Lecture 2 : ARM Processors & Intro to Interfacing (ARM 处理器 & 接口)

Lecture @ 2025-3-3

ARM 处理器

什么是 ARM 处理器

ARM 的全称是 Advanced RISC Machine，是一种基于 RISC 架构的处理器，由 ARM 公司设计。其中 RISC 是 Reduced Instruction Set Computing 的缩写，即精简指令集计算机。类似的，有 CISC (Complex Instruction Set Computing, 复杂指令集计算机)。

RISC 和 CISC 的区别在于指令集的复杂度，RISC 的指令集更加简单，执行速度更快，但是需要更多的指令来完成同样的任务。也正因此，RISC 的硬件实现更加简单，更容易设计和优化。

CISC 和 RISC 都是一种 ISA，即 Instruction Set Architecture，指令集架构。ISA 定义了处理器的指令集，包括指令的格式、操作数的个数、寻址方式等。ISA 定义了软件和硬件之间的接口，使得软件可以在不同的硬件上运行。

ISA 是一种低级的抽象，它定义了处理器的指令集，但是不关心具体的实现。处理器的实现可以有很多种，只要它们遵循了 ISA 的规范，就可以运行相同的软件。而我们之前学过的编程语言，比如 C 语言，是一种高级的抽象，它定义了程序的结构和语法，但是不关心底层的硬件。

区别	RISC	CISC
指令集	一个周期执行一个的简单指令	复杂指令，可能需要多个周期
更通用的寄存器	芯片里有更多的空间给寄存器	相对更少的寄存器
内存模型	简单的内存模型，更少的数据类型	复杂的内存模型，更多的数据类型
重点	重点在软件上	重点在硬件上

总结一下:

• CISC
  • 优点
    • 代码的体积更小，因为一个指令可以完成更多的工作
    • 内存效率更高
  • 缺点
    • 运行更慢
    • 硬件设计更复杂
    • 通常有更高的功耗
• RISC
  • 优点
    • 运行更快
    • 功耗更低
  • 缺点
    • 更多的指令，因此代码更大
    • 需要更多的内存
    • 制造成本更高

并不只有 ARM 是 RISC 架构，还有 MIPS，RISC-V 等等。

ARM 处理器的类型

ARM 处理器广泛用于移动设备、嵌入式系统、智能手机、平板电脑、智能手表、智能家居等等。不同的 ARM 处理器有不同的性能和功耗，适用于不同的场景。

• ARM Cortex-M
  • 定位是 Microcontroller Processors, 适用于嵌入式系统
  • 低功耗，低成本
  • 时钟频率通常小于 200MHz
  • 适用于实时系统
• ARM Cortex-A
  • 定位是 Application Processors, 适用于智能手机、平板电脑等
  • 支持手机操作系统，比如 Android。同时支持 Linux
  • 高性能，时钟频率通常大于 1GHz
• ARM Cortex-R
  • 定位是 Real-time Processors, 适用于实时系统
  • 通常用于汽车、工业控制等
  • 时钟频率通常为 200MHz 到 1GHz

PPT 上给了一个更加详细的表格，可以参考。

对于嵌入式，常用的是 ARM Cortex-M 系列的处理器。比如 STM32 系列的处理器。

• Cortex-M1
  • 适用于 FPGA, 用于定制的处理器
• Cortex-M0 & Cortex-M0+ (ARMv6-M)
  • 适用于低成本、低功耗的应用
  • 适用于简单的嵌入式系统
• Cortex-M3 & Cortex-M4 (ARMv7-M)
  • 适用于中等成本、中等功耗的应用
  • 适用于复杂的嵌入式系统
• Cortex-M4 adds DSP & FPU
  • 适用于需要 DSP 和 FPU 的应用
• Cortex-M7 (ARMv7E-M)
  • 高性能系列，支持 DSP 和更先进的浮点运算指令

与 x86 和 MIPS 处理器的比较

区别	硅片面积	功耗	性能	指令集	使用场景	设计目标
ARM	更小	更低	更低	RISC	最佳能效	嵌入式系统
x86	更大	更高	更高	CISC	最高性能	通用系统

区别	指令集	寄存器数量	特点
ARM	RISC	16	支持 64 位，数据吞吐量高，更受欢迎
MIPS	RISC	32	适用于嵌入式系统

STM32 : 典型的 ARM Cortex-M 处理器

NUCLEO-L432KC

在这个课程中，我们将使用 STM32 系列的处理器，具体是 NUCLEO-L432KC 开发板。这个开发板集成了 STM32L432KC 处理器，是一款 ARM Cortex-M4 处理器。

STM32L432KC 是 STM32L4 系列的处理器，属于低功耗的 L 系列。它的定位是 L4 系列，适用于低功耗、低成本的应用。它的特点是低功耗、高性能、高集成度。

STM32L432KC 的命名方式是 STM32 + L + 4 + 32 + K + C，其中：

• STM32 是 STM32 系列的处理器
• L 是 L 系列，低功耗系列
• 4 是 L4 系列，属于低功耗系列中较高性能的系列
• 32 指具体是 L4 系列中的 L432 系列，决定了对应的外设数量等
• K 32pin 封装
• C 指的是 256KB Flash

用的时候再查具体的含义。

NUCLEO-L432KC 则是使用了 STM32L432KC 的具体的型号字母来命名的。NUCLEO 是 STMicroelectronics 推出的一款开发板系列，用于快速原型开发。NUCLEO-L432KC 是其中的一款，使用了 STM32L432KC 处理器，同时版载了一些常用的外设，比如 LED、按键、USB、UART，以及一个 STLINK 调试器。

Cortex-M4 的内存映射

回顾一下 Microelectronic System 讲过的嵌入式系统的存储类型。

内存映射是指将处理器的地址空间映射到外设的地址空间，使得处理器可以通过读写内存的方式来访问外设。不同的处理器会有不同的内存映射，具体的内存映射可以查看处理器的数据手册。

这个图是 Cortex-M4 的内存映射，可以看到，Cortex-M4 的地址空间被分为了几个部分

内存部分	内存大小	内存地址	功能
代码	0.5 GB	0x00000000 ~ 0x20000000	片上的 flash，用于存储用户编写的程序
SRAM (Static RAM)	0.5 GB	0x20000000 ~ 0x40000000	片上的 SRAM，来快速存取需要的数据
外设	0.5 GB	0x40000000 ~ 0x60000000	外设的寄存器，通过内存地址来访问外设
外置 RAM	1 GB	0x60000000 ~ 0xA0000000	外部的 RAM
外置设备	1 GB	0xA0000000 ~ 0xE0000000	外部设备的寄存器，比如 SRAM、Flash 等
系统	0.5 GB	0xE0000000 ~ 0xFFFFFFFF	给系统中断以及一些系统组件使用

这个也不用背，不同的处理器是不同的，需要的时候查阅数据手册

怎么往年卷真的考了，哈基格你无敌了

GPIO (General Purpose Input Output, 通用输入输出)

什么是 GPIO

GPIO，全称是 General Purpose Input Output，通用输入输出。它是一种通用的接口，可以用来连接处理器和外设。通过 GPIO，处理器可以读取外设的状态，或者控制外设的状态。

在硬件上，GPIO 是一些引脚，可以通过软件来配置这些引脚的功能。比如，可以将一个引脚配置为输入模式，用来读取外设的状态；也可以将一个引脚配置为输出模式，用来控制外设的状态。

同时它也可以自定义为一些特殊的功能，比如连接 ADC、DAC 或者串行总线等。

GPIO 的硬件结构

可以看到，GPIO 的硬件结构包括了输入输出缓冲器、控制寄存器、数据寄存器、上拉下拉电阻等。

输入部分包括了输入缓冲器和控制寄存器，用于读取外设的状态。输出部分包括了输出缓冲器、控制寄存器和数据寄存器，用于控制外设的状态。

内部的上下拉 MOSFET 电阻可以用来拉高或拉低电平，使得引脚的电平可以保持在一个确定的状态。

最右侧的上下拉电阻是可选的，可以通过软件来控制是否启用。二极管是用来保护引脚的，防止反向电压，让引脚的电压保持在一个安全的范围。

GPIO 的八种模式

• 输入模式
  • Floating Input (浮空输入)
    • 引脚电平默认浮空，不上拉不下拉
  • Pull-up Input (上拉输入)
    • 引脚电平默认上拉，默认为高电平
  • Pull-down Input (下拉输入)
    • 引脚电平默认下拉，默认为低电平
  • Analog Input (模拟输入)
    • 用于连接 ADC，读取模拟信号
• 输出模式
  • Push-pull Output (推挽输出)
    • 引脚可以输出高电平或低电平
      • 可以通过内置的接地 pull-down 电阻来拉低电平
      • 可以通过内置的电源 pull-up 电阻来拉高电平
  • Open-drain Output (开漏输出)
    • 引脚可以输出低电平，但是不能输出高电平
      • 具体原理是通过控制接地开关来控制输出
    • 需要外部上拉电阻来拉高电平
  • Alternate Function (复用功能) output
    • 也分为 push-pull 和 open-drain 两种
    • 用于连接外设，比如串口、SPI、I2C 等

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最后附加了一些关于硬件 debug 的方法

• 数字万用表，作为电压表测量电压，作为电流表测量电流，以及一些基础的使用方法
• 示波器，用来观测信号的波形，可以观测电压信号、电流信号、数字信号等