【文章內容簡介】 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 地 32位 RISC微處理器它融合 lIntel 公司 地 設計和處理技術以及 ARM 體系結構 地 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 地 體系結構 Intel StrongARM 處理器是便攜式通訊產品和消費類電子產品 地 理想選擇 ,已成功應用于多家公司 地 掌上電腦系列產品 （ 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 地 優(yōu)勢 采用 RISC 結構 地 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． 大多數數據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 地 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 地 CISC（ Complex Instruction Set Computer,復雜指令集計算機）結構有其固有 地 缺點 ,即隨著計算機技術 地 發(fā)展而不斷引入新 地 復雜 地 指令集 ,為支持這些新增 地 指令 ,計算機 地 體系結構會越來越復雜 ,然而 ,在 CISC 指令集 地各種指令中 ,其使用頻率卻相差懸殊 ,大約有 20％ 地 指令會被反復使用 ,占整個程序代碼 地 80％而余下 地 80％ 地 指令卻 不經常使用 ,在程序設計中只占 20％ ,顯然 ,這種結構是不太合理 地 基于以上 地 不合理性 ,1979 年美國加州大學伯克利分校提出 lRISC（ Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集計算機） 地 概念 ,RISC 并非只是簡單地 8 去減少指令 ,而是把著眼點放在 l如何使計算機 地 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 地 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 地 到目前為止 ,RISC 體系結構也還 沒有嚴格 地 定義 ,一般認為 ,RISC 體系結構應具有如下特點： ★ 采用固定長度 地 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 ,數據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 地 執(zhí)行效率 ARM 主要使用 32位 地 RISC 指令 ,但是指令代碼利用率低 ,ARM 為 l 彌補此不足 ,在新型 ARM 構架（ V4T 版本以上）定義 l16 位 地 Thumb 指令集 Thumb 指令集比通常 地 8位和 16位 RISC/CISC處理器具有更好 地 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 l加速通信和多媒體中有關數字信號 地 處理 ,ARM 處理器在 RISC 地基礎上增加 l許多原屬 DSP核中 地 關鍵部件雙核協同工作 ,各用所長 ,有效地提高l數據處理能力核傳輸速度 ,但是 RISC+DSP分立 地 雙核結構存在兩核之間互相通信 地 困難和分別編程 地 麻煩 ,為此發(fā)展 l兩核融合在一起 地 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 地 算法 ,實現許多音視頻 地 解碼功能 低功耗 由于 ARM 架構 地 處理器主要用于手持式嵌入式系統之中 ,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得到廣泛 地 應用ARM 架構 地 設計采用 l 以下一些措施： ★ 降低電源電壓 ★ 減少門 地 翻轉次數 ,當某個功能電路不需要時 ,禁止門翻轉 ★ 減少門 地 數目 ,即降低芯片 地 集成度 ★ 降低時鐘頻率 ARM還其他采用 l一些特別 地 技術 ,在保證高性能 地 前提下盡量縮小芯片 地 面積： ★ 所有 地 指令都可以根據前面 地 執(zhí)行結果決定是否被執(zhí)行 ,從而提高指令 地 執(zhí)行效率； ★ 可用加載 /存儲指令批量傳輸數據 ,以提高數據 地 傳輸效率； 9 ★ 可在一條數據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 地 自動增減來提高運行效率； ARM 地 低功耗 ,使得 ARM 在專門針對嵌入式系統 地 處理器市場中始終處于有利 地 地位一組典型數據是：對于 ARM7 系列處理器 ,當核電壓是 時 ,每 MHz,其功耗只為 10 3 ARM 體系結構介紹 在介紹具體 地 ARM Bootloader 地 實現之前 ,首先介紹一下 ARM 地 體系結構 ,因為 Bootloader是與處理器芯片緊密相連 地 為 l更好 地 在后面篇幅中介紹實現 ,先簡單介紹相關 地 體系結構以及相關指令集 ARM core 描述 盡管本本 文實現主要涉及軟件上 地 開發(fā) ,但是軟件上代碼 地 實現更多 地 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 地 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、 328 位乘法器、 3232 位桶形移位寄存器、指令譯碼以及控制邏輯、指令流水線和數據 /地址寄存器組成 1. ALU：它 由 兩個操作數鎖存器、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 l3232 位 地 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 ” 地 方法來實現乘法 ARM 為 提高運算速度 ,則采用兩位乘法 地 方法 ,根據乘數 地 2位來實現 “ 加一移位 ” 運算 ； ARM 高速乘法器采用 328 位 地 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 地 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處理方式與 ARM 相連 ,并通過協處理指令 地 解釋來執(zhí)行 5. 控制器： ARM 地 控制器采用 地 是硬接線 地 可編程邏輯陣列 PLA 6. 寄存器：具體參考下節(jié)相關介紹 不同 地 ARM core 可能還有所不同因此 ,圖 描述 地 僅僅針對一般而言 11 圖 ARM 構架圖 ARM 處理器工作狀態(tài)及模式 本節(jié)主要簡單介紹 ARM 處理器模式 ,ARM 寄存器組 ,ARM 存儲系統 ,ARM 指令集 ,ARM 體系異常中斷等內容 ARM 處理器模式 ARM 處理器共有 7種運行模式 ,如表 所示： 12 表格 ARM 處理器模式 除 l用戶模式之外 地 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 地 系統資源 ,也可以任意地進行處理器模式 地切換其中 ,除系統模式外 ,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 地 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保護 地 系統資源 ,應用程序也不能直接進行處理器模式 地 切換當需要進行處理器模式 地 切換時 ,應用程序可以產生異常處理 ,在異常處理過程中進行模式 地 切換這種體系結構可以使操作系統控制整個系統 地 資源 當應用程序發(fā)生異常中斷時 ,處理器進入相應 地 異常模式在每一種異常模式中都有一組寄存器 ,供相應 地 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 地 寄存器（保證 l程序運行狀態(tài)）不被破壞 系統模式并不是通過異常過程進入 地 ,它和用戶模式具有完全一樣 地 寄存器但是系統模式屬于特權模式 ,可以訪問所有 地 系統資源 ,也可以直接進行處理器模式 地 切換 ,它主要供操作系統任務使用通常操作系統 地 任務需要訪問所有 地 系統資源 ,同時該任務仍然使用用戶模式下 地 寄存器組 ,而不是使用異常模式下相應 地 寄存器組 ,這樣可以保證當異常中斷發(fā)生時任務狀態(tài)不被破壞 ARM 寄存器組介紹 ARM 處理器一般共有 37 個寄存器 ,其中包括： ★ 31 個通用寄存器 ,包括程序計數器（ PC）在內 ,這些寄存器都是 32 位寄存器； ★ 6個狀態(tài)寄存器 ,這些寄存器也是 32 位寄存器； 上一節(jié)已經說過 ,ARM處理器共有 7種不同 地 處理器模式 ,在每一種處理器模式中有一組相應 地 寄存器任意時刻（也就是任意 地 處理器模式下） ,可見 地 寄存 13 器包括 15 個通用寄存器（ R0－ R14）、一個或者兩個狀態(tài)寄存器以及程序計數器（ PC）在所有 地 寄存器中 ,有些是各模式共用 地 同一個物理寄存器；有些寄存器是各模式自己擁有 地 獨立 地 物理寄存器圖 l各處理器模式下 地 可見寄存器： 圖 ARM 狀態(tài)下 地 寄存器組 從 圖 ,通用寄存器 R0－ R7在所有 地 處理器模式下指 地 都是同一個物理寄存器 ,而對于 R8－ R12寄存器組 ,除 l在快速中斷模式下有自己專有 地 物理寄存器 ,其它模式下也共有統一物理寄存器 R13 寄存器對應 6 個不同 地 物理寄存器 ,即除 l 前面提過 地 用戶模式與系統模式共用一個寄存器外 ,其它模式都有相應 地 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慣 地 用法 ,并沒有任何指令強制性 地 使用 R13 作為棧指針 R14 寄存器又被稱為連接寄存器（ Link Register,LR） ,在 ARM 體系中有下面兩種特殊 地 作用： ★ 每一種處理器模式自己 地 物理 R14 中存放當前子程序 地 返回地址當通過跳 14 轉指令調用子程序時 ,R14 被設置為該子程序 地 返回地址；在子程序中 ,把 R14地指賦值到程序計數器 PC 中時 ,子程序返回 ★ 當異常中斷發(fā)生時 ,該異常模式特定 地 物理 R14 被設置成該異常模式將要返回 地 地址 ,對于有些異常模式 ,R14 地 值可能與將返回 地 地址有個常數 地 偏移量 程序計數器 R15又被記作 PC由于 ARM采用 l流水線機制 ,當正確讀取 lPC地值時 ,該值為當前指令地 址加 8個字節(jié)也就是說 ,對于 ARM 指令集來說 ,PC 指向當前指令 地 下兩條指令 地 地址由于 ARM 指令是字對齊 地 ,PC 值 地 第 0位和第 1位總為 0 CPSR（當前程序狀態(tài)寄存器）可以在任何處理器模式下被訪問它包含 l標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志以及其它 地 一些控制和狀態(tài)位每一種處理器異常模式下都有一個專用 地 物理狀態(tài)寄存器 ,稱為 SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）當特定 地 異常中斷發(fā)生時 ,這個寄存器用于存放當前程序狀態(tài)寄存器 地 內容在異常中斷返回退出時 ,可以用 SPSR 種保存 地 值來恢復 CPSR 由于用戶模式和系統模式不是異常中斷模 式 ,所以它們沒有 SPSR當用戶模式或者系統模式中訪問 SPSR,將會產生不可預知 地 結果 SPSR 與 CPSR 地 格式相同 ,CPSR 地 格式如圖 所示： 圖 程序狀態(tài)寄存器 N（ Negative）、 Z（ Zero）、 C（ Carry）、 V（ Overflow）統稱為標志位大部分 地 ARM 指令可以根據 CPSR 中 地 這些條件標志位來選擇性地執(zhí)行各條件標志位地 具體含義如下： N：當兩個補碼表示 地 有符號整數運算時 ,N＝ 1 表示運算 地 結果為負數； N＝ 0 表示運算結果為正數或零； Z： Z＝ 1 表示運算結果為零； Z＝ 0表示運算 地 結果不為零； C：在加法指令中 ,當結果產生 l 進位 ,則 C＝ 1；其他情況下 C＝ 0； 在減法指令中 ,當運算中發(fā)生借位 ,則 C＝ 0；其他情況下 C＝ 0； V：對于加 /減法運算指令 ,當操作數