【正文】 A[31:0] 控制地址寄存器 指令譯碼及控制 增值器 寄存器堆 A L U 總 乘法器 線 線 總 A 桶式 B 移位器 總 線 ALU 數(shù)據(jù)輸出寄存器 數(shù)據(jù)輸入寄存器 D[31:0] 圖 ARM構(gòu)架圖 編程模型介紹 對(duì)于ARM編程，需要了解的一下幾個(gè)方面： ARM處理器模式ARM處理器共有7種運(yùn)行模式，[6]所示：處理器模式處理器模式描述用戶模式（User，usr）正常程序執(zhí)行的模式快速中斷模式（FIQ，fiq）用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理普通中斷模式（IRQ，irq）用于通常的中斷處理監(jiān)管模式（Supervisor，svc）供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式數(shù)據(jù)訪問中止模式（Abort，abt）用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)未定義指令中止模式（Undefined，und）用于支持通過軟件方針硬件的協(xié)處理器系統(tǒng)模式（System，sys）用于運(yùn)行特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù)表格 除了用戶模式之外的其他6種處理器模式稱為特權(quán)模式（Privileged Modes）。5． 控制器：ARM的控制器采用的是硬接線的可編程邏輯陣列PLA。3． 高速乘法器：乘法器一般采用“加一移位”的方法來實(shí)現(xiàn)乘法。下圖所示的是ARM構(gòu)架圖。一組典型數(shù)據(jù)是：對(duì)于ARM7系列處理器，每MHz。另外，為了加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字信號(hào)的處理，ARM處理器在RISC的基礎(chǔ)上增加了許多原屬DSP核中的關(guān)鍵部件。－ 使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行。而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計(jì)中只占20％，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。它融合了Intel公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)?！　。?內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件?！　。?支持32位的高速AMBA總線接口。（4）ARM10E微處理器系列[5]　ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50％，同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低?！　。?支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力?！　。?支持32位的高速AMBA總線接口。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合?！　。?支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。　?。?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。其中，ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核?！　。?指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)?！　。?極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。 ARM處理器介紹ARM處理器目前包括下面幾個(gè)系列的處理器產(chǎn)品以及其他廠商實(shí)現(xiàn)的基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、 ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的Xscale系列、Intel的StrongARM系列。目前，采用ARM技術(shù)只是產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即通常我們所說的ARM微處理器，已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入我們生活的各個(gè)方面。其中，ARM是一種今年來在嵌入式系統(tǒng)中有著強(qiáng)大影響力的微處理器設(shè)計(jì)商和制造商，ARM的設(shè)計(jì)非常適合與小的電源供電系統(tǒng)。第六章， 總結(jié)與展望。第二章， 詳細(xì)描述了ARM的體系結(jié)構(gòu)，包括ARM編程模型方面的內(nèi)容，簡(jiǎn)單介紹了ARM core，ARM最小系統(tǒng)的組成以及硬件系統(tǒng)相關(guān)的PXA255處理器的介紹。2. 主要研究工作本文的題目盡管涉及到ARM系統(tǒng)，但是，由于bootloader的特殊性以及個(gè)別性，即bootloader與具體的處理器以及具體的硬件系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起，需要實(shí)際的完整硬件系統(tǒng)支持，而基于ARM體系的芯片實(shí)在太多，每款芯片除了具有基本的ARM體系結(jié)構(gòu)的通性外，通常還具有各自獨(dú)特的特性，還需分別處理。這就產(chǎn)生了另一個(gè)相關(guān)主題bootloader。應(yīng)該說，ARM無處不在。特別是采用ARM技術(shù)IP核的各種微處理器遍及各類產(chǎn)品市場(chǎng)。簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)根本沒有操作系統(tǒng)，而只是一個(gè)控制循環(huán)。在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，嵌入式軟件是實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)最活躍的研究方向之一。在這良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到進(jìn)一步的拓寬與發(fā)展。而在具體的實(shí)現(xiàn)上目標(biāo)是除了實(shí)現(xiàn)bootloader的基本功能外，還將它實(shí)現(xiàn)成一個(gè)更加復(fù)雜的系統(tǒng)，即增加對(duì)硬件電路板的支持，以方便開發(fā)人員進(jìn)行調(diào)試以及開發(fā)。究其原因，它的精簡(jiǎn)指令構(gòu)架為主又不放棄與復(fù)雜指令平衡的設(shè)計(jì)，使得在獲得高性能的同時(shí)又能做到低功耗。嵌入式系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)也越來越復(fù)雜，隨之出現(xiàn)的就是可靠性大大降低。摘要基于ARM嵌入式系統(tǒng)的通用bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要隨著移動(dòng)設(shè)備的流行和發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。最近的一種趨勢(shì)是一個(gè)功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)通常需要一種操作系統(tǒng)來給予支持，這種操作系統(tǒng)是已經(jīng)成熟并且穩(wěn)定的，可以是嵌入式的Linux，WINCE等等。本文所要研究的就是基于ARM嵌入式系統(tǒng)通用bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。因此，本文重點(diǎn)闡述了實(shí)踐上具體的設(shè)計(jì)，具體的實(shí)現(xiàn)以及簡(jiǎn)單評(píng)估了它的作用。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可剪裁來適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。不同應(yīng)用對(duì)嵌入式軟件系統(tǒng)有不同的要求，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這些要求也在不斷變化。但是，當(dāng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜時(shí)，就需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)來支持，否則應(yīng)用軟件就會(huì)變得過于復(fù)雜，使開發(fā)難度過大，安全性和可靠性都難以保證。ARM技術(shù)以其較高的性能和功效，使得在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著嵌入式產(chǎn)品中高端微處理器ARM的加入以及軟件上操作系統(tǒng)的支持，使得整個(gè)嵌入式系統(tǒng)擁有了完整的構(gòu)架。Bootloader本身的功能就是引導(dǎo)與加載內(nèi)核鏡像。因此，在真正的開發(fā)環(huán)節(jié)上，本課題主要基于Intel Xscale體系構(gòu)架的PXA255處理器，Xscale本身是與ARM V5TE構(gòu)架兼容的，因此很具有代表性，并由此在理論上擴(kuò)展到整個(gè)ARM系統(tǒng)。第三章， 闡述bootloader的一些基本概念以及ARM bootloader的一些共性。 第一章 ARM簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。特別是，隨著近年來，微處理器結(jié)構(gòu)由RISC（精簡(jiǎn)指令集）全面取代傳統(tǒng)的CISC（復(fù)雜指令集），因?yàn)锳RM是著名的RISC的擁護(hù)者。ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生長(zhǎng)各具特色的芯片。ARM體系有變種，也就是說有些版本具備特定功能，在各個(gè)版本的版本號(hào)上可以體現(xiàn)出來，說明如下[5]：T： 支持16位壓縮指令集Thumb；　　D： 支持片上Debug；M：內(nèi)嵌硬件乘法器（Multiplier），增加用于長(zhǎng)乘法操作的指令；　　I： 嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)；E：增強(qiáng)型DSP指令；ARM構(gòu)架誕生至今，已經(jīng)產(chǎn)生了多次變革，每一次都帶來性能上的極大飛躍，其過程包括：－ V1構(gòu)架（ARM1） 基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法） 字節(jié)、半字和字的Load/Store指令 轉(zhuǎn)移指令，包括子程序的調(diào)用和鏈接指令 軟件中斷指令 尋址空間64MB－ V2構(gòu)架（ARM2，ARM3） 增加乘法和乘法指令 增加支持協(xié)處理器的操作 增加快速中斷模式 增加SWP/SWPB的存儲(chǔ)器和寄存器交換指令－ V3構(gòu)架（ARM6） 增加了MRS/MSR指令，訪問新增的CPSR/SPSR寄存器 增加了異常處理返回 尋址空間4GB－ V4構(gòu)架（ARM7, ARM9） 增加符號(hào)化和非符號(hào)化半字及符號(hào)化字節(jié)的存取指令 增加16位的Thumb指令 完善軟件中斷SWI指令－ V5構(gòu)架（ARM10） 帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令 計(jì)數(shù)前導(dǎo)零CLZ指令 BRK中斷指令 增加了一些信號(hào)處理的指令－ V6構(gòu)架 增加了SIMD功能擴(kuò)展，為包括音頻/視頻處理在內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能接下來就簡(jiǎn)要介紹一下各主要系列處理器的特點(diǎn)。　?。?。 　?。?主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。（2）ARM9微處理器系列[5]ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。　?。?支持32位的高速AMBA總線接口?！　RM9系列微處理器主要應(yīng)用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。　　ARM9E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：　?。?支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合?！　。?支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器?！　。?主頻最高可達(dá)300MIPS?！　RM10E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：　?。?支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合?！　。?支持VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器?！　RM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域?！　ntel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品（6）Intel Xscale微處理器系列有關(guān)Intel Xscale微處理器系列，會(huì)在后面相關(guān)篇幅中進(jìn)行介紹?；谝陨系牟缓侠硇裕?979年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）的概念，RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是把著眼點(diǎn)放在了如何使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理地提高運(yùn)算速度上。－ 大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作，只有加載/ 存儲(chǔ)指令可以訪問存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率。雙核協(xié)同工作，各用所長(zhǎng)，有效地提高了數(shù)據(jù)處理能力核傳輸速度，但是RISC+DSP分立的雙核結(jié)構(gòu)存在兩核之間互相通信的困難和分別編程的麻煩，為此發(fā)展了兩核融合在一起的單核結(jié)構(gòu)，同時(shí)將指令集也合二為一，簡(jiǎn)化編程提高效率，將CPU提升到可快速運(yùn)算多媒體的算法，實(shí)現(xiàn)許多音視頻的解碼功能。 ARM體系結(jié)構(gòu)介紹 第二章 ARM體系結(jié)構(gòu)介紹在介紹具體的ARM Bootloader的實(shí)現(xiàn)之前，首先介紹一下ARM的體系結(jié)構(gòu)，因?yàn)锽ootloader是與處理器芯片緊密相連的。它由32位ALU、若干個(gè)32位通用寄存器以及狀態(tài)寄存器、328位乘法器、3232位桶形移位寄存器、指令譯碼以及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù)/地址寄存器組成。ARM為了提高運(yùn)算速度，則采用兩位乘法的方法，根據(jù)乘數(shù)的2位來實(shí)現(xiàn)“加一移位”運(yùn)算 ；ARM高速乘法器采用328位的結(jié)構(gòu)，這樣，可以降低集成度（其相應(yīng)芯片面積不到并行乘法器的1/3）。6． 寄存器：具體的介紹參考下節(jié)的相關(guān)介紹。在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式的切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進(jìn)行模式的切換。系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。 ARM寄存器組介紹ARM處理器一般共有37個(gè)寄存器，其中包括[5]：l 31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC）在內(nèi)，這些寄存器都是32位寄存器；l 6個(gè)狀態(tài)寄存器，這些寄存器也是32位寄存器； 上一節(jié)已經(jīng)說過，ARM處理器共有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式中有一組相應(yīng)的寄存器。而對(duì)于R8－R12寄存器組，除了在快速中斷模式下有自己專有的物理寄存器，其它模式下也共有統(tǒng)一物理寄存器。 程序計(jì)數(shù)器R15又被記作PC。CPSR（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器）可以在任