【正文】 種，包括簡(jiǎn)單的內(nèi)存保護(hù)到復(fù)雜的頁(yè)面層次。它既可以是立即數(shù)，也可以是邏輯運(yùn)算數(shù)，使得ARM指令可以在讀取數(shù)值的同時(shí)進(jìn)行算術(shù)和移位操作。根據(jù)cond的不同編碼，可以選擇根據(jù)條件碼標(biāo)志決定指令的執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)的ARM指令每條都是32位，有些ARM核還可以執(zhí)行16位的Thumb指令集。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半字單元A＋2字節(jié)單元A字節(jié)單元A＋1字節(jié)單元A＋2字節(jié)單元A＋3 bigendian格式的存儲(chǔ)系統(tǒng)在littleendian格式中，地址為A的字單元包括字節(jié)單元A、A+A+A+3，其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳＋A+A+A；地址為A的字單元包括半字單元A、A+2，其中半字單元由高位到地位字節(jié)順序?yàn)锳＋A；地址為A的半字單元包括字節(jié)單元A、A+1，其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳＋A。但是在字單元中，4個(gè)字節(jié)哪一個(gè)是高位字節(jié)，哪一個(gè)是低位字節(jié)，則有兩種不同的格式：bigendian格式和littleendian格式。地址為A的字?jǐn)?shù)包括地址A、A+A+A+3這4個(gè)字節(jié)單元的內(nèi)容。ARM的地址空間也可以看作是230個(gè)32位的字單元。該地址空間的大小232個(gè)8位字節(jié)。 ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)這里僅僅介紹ARM編程模型中與存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)的一些概念。F：快速中斷禁止位；F＝1時(shí)禁止FIQ中斷。各條件標(biāo)志位的具體含義如下：N：當(dāng)兩個(gè)補(bǔ)碼表示的有符號(hào)整數(shù)運(yùn)算時(shí)，N＝1表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)；N＝0表示運(yùn)算結(jié)果為正數(shù)或零；Z：Z＝1表示運(yùn)算結(jié)果為零；Z＝0表示運(yùn)算的結(jié)果不為零；C：在加法指令中，當(dāng)結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位，則C＝1；其他情況下C＝0； 在減法指令中，當(dāng)運(yùn)算中發(fā)生借位，則C＝0；其他情況下C＝0；V：對(duì)于加/減法運(yùn)算指令，當(dāng)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果為二進(jìn)制的補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)數(shù)時(shí)，V＝1表示符號(hào)位溢出CPSR的低8位稱(chēng)為控制位，當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)這些位發(fā)生改變。[6]所示： 31 30 29 28 27 8 7 6 5 4 0NZCQUnused IFTModes N（Negative）、Z（Zero）、C（Carry）、V（Overflow）統(tǒng)稱(chēng)為標(biāo)志位。當(dāng)用戶模式或者系統(tǒng)模式中訪問(wèn)SPSR，將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。在異常中斷返回退出時(shí)，可以用SPSR種保存的值來(lái)恢復(fù)CPSR。每一種處理器異常模式下都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器，稱(chēng)為SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）。CPSR（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器）可以在任何處理器模式下被訪問(wèn)。也就是說(shuō)，對(duì)于ARM指令集來(lái)說(shuō)，PC指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址。 程序計(jì)數(shù)器R15又被記作PC。R14寄存器又被稱(chēng)為連接寄存器（Link Register，LR），在ARM體系中有下面兩種特殊的作用[6]：l 每一種處理器模式自己的物理R14中存放當(dāng)前子程序的返回地址。而對(duì)于R8－R12寄存器組，除了在快速中斷模式下有自己專(zhuān)有的物理寄存器，其它模式下也共有統(tǒng)一物理寄存器。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一個(gè)物理寄存器；有些寄存器是各模式自己擁有的獨(dú)立的物理寄存器。 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(shuō)過(guò)，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。它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。系統(tǒng)模式并不是通過(guò)異常過(guò)程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。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(guò)程中進(jìn)行模式的切換。處理器模式可以通過(guò)軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理過(guò)程進(jìn)行切換。在這些模式下，程序可以訪問(wèn)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。因此，[7]描述的僅僅針對(duì)一般而言。6． 寄存器：具體的介紹參考下節(jié)的相關(guān)介紹。FPA10浮點(diǎn)加速器是作為協(xié)處理方式與ARM相連，并通過(guò)協(xié)處理指令的解釋來(lái)執(zhí)行。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(lái)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）。2． 桶形移位寄存器：ARM采用了3232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(shù)右移n位等都可以一次完成。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 core描述盡管本本文實(shí)現(xiàn)主要涉及軟件上的開(kāi)發(fā)，但是軟件上代碼的實(shí)現(xiàn)更多的都涉及芯片構(gòu)架，因此在這里簡(jiǎn)要介紹一下一般ARM core構(gòu)架。 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。ARM架構(gòu)的設(shè)計(jì)采用了以下一些措施：－ 降低電源電壓－ 減少門(mén)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當(dāng)某個(gè)功能電路不需要時(shí)，禁止門(mén)翻轉(zhuǎn)－ 減少門(mén)的數(shù)目，即降低芯片的集成度－ 降低時(shí)鐘頻率ARM還其他采用了一些特別的技術(shù)，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(jié)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(chǔ)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(shí)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(dòng)增減來(lái)提高運(yùn)行效率；ARM的低功耗，使得ARM在專(zhuān)門(mén)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的處理器市場(chǎng)中始終處于有利的地位。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。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(chǔ)器更小。－ 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(wèn)存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率。到目前為止，RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒(méi)有嚴(yán)格的定義，一般認(rèn)為，RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：－ 采用固定長(zhǎng)度的指令格式，指令歸整、簡(jiǎn)單、基本尋址方式有2～3種?；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。 RISC指令集 傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點(diǎn)，即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)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(huì)被反復(fù)使用，占整個(gè)程序代碼的80％?！　ntel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類(lèi)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。（5）StrongArm微處理器系列Intel StrongARM SA1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器。　　ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)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。　?。?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　?。?主頻最高可達(dá)400MIPS。　?。?支持VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器?！　。?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。　　ARM10E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。　　ARM9E系列微處理器包含ARM926EJS、ARM946ES和ARM966ES三種類(lèi)型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。　?。?主頻最高可達(dá)300MIPS?！　。?MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。　?。?支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器?！　。?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集?！　RM9E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。 （3）ARM9E微處理器系列[5]ARM9E系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)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(fù)雜程度?！　RM9系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)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。　?。?MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。　?。?支持32位的高速AMBA總線接口?！　。?。（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?！　RM7系列微處理器包括如下幾種類(lèi)型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMIS、ARM720T、ARM7EJ。 　?。?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?！　。?對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等?！　。?。ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：　?。?具有嵌入式ICE－RT邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便。ARM體系有變種，也就是說(shuō)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(lái)，說(shuō)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(lái)性能上的極大飛躍，其過(guò)程包括：－ V1構(gòu)架（ARM1） 基本的數(shù)據(jù)處理指令（無(wú)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(wèn)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(lái)就簡(jiǎn)要介紹一下各主要系列處理器的特點(diǎn)。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使得整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。ARM公司是專(zhuān)門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)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。1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。特別是，隨著近年來(lái)，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。嵌入式微處理目前主要有Am186/8386EX、SC400、Power PC、MIPS、ARM系列等。 第一章 ARM簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類(lèi)型的嵌入式處理器。第五章， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一些分析與測(cè)評(píng)，包括一些測(cè)試數(shù)據(jù)以及程序的穩(wěn)定性與可移植性、剪裁性的分析。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， 簡(jiǎn)單闡述ARM的發(fā)展，基于ARM體系的各類(lèi)主流處理器以及ARM的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。因此，在真正的開(kāi)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)。除了基本功能，bootloader還能有什么更加具體的擴(kuò)展功能來(lái)方便各個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者，都屬于本課題討論的范疇。Bootloader本身的功能就是引導(dǎo)與加載內(nèi)核鏡像。然而，如何進(jìn)行加載操作系統(tǒng)這個(gè)問(wèn)題卻很少有人提出。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。目前，ARM芯片廣泛應(yīng)用于無(wú)線產(chǎn)品、PDA、GPS、網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、STB及智能卡。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。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的各種微處理器遍布各個(gè)角落。但是