【正文】 RM 構(gòu)架（ V4T版本以上）定義了 16 位的 Thumb 指令集。為了更好的在后面篇幅中介紹實(shí)現(xiàn)，先簡單介紹相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)以及相關(guān)指令集。 4． 浮點(diǎn)部件：浮點(diǎn)部件是作為選件供 ARM 構(gòu)架使用。其中，除系統(tǒng)模式外，其他 5 種特權(quán)模式又稱為異常模式。但是 系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式的切換。 R13 寄存器對(duì)應(yīng) 6 個(gè)不同的物理寄存器，即除了前面提過的用戶模式與系統(tǒng)模式共用一個(gè)寄存器外，其它模式都有相應(yīng)的物理寄存器；一般地， R13 寄存器在 ARM 中通常用作棧指針，在 ARM 指令中這只是一種習(xí)慣的用法，并沒有任何指令強(qiáng)制性的使用 R13 作為棧指針。它包含了標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志以及其它的一些控制和狀態(tài)位。大部分的 ARM指令可以根據(jù) CPSR 中的這些條件標(biāo)志位來選擇性地執(zhí)行。這些字節(jié)單元的地址是一個(gè)無符號(hào)的 32 位數(shù)值，其取值范圍為 0 到 232－ 1。這種存儲(chǔ)器格式如下圖所示： 31 24 23 16 15 8 7 0 字單元 A 半字單元 A＋ 2 半字單元 A 字節(jié)單元 A＋ 3 字節(jié)單元 A＋ 2 字節(jié)單元 A＋ 1 字節(jié)單元 A 圖 littleendian 格式的存儲(chǔ)系統(tǒng) ARM 指令集介 紹 ARM 指令系統(tǒng)屬于 RISC 指令系統(tǒng)。 ? Thumb 指令 ARM 在有的版本支持 16 位 Thumb 指令。 ? Rn 位 16－ 19，第一操作數(shù)的寄存器編碼。 ? 當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后 ，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。這是通過將當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 CPSR 的內(nèi)容保存到將要執(zhí)行的異常中斷對(duì)應(yīng)的 SPSR 寄存器中實(shí)現(xiàn)的。 Xscale 微構(gòu)架處理器是為新一代無 線手持式應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式處理器，是 PCA 開發(fā)式平臺(tái)架構(gòu)中的應(yīng)用子系統(tǒng)與通信子系統(tǒng)中的嵌入式處理器。它內(nèi)置了 JTAG 調(diào)試接口，存儲(chǔ)器控制器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和操作系統(tǒng)時(shí)鐘，串口，并口，紅外通信，藍(lán)牙接口， AC97 接口以及 USB 設(shè)備端控制模塊等。 簡單地說， bootloader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行前運(yùn)行地一段小程序。 用戶應(yīng)用程序 文件系統(tǒng) 。 bootloader 是依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式系統(tǒng)中。但是，這并不防礙對(duì)許多概念的 解釋，其本質(zhì)在任何操作系統(tǒng)中都是一致的，所不同的僅僅是實(shí)現(xiàn)形式。 ARM 體系結(jié)構(gòu)介紹 IRQ FIQ Branch Target Buffer CP14 Debug/ Management Trace Buffer Interrupt CP15 Config Request Instruction Instruction IM Register Cache(32KB) MU Execution Coprocessor Core Interface Data Data Cache Address 32KB D CP0 Data MMU Write Multiplier Mini DCache Buffer Accumulator JTAG Debug System Management 圖 Intel Xscale 構(gòu)架與 ARM V5TE 相兼容，其主要特性如下： （ 1） 采用 7/8 級(jí)超級(jí)流水線：動(dòng)態(tài)跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)以及分支目標(biāo)緩沖； （ 2） 支持多媒體處理技術(shù)：增加乘、加法器；累加器；兼容 ARMV5TE 指令；特定DSP 型協(xié)處理器 CP0； （ 3） 指令快存（ ICache）： 32KB； （ 4） 數(shù)據(jù)快存（ DCache）： 32KB； （ 5） 微小型數(shù)據(jù)快存（ Mini DCache）： 2KB； （ 6） 指令存儲(chǔ)器管理單元 IMMU： 32 路變換后備緩沖器 TLB； （ 7） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器管理單元 DMMU： 32 路變換后備緩沖器 TLB； （ 8） 中斷控制器； （ 9） 總線控 制器； （ 10） 調(diào)試接口； （ 11） 動(dòng)態(tài)電源管理； Xscale 微構(gòu)架處理器的時(shí)鐘可達(dá) 1GHz，功耗 ，并能達(dá)到 1200 兆條指令 /秒。 ? 將寄存器 lr_mode 設(shè)置成返回地址。 ARM 體系中中斷向量表中指定了各異常中斷及處理程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 ? operand2 位 0－ 11，表示第二操作數(shù)編碼。 ? 具有 RISC 指令的特點(diǎn) 由于 ARM 指令屬于 RISC 指令，所以多具有 RISC 指令的特點(diǎn)，指令少，且等長， 便于充分利用流水線技術(shù)，使用多寄存器，且為簡單的 Load 和 Store 指令。一般地， ARM 指令具有以下特點(diǎn) [9]： ? 指令的條件執(zhí)行 ARM 指令都是條件執(zhí)行，條件標(biāo)志位位于程序代碼字節(jié)的 cond 位（位 28－ 31，下文會(huì)介紹）。這些字單元的地址可以被 4 整除， ARM 體系結(jié)構(gòu)介紹 也就是說該地址的低兩位為 0b00。在特權(quán)模式下，軟件可以修改這些控制位： I：普通中斷禁止位； I＝ 1 時(shí)禁止 IRQ 中斷。當(dāng)特定的異常中斷發(fā)生時(shí)，這個(gè)寄存器用于存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。當(dāng)通過跳轉(zhuǎn)指令調(diào)用子程序時(shí)， R14 被設(shè)置為該子程序的返回地址；在子程序中，把R14 的指賦值到程序計(jì)數(shù)器 PC 中時(shí)，子程序返回； ? 當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，該異常模式特定的物理 R14 被設(shè)置成該異常模式將要返回的地址，對(duì)于有些異常模式， R14 的值可能與將返回的地址有個(gè)常數(shù)的偏移量。通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時(shí)該任務(wù)仍然使用用戶模式下的寄存器組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)任務(wù)狀態(tài)不被破壞 [6]。大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行 在用戶模式下，這時(shí)，應(yīng)用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。 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。 下圖所示的是 ARM 構(gòu)架圖。 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。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。 － 內(nèi)嵌并行讀 /寫操作部件。 （ 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 32 位的高速 AMBA 總線接口。 － 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。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 。 － 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。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。 第六章， 總結(jié)與展望。 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。應(yīng)該說， ARM 無處不在。簡單的嵌入式系統(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。 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)。 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 I 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)。究其原因，它的精簡指令構(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。 目錄 ................................................................................................................................ II 緒言 ............................................................................................................................... １ 1. 背景 ............................................................................................................... １ 2. 主要研究工作 ................................................................................................. １ 3. 主要內(nèi)容 ........................................................................................................ ２ 第一章 ARM 簡介 ................................................................................................. ３ ARM 簡介 .............................................................................................. ３ ARM 處理器介紹 .............................................................................. ３ ARM 處理器的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn) ........................................................................ ６ RISC 指令集 ..................................................................................... ６ 低功耗 ............................................................................................. ７ 第二章 ARM 體系結(jié)構(gòu)介紹 ..........................................................................