ARM Cortex-M0 Embedded Learning

从零开始学习 ARM Cortex-M0 嵌入式开发 — 使用 QEMU 模拟 BBC micro:bit，无需物理硬件。

---

快速开始（5 分钟）

前提条件

工具	安装方式
ARM GCC	sudo apt install gcc-arm-none-eabi（Linux）或 ARM Developer
QEMU	sudo apt install qemu-system-arm（Linux）或 QEMU
CMake + Ninja	sudo apt install cmake ninja-build

构建并运行

# 克隆（含 FreeRTOS 子模块）
git clone --recurse-submodules https://github.com/neluca/embedded-from-scratch.git
cd embedded-from-scratch

# 构建所有阶段
cmake -B build -S . -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=cmake/arm-none-eabi-gcc.cmake -G Ninja
cmake --build build

# 运行 Lesson 1
qemu-system-arm -M microbit \
    -kernel build/lesson_01_bare_metal/lesson_01_bare_metal.elf \
    -semihosting -nographic

看到 Hello Embedded World! 就成功了！

设置 ARM GCC 前缀（可选）

如果 arm-none-eabi-gcc 不在 PATH 中：

# Linux/macOS
export ARM_GCC_PREFIX=/opt/arm-gcc/bin/arm-none-eabi-

# Windows (Git Bash)
export ARM_GCC_PREFIX=D:/Bin/arm/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-

---

为什么从 Cortex-M0 开始？

Cortex-M0 是 ARM 家族中最精简的处理器——整个指令集只有 56 条指令。这不是缺陷，而是一种优势。

用小指令集，学大道理

 ARM 指令集复杂度对比:
 
 ARMv7-M (Cortex-M3/M4):  200+ 条指令  →  功能强大但难入门
 ARMv6-M (Cortex-M0/M0+):  56 条指令   →  2 小时可学完全部指令

M0 的指令少，意味着你可以在极短时间内看到全貌。一旦掌握了 M0，向上迁移到 M3/M4/M7 就只是"多了些方便指令"——核心概念完全相通。这比从复杂的 M4 入手、被大量指令淹没效率高得多。

你将获得的能力

层级	技能	可迁移到
指令层	手写 ARM 汇编、理解 AAPCS 调用约定、读懂反汇编	任何 ARM 芯片 (A 系列 / R 系列 / M 系列)
芯片层	NVIC 中断控制、SysTick/PendSV/SVC 异常、内存映射 I/O	Cortex-M0/M0+/M3/M4/M7/M23/M33
系统层	链接脚本、启动代码、newlib 移植、FreeRTOS 集成	所有嵌入式 RTOS 项目
工程层	CMake 交叉编译、GDB 远程调试、QEMU 仿真、CI/CD	通用嵌入式工程实践
可靠性层	看门狗策略、断言系统、栈溢出检测、CRC 校验、故障日志	工业/汽车/医疗等关键领域

举一反三

M0 上学到的每一条原理都可以直接用于更大的 ARM 芯片：

• M0 的 ldr r0, [r1, #4] → M4 的 ldr r0, [r1, r2, lsl #2] — 寻址模式更灵活，但本质都是内存访问
• M0 的 CMP + B<cond> → M4 的 CBZ/CBNZ + IT 块 — 多了捷径，但分支逻辑不变
• M0 的手动软件除法 → M4 的 UDIV/SDIV — 硬件帮你做了，但除法原理不变
• M0 无 VTOR → M4 有 VTOR — 多了一个寄存器，但向量表概念完全一致

学会 M0，你就学会了 ARM 世界最难的版本。 没有硬件除法器、没有位域指令、没有 MPU——你必须自己实现一切。这恰恰让你理解了底层每一件事是如何工作的。往上走，那些"方便指令"只是锦上添花。

---

学习路径

flowchart LR
    L1["Lesson 1<br>裸机"] --> L2["Lesson 2<br>ARMv6-M"] --> L3["Lesson 3<br>C+汇编"] --> L4["Lesson 4<br>异常/中断"] --> L5["Lesson 5<br>外设驱动"] --> L6["Lesson 6<br>C标准库"] --> L7["Lesson 7<br>FreeRTOS"] --> L8["Lesson 8<br>高级主题"] --> L9["Lesson 9<br>Bootloader"] --> L10["Lesson 10<br>看门狗"] --> L11["Lesson 11<br>错误处理"] --> L12["Lesson 12<br>数据结构"] --> L13["Lesson 13<br>中断优先级"]

Loading

阶段	你会学到
Lesson 1	CMake 工具链、链接脚本、启动代码、Semihosting
Lesson 2	ARMv6-M 指令集、寄存器、内存访问、栈、子程序
Lesson 3	AAPCS 调用约定、内联汇编、PRIMASK/临界区
Lesson 4	NVIC、SysTick、PendSV、HardFault 分析器
Lesson 5	UART/GPIO/Timer 驱动、内存映射 I/O
Lesson 6	C 运行时、syscall、printf/malloc、软件浮点
Lesson 7	多任务调度、队列通信、上下文切换
Lesson 8	GDB 调试、优化分析、低功耗、生产部署
Lesson 9	Bootloader + Application 双固件启动
Lesson 10	WDT 看门狗、复位原因诊断、多点喂狗策略
Lesson 11	断言、栈溢出检测、错误码、CRC校验、故障日志
Lesson 12	环形缓冲、状态机、位操作、COBS帧编码
Lesson 13	NVIC 优先级、中断抢占、临界区、优先级反转

每个阶段有独立的 README.md 包含详细说明。

---

Cortex-M0 vs M0+

本项目目标为 Cortex-M0，同时说明其与 M0+ 的区别：

特性	Cortex-M0	Cortex-M0+
指令集	ARMv6-M (Thumb-1)	ARMv6-M (Thumb-1) — 完全相同
流水线	3 级	2 级（更快中断响应）
MPU	无	可选
VTOR	无（向量表固定在 0x00000000）	可选
I/O 端口	标准总线访问	单周期 I/O 端口
WFE/SEV	支持（指令存在，无外部事件信号）	支持（含 TXEV/RXEV 外部事件接口）

两者使用相同指令集，本项目代码同时适用于 M0 和 M0+。QEMU 使用 cortex-m0 CPU 模型。

---

项目结构

embedded-from-scratch/
├── .github/workflows/             # CI/CD 自动化
│   └── build.yml
├── cmake/
│   ├── arm-none-eabi-gcc.cmake    # CMake 工具链文件
│   └── qemu_run.cmake             # QEMU 运行目标
├── scripts/
│   ├── build.sh                   # 构建脚本
│   ├── run_qemu.sh                # QEMU 运行脚本
│   └── debug.gdb                  # GDB 调试脚本
├── docs/                          # 参考文档（工具链、ELF、汇编、FreeRTOS...）
├── lesson_01_bare_metal/           # 13 个学习阶段
├── lesson_02_assembly/
├── lesson_03_c_asm_integration/
├── lesson_04_exceptions_interrupts/
├── lesson_05_peripherals/
├── lesson_06_newlib/
├── lesson_07_freertos/
├── lesson_08_advanced/
├── lesson_09_bootloader/
├── lesson_10_watchdog/
├── lesson_11_error_handling/
├── lesson_12_patterns/
├── lesson_13_interrupt_priority/  # 13 个学习阶段
├── CMakeLists.txt                 # 根构建文件
├── .clang-format                  # 代码格式化规则
├── LICENSE                        # MIT
└── CONTRIBUTING.md                # 贡献指南

---

构建单个阶段

# 使用脚本（推荐）
bash scripts/build.sh lesson_01_bare_metal Debug

# 或手动 CMake（使用 out-of-source 构建目录）
cmake -B /tmp/learn-build/lesson_01 -S lesson_01_bare_metal \
    -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=cmake/arm-none-eabi-gcc.cmake -G Ninja
cmake --build /tmp/learn-build/lesson_01

在 QEMU 中运行

每个阶段自动生成 CMake 运行目标：

# 配置（生成 QEMU 运行目标）
cmake -B /tmp/learn-build/lesson_01 -S lesson_01_bare_metal \
    -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=cmake/arm-none-eabi-gcc.cmake -G Ninja
cmake --build /tmp/learn-build/lesson_01

# 运行（QEMU semihosting 模式，ELF 文件）
cmake --build /tmp/learn-build/lesson_01 --target run_lesson_01_bare_metal

# 运行 Release 版本（raw binary，无 semihosting，通过 UART 输出）
cmake -B /tmp/learn-build/lesson_01_rel -S lesson_01_bare_metal \
    -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=cmake/arm-none-eabi-gcc.cmake \
    -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -G Ninja
cmake --build /tmp/learn-build/lesson_01_rel
cmake --build /tmp/learn-build/lesson_01_rel --target run_bin_lesson_01_bare_metal

# GDB 调试模式（端口 1234，CPU 暂停）
cmake --build /tmp/learn-build/lesson_01 --target debug_lesson_01_bare_metal

# GDB 调试模式（CPU 运行中，可随时 attach）
cmake --build /tmp/learn-build/lesson_01 --target debug_continue_lesson_01_bare_metal

每个阶段有四个 CMake 目标：

目标	加载文件	适用场景
run_<name>	.elf + semihosting	Debug 开发，看 semihosting 输出
run_bin_<name>	.bin (raw binary)	Release 测试，模拟真实烧录
debug_<name>	.elf + GDB 暂停	从第一条指令开始调试
debug_continue_<name>	.elf + GDB 运行中	Attach 到正在运行的程序

在 CLion 中，打开任意阶段的 CMakeLists.txt 作为项目，CMake 配置后 Run Configurations 下拉菜单中会自动出现这些目标，选择后可直接点击运行按钮在 CLion 终端中看到 QEMU 输出。

构建产物

每个阶段的 build/Debug/ 目录下：

文件	用途
*.elf	可执行文件（QEMU 加载）
*.disasm	反汇编 + 源码（学习编译器输出）
*.map	内存映射文件（分析内存使用）
*.hex	Intel HEX 格式（真实硬件烧录）

---

QEMU 调试

# Terminal 1 — 启动 QEMU（暂停等待调试器）
bash scripts/run_qemu.sh lesson_01_bare_metal/build/Debug/lesson_01_bare_metal.elf --gdb-pause

# Terminal 2 — 连接 GDB
arm-none-eabi-gdb lesson_01_bare_metal/build/Debug/lesson_01_bare_metal.elf -x scripts/debug.gdb

---

从 QEMU 到真实硬件

flowchart LR
    S1["1. 获取 BBC micro:bit<br>(约 $15)"] --> S2["2. 生成 HEX<br>objcopy -O ihex"] --> S3["3. 复制 .hex 到<br>MICROBIT USB 驱动器"] --> S4["4. 代码无需修改<br>UART 驱动适配 nRF51822"]

Loading

---

文档

指南	内容
GNU 工具链	gcc, as, ld, objdump, size, gdb 使用方法
ELF 格式	Section、VMA/LMA、内存布局
汇编指南	ARMv6-M 指令集、寄存器、Thumb-1 约束
链接脚本	MEMORY, SECTIONS, 栈/堆定义
newlib-nano	syscall 接口、printf/malloc 调用链
FreeRTOS	任务、调度器、PendSV、队列
QEMU 详解	安装、参数、Semihosting 原理、GDB 调试

文档索引 →

---

外部参考

• ARMv6-M Architecture Reference Manual
• nRF51822 Product Specification
• ARM Semihosting Specification
• FreeRTOS Kernel
• QEMU ARM System Emulation

许可证

MIT — 详见 LICENSE