【文章內容簡介】 系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內核提供了微控制器、 DSP、 Java 應用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復雜程度。 ARM9E 系列微處理器提供了增強的 DSP 處理能力，很適合于那些需要同時使用 DSP 和微控制器的應用場合。 ARM9E 系列微處理器的主要特點如下： － 支持 DSP 指令集，適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合。 － 5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 － 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。 － 支持 32 位的高速 AMBA 總線接口。 － 支持 VFP9 浮點處理協(xié)處理器。 － 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。 － MPU 支持實時操作系統(tǒng)。 － 支持數(shù)據(jù) Cache 和指令 Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 － 主頻最高可達 300MIPS。 ARM9 系列微處理器主要應用于下一代無線設備、數(shù)字消費品、成像設備、工業(yè)控制、存儲設備和網(wǎng)絡設備等領域。 ARM9E 系列微處理器包含 ARM926EJS、 ARM946ES 和 ARM966ES 三種類型，以適用于不同的應用場合。 （ 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，由于采用了新的體系結構，與同等的 ARM9 器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近 50％，同時， ARM10E 系列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能方式，使其功耗極低。 ARM10E 系列微處理器的主要特點如下： － 支持 DSP 指令集，適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合。 － 6 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 － 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。 － 支持 32 位的高速 AMBA 總線接口。 － 支持 VFP10 浮點處理協(xié)處理器。 － 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。 － 支持數(shù)據(jù) Cache 和指令 Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力 － 主頻最高可達 400MIPS。 － 內嵌并行讀 /寫操作部件。 ARM10E 系列微處理器主要應用于下一代無線設備、數(shù)字消費品、成像設備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等 領域。 ARM10E 系列微處理器 包含 ARM1020E、 ARM1022E 和 ARM1026EJS 三種類型，以適用于不同的應用場合。 （ 5） StrongArm 微處理器系列 Intel StrongARM SA1100 處理器是采用 ARM 體系結構高度集成的 32 位 RISC 微處理器。它融合了 Intel 公司的設計和處理技術以及 ARM 體系結構的電源效率，采用在軟件上兼容 ARMv4 體系結構、同時采用具有 Intel技術優(yōu)點的體系結構。 Intel StrongARM 處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應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 Intel Xscale 微處理器系列，會在后面相關篇幅中進行介紹。 ARM 處理器的優(yōu)勢特點 采用 RISC 結構的 ARM 微處理器一般具有如下特點： 1． 體積小、低功耗、低成本、高性能； 2． 支持 Thumb（ 16 位） /ARM（ 32 位）雙指令集，能很好地兼容 8/16 位器件； 3． 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； 4． 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； 5． 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高； 6． 指令長度固定； ARM 處理器之所以能夠廣泛應用于各個領域，與以上所列的各個特點密切相 關，綜合起來，主要包括以下幾點。 RISC 指令集 傳統(tǒng)的 CISC（ Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）結構有其固有的缺點，即隨著計算機技術的發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結構會越來越復雜，然而，在CISC 指令集的各種指令中，其使用頻率卻相差懸殊，大約有 20％的指令會被反復使用，占整個程序代碼的 80％。而余下的 80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設計中只占 20％，顯然，這種結構是不太合理的。 基于以上的不合理性， 1979 年美國加州大學伯克利分校提出了 RISC（ Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）的概念， RISC 并非只是簡單地去減少指令，而是把著眼點放在了如何使計算機的結構更加簡單合理地提高運算速度上。 RISC 結構優(yōu)先選取使用頻 率 最高的簡單指令，避免復雜指令；將指令長度固定，指令格式和 尋址 方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施來達到上述目的。 到目前為止， RISC 體系結構也還沒有嚴格的定義，一般認為， RISC 體系結構應具有如下特點： － 采用固定長度的指 令格式，指令歸整、簡單、基本尋址方式有 2～ 3 種。 － 使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行。 － 大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進行操作，只有加載 / 存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執(zhí)行效率。 ARM 主要使用 32 位的 RISC 指令，但是指令代碼利用率低， ARM 為了彌補此不足，在新型 ARM 構架（ V4T版本以上）定義了 16 位的 Thumb 指令集。 Thumb 指令集比通常的 8 位和 16 位 RISC/CISC 處理器具有更好的代碼密度，而芯片面積只增加 6％，可使程序存儲器更小。 另外，為了加速通信和多媒體中有關數(shù)字信 號的處理， ARM 處理器在 RISC 的基礎上增加了許多原屬 DSP核中的關鍵部件。雙核協(xié)同工作，各用所長，有效地提高了數(shù)據(jù)處理能力核傳輸速度，但是 RISC+DSP 分立的雙核結構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構，同時將指令集也合二為一，簡化編程提高效率，將 CPU 提升到可快速運算多媒體的算法，實現(xiàn)許多音視頻的解碼功能。 低功耗 由于 ARM 架構的處理器主要用于手持式嵌入式系統(tǒng)之中，因此 ARM 構架在設計中十分注意低電壓、低功耗這一點，因而在手持式嵌入式系統(tǒng)得到廣 泛的應用。 ARM 架構的設計采用了以下一些措施： － 降低電源電壓 － 減少門的翻轉次數(shù)，當某個功能電路不需要時，禁止門翻轉 － 減少門的數(shù)目，即降低芯片的集成度 － 降低時鐘頻率 ARM 還其他采用了一些特別的技術，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積： － 所有的指令都可以根據(jù)前面的執(zhí)行結果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率； － 可用加載 /存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率； － 可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理； － 在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運行效率； ARM 的低功耗，使得 ARM 在專門針對嵌入式系統(tǒng)的處理器市場中始終處于有利的地位。一組典型數(shù)據(jù)是：對于 ARM7 系列處理器，當核電壓是 時，每 MHz，其功耗只為 。 ARM 體系結構介紹 第二章 ARM 體系結構介紹 在介紹具體的 ARM Bootloader 的實現(xiàn)之前，首先介紹一下 ARM 的體系結構，因為Bootloader 是與處理器芯片緊密相連的。為了更好的在后面篇幅中介紹實現(xiàn)，先簡單介紹相關的體系結構以及相關指令集。 ARM core 描述 盡管本本文實現(xiàn)主要涉及軟件上的開發(fā) ，但是軟件上代碼的實現(xiàn)更多的都涉及芯片構架，因此在這里簡要介紹一下一般 ARM core 構架。 下圖所示的是 ARM 構架圖。它由 32 位 ALU、若干個 32 位通用寄存器以及狀態(tài)寄存器、 32 8 位乘法器、 32 32 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。 1． ALU：它有兩個操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結果以及零檢測邏輯構成。 2． 桶形移位寄存器： ARM 采用了 32 32 位的桶形移位寄存器，這樣可以使在左移 /右移 n 位、環(huán)移 n 位和算術右移 n 位等都可以一次完成。 3． 高速乘法器：乘法器一般采用“加 一移位”的方法來實現(xiàn)乘法。 ARM 為了提高運算速度，則采用兩位乘法的方法，根據(jù)乘數(shù)的 2 位來實現(xiàn)“加一移位”運算 ； ARM高速乘法器采用 32 8 位的結構，這樣，可以降低集成度（其相應芯片面積不到并行乘法器的 1/3）。 4． 浮點部件：浮點部件是作為選件供 ARM 構架使用。 FPA10 浮點加速器是作為協(xié)處理方式與 ARM 相連，并通過協(xié)處理指令的解釋來執(zhí)行。 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。 6． 寄存器：具體的介紹參考下節(jié)的相關介紹。 不同的 ARM core 可能還有所不同。因此，圖 [7]描述的僅僅針對一般而言。 ARM 體系結構介紹 A[31:0] 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 構架圖 地址寄存器 指令譯碼及控制 ARM 體系結構介紹 編程模型介紹 對于 ARM 編程，需要了解的一下幾個方面： ARM 處理器模式 ARM 處理器共有 7 種運行模式，如表 [6]所示： 表格 除了用戶模式之外的其他 6 種處理器模式稱為特權模式（ Privileged Modes）。在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進行處理器模式的切換。其中，除系統(tǒng)模式外，其他 5 種特權模式又稱為異常模式。 處理器模式可以通過軟件控制進行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進行切換。大多數(shù)的用戶程序運行 在用戶模式下，這時，應用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護的系統(tǒng)資源，應用程序也不能直接進行處理器模式的切換。當需要進行處理器模式的切換時，應用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進行模式的切換。這種體系結構可以使操作系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的資源。 當應用程序發(fā)生異常中斷時，處理器進入相應的異常模式。在每一種異常模式中都有一組寄存器，供相應的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進入異常模式時，用戶模式下的寄存器（保證了程序運行狀態(tài)）不被破壞。 系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄