ARM官方手册太厚太难学？这本书助你迎接万物互联的浪潮

互联网的下一波浪潮会是什么？

基于 IoT（Internet of Things，物联网）的应用大爆发一定不会缺席。从这个概念提出到目前，市场上已经有了一些探索，例如可穿戴式设备、传感器、移动通信设备等。

但是，现有的这些设备和业务距离我们整个社会生产和生活的真实需求，还有一定的鸿沟。这个差距正是今后程序员们的机会所在。

万物互联是一个能充分发挥人们想象力的概念。在万物互联的时代，会发生什么呢？我无法预知，因为现在我们还被分隔在“物”的数字孤岛上。就好像以前只能打电话的手机，一与互联网相连接，就造就了辉煌的移动互联时代。

要踏上万物互联时代的航程，那张真正的船票在哪里？

无论业务如何千变万化，所有的设备必然向着低功耗、微型化方向发展。设备总要靠着处理器来计算的，那么打通了处理器的底层内功者，就是手握真正船票之人。

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怎样拿到船票

目前， IoT 业内应用最广泛的非 ARM64 体系结构莫属，不过要一下子吃透它也确实不容易。幸运的是，《ARM64体系结构编程与实践》这本书可以帮助我们由浅入深地学会 ARM64 体系结构的编程。

▲ 入门ARM64体系结构编程，就用这本书

不过，在此要提醒一点，要从事嵌入式系统开发并不容易。因为它要求程序员了解到处理器的体系结构这一层，对于 x86 架构下的通用应用开发程序员来说，这可能是个不小的挑战。

那么，程序员的基本功就包括熟悉汇编语言、能看懂 CPU 指令手册、了解 Linux 操作系统内核等。

其实，《ARM64体系结构编程与实践》这本书的目标就是帮助程序员从编写裸机程序开始，循序渐进地学会如何编写具备现代操作系统特征的最小化OS。该书作者团队将实验代码汇集并在 GitHub 上发布，命名为 BenOS，方便读者学习交流。

在之前的嵌入式开发工作中，我曾遇到过硬盘传输瓶颈的问题。后来，这个问题由公司中一位资深开发解决了，他绕开了操作系统的限制，直接操控 CPU 与内存，将程序的性能提升了十几倍。

这样的突破才是真正的船票。借用《纳瓦尔宝典》中的一个观点：

如果你的技能可以通过培训获得，那么社会也可以培训他人来取代你。要让自己具备不可替代的独特性。

能学会 ARM64 体系结构编程，并且创造性地解决问题，就是程序员最独特的价值。

其实，学习 ARM64 体系结构编程也并非难如登天，让我们先从最基本的概念开始了解。

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ARM64 体系结构是怎么回事

不懂就问：ARM64 体系结构到底是什么？

这要从一家名为 ARM 的英国公司说起。ARM 是 Advanced RISC Machines 的缩写。可以看出来，它是以设计 RISC（精简指令集计算机）的处理器为主。

有意思的是，没有一块 ARM 处理器芯片是这家公司生产的，它的业务模式是出售技术 IP（Intellectual Property，知识产权）。

也就是说，谁有兴趣生产 ARM 处理器芯片，就可以向 ARM 公司购买芯片技术授权， 然后 ARM 公司会提供技术支持与服务。这样，ARM 公司避开了市场波动的风险，可以专注于处理器的设计之中。

ARM 体系结构是一种硬件规范，用来约定指令集、芯片内部体系结构， 包括处理器如何进行片内高速缓存管理，以及内存管理等。

目前 ARM 体系结构最新版本是 ARMv9，而市场上最普及的是 2011 年就发布的 ARMv8，也是从这个版本开始支持 64 位。因此，《ARM64体系结构编程与实践》书中的内容是基于 ARMv8 / ARMv9 展开的。

ARM 公司通常在发布新版本的体系结构之后，根据不同的应用需求，开发出兼容体系结构的处理器 IP，然后授权给客户。

例如在 ARMv8 体系结构中，就有 Cortex-A53、Cortex-A55、Cortex-A72、Cortex-A73 等多个处理器IP。它们各有侧重，有的以节能为主，有的强调性能。客户可以基于自身需求进行选择。

我们知道 ARM64 体系结构是一种规范，那么接下来学习这个规范中最重要的内容吧。

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ARM64 处理器的语言：A64 指令集

在大学的计算机组成原理课上，我们都学过， CPU 的运算是通过指令来实现的。CPU 的指令集就定义了它可以完成哪些工作。

ARM 公司为处理器定义和实现的指令集一直在变化和发展中。

相比之前版本，ARMv8 体系结构最大的改变是增加了一个新的 64 位的指令集。它可以处理 64 位宽的寄存器和数据，并且使用 64 位的指针来访问内存。这个指令集就称为 A64 指令集，它运行在 AArch64 状态。

同时，ARMv8 也兼容旧的 32 位指令集（A32 指令集，运行在 AArch32状态）。要注意的是，A32 指令集与A64 指令集并不兼容，它们是两个完全不一样的指令集，指令编码都不相同。

从 32 位到 64 位的跨越，也使得 ARM 处理器不再是低功耗、低性能的代名词，支持 64 位的运算，意味着它也能从事高性能的计算工作。

如果要通过 ARM 官方提供的技术手册来学习，大几千页的内容恐怕早把人吓跑了。《ARM64体系结构编程与实践》就在第3章~第7章将 A64 指令集最关键的知识点整理出来，并手把手地讲解如何使用

从解析 A64 指令编码格式开始，逐一介绍内存加载与存储指令、算术和移位指令、条件操作与跳转指令等。还专门讲述了 A64 指令集的陷阱，具有相当的实战性。

光说不练假把式，我们接着就要操练起来了。

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绝知此事要躬行

嵌入式系统开发学习的一个门槛，就在于它对设备是有一定要求的。不像在 PC 平台上学习开发，安装好 IDE 开发工具，马上就可以进入编程工作中。

不过，《ARM64体系结构编程与实践》非常体贴地给程序员们准备好了行动指南，照着说明去做就好。书中推荐使用树莓派（Raspberry Pi）开发板，它以价廉物美、教学资源丰富而享誉全球，是技术爱好者们的热门之选。

我们先来看下实验设施：

• 硬件开发平台：树莓派 4B 开发板。
• 处理器体系结构：ARMv8 体系结构。
• 开发主机一台：安装 Linux 系统，推荐 Ubuntu Linux 20.04。
• MircroSD 卡一张，以及读卡器。
• USB 转串口模块。
• 杜邦线若干。
• Type-C USB 线一根。
• J-Link EDU 仿真器。

再来体验一下 ARM64 的“Hello, World”的实现过程。

（1）将开发板与主机用串口线连接，并在主机上使用串口终端程序查看是否有信号。

（2）将 Raspberry Pi OS 的映像文件烧录到 MircoSD 卡里，将卡插入开发板，通电后验证开发板工作是否正常。

（3）从 github上下载 BenOS 源码，并在 Linux 主机上配置交叉编译环境。编译得到 BenOS.bin 文件，复制到 MicroSD 卡的 boot 分区。

（4）将 MicroSD 卡插入开发板，通电之后即可在主机的串口终端中看到“Welcome BenOS”。

作为新手，完成这个入门操作，你已经相当兴奋了吧。这仅仅是一个裸机程序，当编写的功能渐趋复杂时，如何调试呢？

书中给出了使用 QEMU 虚拟机与 GDB 进行调试的详细说明。当要求在真机上进行调试时，又给出了使用 J-Link EDU 仿真器进行调试的办法。

总之，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。一边阅读一边动手练习，才是快速度掌握 ARM64 体系结构编程的方便法门。

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说在最后的话

最近几年，芯片行业“拿来即用”的既往经验已经不能复用了，为了避免来自国外的“卡脖子”，我国必须走向芯片自主研发的道路。最近，美国商务部工业安全局宣布，从8月15日开始正式对中国 EDA 软件断供。

这起事件影响的，就是中国企业在芯片与传感器上的设计能力。可见，在进入万物互联时代的过程中，对底层基础软件的研发能力，也决定了未来国家间竞争的格局。

所以，如果有更多的程序员能够投身于 ARM64 体系架构的编程工作中，我们就更有可能在 IoT 技术领域内赢得先机，从而在嵌入式操作系统、大数据、边缘计算、AI 等方面不再受制于人。

万物互联时代，你能拿到真正的船票，航向浪潮之巅吗？

▲ 万物互联下的不错选择

作者：阿诺

审校：栾传龙 谢晓芳

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