macOS 下的 ARM 裸机嵌入式开发入门- 第一部分:开发环境搭建与工具准备

1. ARM 裸机开发的基础知识

1.1 什么是裸机开发？

“裸机开发”指的是在没有操作系统的情况下直接与硬件交互的编程方式。在裸机开发中，我们不依赖现成的操作系统，直接控制处理器和外围设备。因此，在嵌入式系统（例如微控制器、嵌入式芯片等）中，裸机编程可以让我们以更高的性能、较小的存储占用运行特定的任务。不过，这也意味着开发者需要自己管理底层资源，例如初始化硬件、处理中断、管理内存等。

裸机开发的难点在于：

• 需要对硬件非常了解，例如寄存器、时钟系统、总线架构等。
• 没有操作系统来管理资源，因此需要手动初始化和管理所有外设和内存。
• 调试相对复杂，因为没有 OS 的辅助和日志系统。

1.2 ARM 架构简介

在嵌入式开发中，ARM 架构是一种广泛应用的处理器架构。ARMv7 是一种 32 位架构，常见于嵌入式设备中。它具有以下特点：

• 精简指令集（RISC）：每条指令执行的时间较短，利于高效执行任务。
• 寄存器丰富：包含了多个通用寄存器，方便执行快速的运算和数据存储。
• 分级异常处理：支持不同优先级的中断，有利于实时控制任务。

通过本教程，我们将使用 ARMv7 处理器进行裸机编程，逐步介绍如何控制和调试这个架构的基本功能。

1.3 项目目标

在本系列教程中，我们的目标是构建一个最小化的裸机系统，从编写启动代码到基本应用程序，通过该过程掌握 ARMv7 架构裸机编程的核心知识点。

最终目标是编写一个可以在 QEMU 上运行的裸机程序，同时学会如何用 arm-none-eabi-gdb 调试运行中的程序。具体内容包括：
• 初始化 ARM 启动代码：掌握启动流程、堆栈配置等基本概念。
• 实现裸机程序：通过简单的串口输出等方式编写基本应用程序。
• 远程调试：通过 QEMU 和 arm-none-eabi-gdb 连接，观察并控制程序执行。

2. 在 macOS 上配置开发环境

2.1 安装 Homebrew

Homebrew 是 macOS 上流行的包管理工具，可以用来安装许多开发工具。
1. 打开终端，输入以下命令来安装 Homebrew：

/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"

2.安装完成后，运行 **brew --version** 检查 Homebrew 是否安装成功。

2.2 安装 ARM GCC 交叉编译工具链（arm-none-eabi-gcc）

ARM 裸机编程需要使用 ARM GCC 交叉编译器，这个工具链用于将 C/C++ 代码编译成 ARM 机器码。

在终端中输入以下命令来安装：

brew install arm-gcc-bin

安装完成后，运行以下命令确认安装是否成功：

arm-none-eabi-gcc --version

这样，我们就安装好了 ARM GCC 交叉编译器，接下来可以用它来生成 ARM 架构的可执行文件。

2.3 安装 QEMU

QEMU 是一种开源虚拟化工具，可以模拟多种 CPU 架构，包括 ARM。通过 QEMU，我们可以在没有实际开发板的情况下测试和运行裸机程序。

使用以下命令安装 QEMU：

brew install qemu

安装完成后，运行以下命令确认安装：

qemu-system-arm --version

2.4 安装 arm-none-eabi-gdb

arm-none-eabi-gdb 是 GNU 的调试工具，可以用于调试 ARM 程序。

在 macOS 上，安装 arm-none-eabi-gdb 的方法如下：

brew install arm-gcc-bin

安装完成后，可以通过以下命令确认：

arm-none-eabi-gdb --version

3. 工具链介绍

3.1 ARM GCC 编译器的使用

arm-none-eabi-gcc 是 ARM 的交叉编译工具链。使用该工具链可以编译 C/C++ 源码到 ARM 可执行文件。关键命令参数包括：
• -mcpu=…：指定目标 CPU 类型。
• -mthumb：生成 Thumb 指令集代码。
• -o：输出文件指定。

示例：

arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-m3 -mthumb -o main.elf main.c

3.2 链接脚本（linker script）

嵌入式编程中，链接脚本用于指定程序代码和数据在内存中的布局。链接脚本通过文件 .ld 指定内存分配，例如代码段、数据段的内存地址。后续我们会详细讲解如何编写链接脚本。

3.3 arm-none-eabi-gdb 调试器的基础使用

arm-none-eabi-gdb 可以通过 gdbserver 模式与 QEMU 连接调试 ARM 程序。常用的调试命令包括：
• break：设置断点。
• continue：继续运行程序。
• step 和 next：单步执行程序。
• print：打印变量和寄存器的值。

3.4 QEMU 虚拟化工具

QEMU 是本系列教程的关键工具，主要用于模拟 ARMv7 架构。关键命令参数包括：
• -cpu：指定模拟的 CPU 类型。
• -machine：指定模拟的硬件平台。
• -kernel：加载裸机程序。
• -S -s：启动 gdbserver，便于使用 arm-none-eabi-gdb 调试。

示例：

qemu-system-arm -M versatilepb -cpu cortex-m3 -kernel main.elf -S -s

通过以上命令，我们可以启动 QEMU 并在默认的 1234 端口上开启 arm-none-eabi-gdb 服务器，从而进行远程调试。

通过以上步骤，macOS 的 ARM 开发环境已基本配置完成。在接下来的部分，我们将开始编写第一个 ARM 裸机程序，从最基础的启动代码写起，逐步掌握裸机系统开发的核心技术。

原文地址：https://blog.csdn.net/gzjimzhou/article/details/143667452

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