ARM 嵌入式开发学习笔记：从内核到外设

一、开发板介绍

1. IMX6ULL-Mini开发板概述

IMX6ULL-Mini开发板是由正点原子提供的嵌入式开发平台，搭载NXP生产的i.MX6ULL系统级芯片（SoC），具有高性能、低功耗和紧凑体积的特点。

2. 硬件组成

（1）核心板

• 六层PCB设计

• CPU：NXP i.MX 6ULL Cortex-A7单核处理器

  • 主频：528MHz（工业级）或 800MHz（商业级）

  • 封装：467引脚BGA

• 内存：512MB DDR3L RAM，支持高速数据存取

• 存储：8GB eMMC，支持多种启动模式（SD卡、NAND、eMMC）

• 显示屏：支持4.3寸屏，800×480分辨率

（2）底板

• 通过双列直插方式与核心板连接

• LED模块：

  • 红色LED：用户可控指示灯

  • 蓝色LED：电源指示灯

  • 510Ω限流电阻：防止电流过大，保护LED灯珠

3. 相关术语

• Cortex-A7：ARM公司设计的处理器核心架构

• i.MX6ULL：NXP公司生产的系统级芯片（SoC）

• IMX6ULL-Mini：正点原子基于i.MX6ULL设计的开发板

二、开发环境搭建

1. 软件工具安装

（1）Visual Studio Code

• 安装Arm Assembly插件，支持汇编语法高亮

（2）创建工程目录

D:\IMX6ULL\led_asm

（3）创建启动文件

• 文件名：start.S（注意大写S后缀，会进行预处理）

2. 为什么需要交叉编译？

场景	原因	比喻
Windows开发	电脑是x86架构	中国人写英文文章
ARM运行	开发板是ARM架构	美国人读英文文章
交叉编译	在x86上编译ARM程序	中国人用翻译器写英文文章

3. 工具链组件功能说明

（1）编译器（arm-linux-gnueabihf-gcc）

• 作用：翻译官，把人类写的代码翻译成机器代码

• 输入：.c文件（C语言）或.S文件（汇编语言）

• 输出：.o文件（目标文件）

• 比喻：把中文小说翻译成英文草稿

• 作用：装订员，把所有章节装订成书

• 作用：格式转换专家

• 转换：elf → bin

• 区别：

  • ELF格式：包含地址、调试信息（像带目录的书）

  • BIN格式：纯二进制指令（像直接的文章内容）

• 比喻：把带目录的书去掉封面目录，只留正文

• 作用：逆向翻译官

• 功能：把机器码翻译回汇编语言

• 用途：调试、学习、分析

• 比喻：把英文书翻译回中文，方便理解

• 任务：

  1. 收集所有.o文件

  2. 分配内存地址

  3. 解决"谁调用谁"的问题

• 输出：.elf文件（完整的书）

• 比喻：把各章草稿装订成完整书籍

4. 交叉编译工具链安装

（1）工具链文件

• 文件：gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

（2）安装步骤

1. 拷贝到 /usr/local/arm

2. 解压：sudo tar -xvf gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

3. 删除压缩包：sudo rm gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

4. 配置环境变量：

   export PATH=$PATH:/usr/local/arm/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/

5. 重启虚拟机：reboot

6. 验证安装：arm-linux-gnueabihf-gcc -v

三、ARM架构基础理论

1. ARM工作模式（简单理解）

模式	用途	比喻
系统模式	正常程序运行	正常办公状态
IRQ模式	处理中断	接电话状态
FIQ模式	处理快速中断	紧急呼叫状态
用户模式	用户程序运行	访客权限状态

2. 寄存器 - CPU的工作台

（1）通用寄存器

• R0-R12：普通工作台，放临时数据

• 比喻：桌子上的草稿纸

（2）特殊寄存器

• R13（SP）：栈指针，标记数据堆叠位置

• R14（LR）：链接寄存器，记住返回地址

• R15（PC）：程序计数器，记录执行到哪一行

• 比喻：

  • SP：书签，标记看到哪一页

  • LR：便签，标记要回到哪一页

  • PC：手指，指着当前读的哪一行

3. 内存地址空间

0x80000000 - 0x9FFFFFFF：DDR内存（512MB）
   像：房间号80000000到9FFFFFFF的大房间

0x020C4000 - 0x020CFFFF：GPIO控制器
   像：专门控制灯的开关房间

4. GPIO控制原理

引脚控制的三个步骤：

第一步：设置引脚功能（我是谁？）

问：这个引脚是干嘛的？
答：我是控制LED灯的引脚（不是串口，不是I2C）
配置：设置成GPIO功能

第二步：设置引脚方向（我能干什么？）

问：这个引脚是输入还是输出？
答：输出（要控制LED亮灭）
配置：设置为输出模式

第三步：设置引脚状态（我现在要干什么？）

问：输出高电平还是低电平？
答：高电平 → LED亮
    低电平 → LED灭
配置：设置对应电平

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四、外设控制理论

1. 寄存器操作基本概念

（1）什么是寄存器？

• 定义：CPU内部的小存储单元

• 大小：通常32位（4字节）

• 特点：每个位都有特定含义

（2）寄存器操作三板斧

// 1. 读-改-写模式（最常用）
value = 读寄存器();
value = value | 0x01;  // 设置某位
写寄存器(value);

// 2. 直接赋值
写寄存器(0xFFFFFFFF);

// 3. 位清除
value = 读寄存器();
value = value & ~0x01;  // 清除某位
写寄存器(value);

2. IOMUXC（引脚复用控制器）

为什么要引脚复用？

• 问题：芯片引脚有限，功能很多

• 解决方案：一个引脚多种功能，需要时切换

• 比喻：多功能厅，可以开会、吃饭、跳舞

配置方法：

设置IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03的[3:0]位
0001：GPIO功能
0101：另一个功能
1001：又一个功能

3. 延时函数原理

软件延时

for(int i=0; i<1000000; i++) {
    // 空循环，消耗时间
}

延时精度问题

• 影响因素：

  1. CPU主频

  2. 编译器优化

  3. 内存速度

• 改进：使用硬件定时器

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五、开发流程理论总结

1. 完整开发流程

写代码 → 交叉编译 → 生成二进制 → 烧录 → 上电运行
    ↑          ↑         ↑         ↑         ↑
   编辑器    编译器    转换器    烧录器    开发板

2. 地址空间映射

地址范围	内容	加载时机
0x80000000	DDR起始	上电后
0x87800000	程序加载地址	链接时指定
0x020C4000	GPIO寄存器	硬件固定

3. 启动方式选择原理

BOOT模式拨码开关

拨码开关 → 选择启动介质 → CPU从该介质加载程序
   ↓            ↓              ↓
物理开关     SD卡/eMMC     读取第一个程序

4. 调试理论

常用调试方法：

1. LED调试法：用LED灯显示状态

2. 串口打印法：通过串口输出信息

3. 仿真器调试：硬件单步执行

问题诊断流程：

现象 → 假设 → 验证 → 结论
LED不亮 → 程序没运行 → 检查SD卡 → 启动方式错误

六、重要概念对照表

新手理解	专业术语	实际含义
大脑	CPU	中央处理器
短期记忆	RAM	随机存取存储器
长期记忆	eMMC	嵌入式多媒体卡
开关	GPIO	通用输入输出
多功能厅	IOMUXC	输入输出复用控制器
翻译官	编译器	代码转换工具
装订员	链接器	目标文件合并工具
房间号	内存地址	存储位置标识