3-2-1 ARM架构简明教程：硬件架构与汇编指令

3-2-1 ARM架构简明教程：硬件架构与汇编指令

1. 为什么要学习 ARM 架构？

在学习 RTOS（实时操作系统）或者单片机编程的时候，我们经常会遇到任务栈（Stack）、任务调度等概念，而这些都与 CPU 的架构密切相关。只有深入理解 ARM 处理器的架构，你才能真正掌握 RTOS 的核心。

今天，我们就从 ARM 硬件架构 和 基础汇编指令 这两个方面，来快速入门 ARM 架构。

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2. ARM 处理器的架构

2.1 计算机的组成

如果你曾经自己组装过电脑，你会发现电脑的基本组成是：

• CPU（中央处理器）
• 内存（RAM）
• 硬盘（存储）
• 主板（连接各种硬件）

这些组件是分开的，需要主板连接起来。

但是，在嵌入式系统（单片机）里，情况有所不同。单片机使用的是 SoC（System on Chip，系统级芯片），即把 CPU、内存、存储等都集成在一个芯片上，如下图所示：

------------------------
|        ARM SoC       |
| -------------------  |
| | CPU            |  |
| -------------------  |
| | 内存 (SRAM)   |  |
| -------------------  |
| | Flash (存储)  |  |
| -------------------  |
------------------------

这里：

• CPU 负责运算
• 内存（SRAM）用于存放临时数据
• Flash 存储程序代码

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2.2 CPU 与内存的交互

在 ARM 处理器中，所有的计算都是在 CPU 内部进行的，内存（RAM）只是存储数据，它本身不具备计算能力。来看一个例子：

假设 C 语言代码：

a = a * b;

在 ARM 处理器中，CPU 无法直接在内存里进行乘法运算，它必须经过 4 个步骤：

1. 从内存中读取变量 a
2. 从内存中读取变量 b
3. 在 CPU 内部执行 a * b
4. 把计算结果存回内存

这就是 精简指令集（RISC） 的特点——CPU 只提供基本的读写指令，所有计算都在 CPU 内部的 寄存器 里完成。

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2.3 CPU 内部结构

那么，CPU 内部 是怎么存储变量 a 和 b 的呢？来看 ARM CPU 的内部架构：

-------------------------
|  计算单元 (ALU)      |
-------------------------
|  R0  R1  R2  R3  R4  |
|  R5  R6  R7  R8  R9  |
|  R10 R11 R12 R13 R14 |
-------------------------

ARM 处理器有一组 寄存器（Register），用来存储运算过程中的临时数据。

重点：

• 变量 a 可能存放在 R0
• 变量 b 可能存放在 R1
• 计算 a * b 的结果会存放在 R0

这就解释了为什么 ARM 处理器在执行 C 代码时，需要先把数据加载到寄存器。

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2.4 栈指针（SP）、链接寄存器（LR）、程序计数器（PC）

在 ARM 处理器中，某些寄存器有特殊作用：

寄存器	名称	作用
R13	SP（Stack Pointer）	栈指针，用于管理任务栈
R14	LR（Link Register）	链接寄存器，用于存放函数返回地址
R15	PC（Program Counter）	程序计数器，存放下一条要执行的指令

函数调用过程

void funcA() {
    funcB();  // 调用 funcB
}

• 当 funcA() 调用 funcB() 时，funcA() 的返回地址会被存入 LR（R14）。
• funcB() 执行完后，会从 LR 取回地址，回到 funcA() 继续执行。

这个机制对于 RTOS 的任务切换 至关重要，因为任务切换本质上就是修改 PC（R15）寄存器的值。

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3. ARM 汇编指令入门

3.1 内存读写指令（Load & Store）

ARM 处理器不能直接在内存里计算数据，必须先把数据加载到寄存器。

读取数据（Load）

LDR R0, [R1]

解释：

• 从 R1 指向的内存地址 读取 4 个字节，存入 R0

存储数据（Store）

STR R0, [R1]

解释：

• 把 R0 里的数据 存入 R1 指向的内存地址

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3.2 算术指令（ADD、SUB）

加法

ADD R0, R1, R2

解释：

• 计算 R1 + R2，把结果存入 R0

减法

SUB R0, R1, R2

解释：

• 计算 R1 - R2，把结果存入 R0

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3.3 比较指令（CMP）

CMP R0, R1

解释：

• 比较 R0 和 R1，结果存入 状态寄存器（PSR）
• 这个结果会影响后续 B（跳转）指令的执行

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3.4 跳转指令（B、BL）

直接跳转

B label

解释：

• 无条件跳转 到 label 位置

函数调用

BL func

解释：

• 跳转到 func，并保存返回地址
• 这个返回地址会存入 LR（R14）

当 func 执行完后，我们可以用：

BX LR

返回到调用 func 的位置。

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4. 总结

今天我们学到了什么？

✅ ARM 处理器的 CPU、寄存器、内存 关系
✅ 任务栈（SP）、函数返回地址（LR）、程序计数器（PC） 的作用
✅ 基本的 ARM 汇编指令（LDR、STR、ADD、SUB、CMP、B、BL）

下一步学习

如果你想更进一步，建议你尝试：

1. 用 Keil 编写简单的 ARM 汇编程序
2. 理解 RTOS 任务切换的底层实现
3. 深入学习 ARM Cortex-M 架构

ARM 处理器是嵌入式开发的基石，理解它的本质，你才能真正掌握 FreeRTOS 和更高级的嵌入式开发技术！

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希望这篇文章对你有帮助，我们下节课见！