ARM Cortex-M 内存映射详解:如何基于寄存器直接读写 寄存器映射方式编码程序 直接操作硬件寄存器来控制 MCU

ARM Cortex-M 的系统映射空间

​ 在 STM32 等 ARM Cortex-M 系列 MCU 中，内存地址空间按照 存储功能 进行了严格划分，包括 Flash（程序存储）、RAM（数据存储）、外设寄存器（GPIO、UART、SPI 等）以及系统控制寄存器（中断、调试相关）。下面详细解析各个地址段的作用和特点。

1.1 内存地址映射总览

​ 在 ARM Cortex-M 处理器（如 STM32 系列 MCU）中地址空间通常采用 32 位地址总线，因此可寻址 4GB（0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF），但在嵌入式系统中，MCU 的可用内存远小于 4GB，并且地址空间被划分为多个功能区。

1.20x00000000 - 0x000003FF：向量表 (Vector Table)

​ MCU 复位后，系统从 0x00000000 地址处读取向量表，该表包含了复位后跳转到 main() 的入口地址。

作用：

• 存储异常和中断向量表，即异常/中断入口地址。
• 第一项存放的是栈指针初值（SP），用于 CPU 复位时初始化堆栈。
• 其余项是中断服务程序（ISR）地址，例如：
  • 复位向量（Reset Vector）
  • 硬件故障处理（HardFault、NMI）
  • 外设中断（UART、GPIO、TIM 等）

向量表示例

0x00000000: 0x20004FFF   ; 初始栈指针地址（RAM 顶部）
0x00000004: 0x08000239   ; 复位处理函数（Reset_Handler）
0x00000008: 0x08000321   ; NMI_Handler
0x0000000C: 0x08000345   ; HardFault_Handler

该表通存储于 Flash（0x08000000）

1.3 0x08000000 - 0x0800FFFF：Flash（程序存储）

作用

• 存放 MCU 固件（程序代码），包括：
  • .text（代码段）
  • .rodata（只读数据）
• 代码段的存储区域，运行时 CPU 直接从 Flash 取指令，不会加载到 RAM。

特点

• Flash 只能按扇区擦除，不能按字节修改（通常 1 次擦除需要 20ms 左右）。
• RAM 访问速度远快于 Flash，因此 关键代码可拷贝到 RAM 执行。

1.4 0x1FFFF000 - 0x1FFFF7FF：系统 Boot ROM

作用

• STM32 MCU 内置 Bootloader（引导程序），支持：
  • ISP（In-System Programming）：通过 UART/SWD 进行固件烧录。
  • IAP（In-Application Programming）：运行时更新 Flash 代码。

特点

• Bootloader 可以让 MCU 在 Flash 损坏的情况下仍然可以进行固件更新。
• 通过 BOOT0 / BOOT1 硬件引脚可以选择启动 Flash 还是 Bootloader。

1.5 0x20000000 - 0x20004FFF：RAM（数据存储）

作用

• 存储 MCU 运行时的变量和数据，包括：
  • .data 段：已初始化的全局变量（上电后从 Flash 复制到 RAM）
  • .bss 段：未初始化的全局变量（上电后初始化为 0）
  • 堆（Heap）：malloc() 动态分配的内存
  • 栈（Stack**）**：局部变量、函数调用信息

结构

+------------------+ 0x20005000 （RAM 结束）
|       Heap      |  动态分配（malloc）
+------------------+
|       Stack     |  栈（局部变量、返回地址）
+------------------+
|      .bss       |  未初始化数据（RAM）
+------------------+
|      .data      |  已初始化全局变量（RAM）
+------------------+ 0x20000000 （RAM 起始）

注意

• 栈向下增长，堆向上增长，如果二者相遇会导致崩溃（Stack Overflow）。
• 优化方法：
  • 尽量使用 const 让数据存入 Flash，减少 RAM 占用。
  • 避免使用 malloc()，防止内存碎片化。

1.6 0x40000000 - 0x500607FF：外设寄存器

作用

• 用于 MCU 片上外设的控制，如：
  • GPIO（0x40010800）：控制 I/O 口输入/输出。
  • UART（0x40013800）：串口收发数据。
  • SPI（0x40013000）：SPI 传输数据。
  • ADC（0x40012400）：模拟信号转换。

代码示例

#define GPIOC_ODR  (*((volatile uint32_t*) 0x4001100C))
GPIOC_ODR |= (1 << 13); // 置位 PC13（LED 亮）

特点

• 访问外设寄存器时 必须使用 volatile 修饰，否则编译器可能优化导致错误。

1.7 0xE0000000 - 0xE00FFFFF：System 控制寄存器

作用

• 控制 中断、调试、系统时钟，主要包括：
  • NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，中断控制器）
  • SysTick（系统定时器）
  • SCB（System Control Block，系统控制块）

代码示例

#define NVIC_ISER0 (*((volatile uint32_t*) 0xE000E100))
NVIC_ISER0 |= (1 << 6); // 使能外部中断 6

特点

• NVIC 允许中断嵌套，可以配置优先级。
• SysTick 是 Cortex-M 内置的 24-bit 计时器，用于系统心跳计时