C: 0x08000345 ; HardFault_Handler
该表通存储于 Flash(0x08000000)
1.3 0x08000000 - 0x0800FFFF:Flash(程序存储)
作用
- 存放 MCU 固件(程序代码),包括:
.text(代码段).rodata(只读数据)
- 代码段的存储区域,运行时 CPU 直接从 Flash 取指令,不会加载到 RAM。
特点
- Flash 只能按扇区擦除,不能按字节修改(通常 1 次擦除需要 20ms 左右)。
- RAM 访问速度远快于 Flash,因此 关键代码可拷贝到 RAM 执行。
1.4 0x1FFFF000 - 0x1FFFF7FF:系统 Boot ROM
作用
- STM32 MCU 内置 Bootloader(引导程序),支持:
- ISP(In-System Programming):通过 UART/SWD 进行固件烧录。
- IAP(In-Application Programming):运行时更新 Flash 代码。
特点
- Bootloader 可以让 MCU 在 Flash 损坏的情况下仍然可以进行固件更新。
- 通过
BOOT0/BOOT1硬件引脚可以选择启动 Flash 还是 Bootloader。
1.5 0x20000000 - 0x20004FFF:RAM(数据存储)
作用
- 存储 MCU 运行时的变量和数据,包括:
.data段:已初始化的全局变量(上电后从 Flash 复制到 RAM).bss段:未初始化的全局变量(上电后初始化为 0)- 堆(Heap):
malloc()动态分配的内存 - 栈(Stack**)**:局部变量、函数调用信息
结构
+------------------+ 0x20005000 (RAM 结束)
| Heap | 动态分配(malloc)
+------------------+
| Stack | 栈(局部变量、返回地址)
+------------------+
| .bss | 未初始化数据(RAM)
+------------------+
| .data | 已初始化全局变量(RAM)
+------------------+ 0x20000000 (RAM 起始)
注意
- 栈向下增长,堆向上增长,如果二者相遇会导致崩溃(Stack Overflow)。
- 优化方法:
- 尽量使用
const让数据存入 Flash,减少 RAM 占用。 - 避免使用
malloc(),防止内存碎片化。
- 尽量使用
1.6 0x40000000 - 0x500607FF:外设寄存器
作用
- 用于 MCU 片上外设的控制,如:
- GPIO(0x40010800):控制 I/O 口输入/输出。
- UART(0x40013800):串口收发数据。
- SPI(0x40013000):SPI 传输数据。
- ADC(0x40012400):模拟信号转换。
代码示例
#define GPIOC_ODR (*((volatile uint32_t*) 0x4001100C))
GPIOC_ODR |= (1 << 13); // 置位 PC13(LED 亮)
特点
- 访问外设寄存器时 必须使用
volatile修饰,否则编译器可能优化导致错误。
1.7 0xE0000000 - 0xE00FFFFF:System 控制寄存器
作用
- 控制 中断、调试、系统时钟,主要包括:
- NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller,中断控制器)
- SysTick(系统定时器)
- SCB(System Control Block,系统控制块)
代码示例
#define NVIC_ISER0 (*((volatile uint32_t*) 0xE000E100))
NVIC_ISER0 |= (1 << 6); // 使能外部中断 6
特点
- NVIC 允许中断嵌套,可以配置优先级。
- SysTick 是 Cortex-M 内置的 24-bit 计时器,用于系统心跳计时
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