【正文】 PC 指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址。 程序計數(shù)器 R15 又被記作 PC。當(dāng)通過跳轉(zhuǎn)指令調(diào)用子程序時， R14 被設(shè)置為該子程序的返回地址；在子程序中 ，把R14 的指賦值到程序計數(shù)器 PC 中時，子程序返回 。 R13 寄存器對應(yīng) 6 個不同的物理寄存器，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，并沒有任何指令強制性的使用 R13 作為棧指針。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一個物理寄存器；有些寄存器是各模式自己擁有的獨立的物理寄存器。 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(shù)器（ PC）在內(nèi)，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(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 13 器模式中 有一組相應(yīng)的寄存器。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 接進行處理器模式的切換，它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。在每一種異常模式中都有一組寄存器，供相應(yīng)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。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的資源。大多數(shù)的用戶程序運行在用戶模式下，這時，應(yīng)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(yīng)用程序也不能直接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(quán)模式又稱為異常模式。 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）。因此，圖 描述的僅僅針對一般而言。 6. 寄存器：具體參考下節(jié)相關(guān)介紹。 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。 ARM 為 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(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 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(shù)右移 n 位等都可以一次完成。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。 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(gòu)架，因此在這里簡要介紹一下一般 ARM core 構(gòu)架。 10 3 ARM 體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，因為 Bootloader 是與處理器芯片緊密相連的。 ARM 架構(gòu)的設(shè)計采用了以下一些措施： ★ 降低電源電壓 ★ 減少門的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當(dāng)某個功能電路不需要時，禁止門翻轉(zhuǎn) ★ 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(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積： 9 ★ 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。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(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。 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。 ★ 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。 到目前為止， RISC 體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴格的定義，一般認為， RISC 體系結(jié)構(gòu)應(yīng)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。 基于以上的不合理性， 1979 年美國加州大學(xué)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(jié)構(gòu)更加簡 單合理地提高運算速度上。 RISC 指令集 傳統(tǒng)的 CISC（ Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計算機）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點，即隨著計算機技術(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，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復(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％的指令會被反復(fù)使用，占整個程序代碼的 80％。 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(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，會在后面相關(guān)篇幅中進行介紹。 （ 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)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、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。 ★ 支持 VFP10 浮點處理協(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。 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(yīng)用場合。 ★ 主頻最高可達 300MIPS。 ★ MPU 支持實時操作系統(tǒng)。 ★ 支持 VFP9 浮點處理協(xié)處理器。 ★ 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。 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。 6 （ 3） ARM9E 微處理器系列 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。 ARM9 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)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。 ★ MPU 支持實時操作系統(tǒng)。 ★ 支持 32 位的高速 AMBA 總線接口。 ★ 提供 。 （ 2） ARM9 微處理器系列 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。 ARM7 系列微處理器包括如下幾種類型的核： ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、ARM720T、 ARM7EJ。 ★ 主頻最高可達 130MIPS，高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。 ★ 對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等。 ★ 能夠提供 。 ARM7 微處理器系列具有如下特點： ★ 具有嵌入式 ICE－ RT 邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。 ARM 體系有變種，也就是說有些版本具備特定功能，在各個版本的版本號上 4 可以體現(xiàn)出來，說明如下： 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），增加用于長乘法操作的指令； I： 嵌入式 ICE，支持片上斷點和調(diào)試點； E：增強型 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） 增加符號化和非符號化半字及符號化字節(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 計數(shù)前導(dǎo)零 CLZ 指令 BRK 中斷指令 增加了一些信號處理的指令 ★ V6 構(gòu)架 增加了 SIMD 功能擴展，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 5 接下來就簡要介紹一下各主要系列處理器的特點。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，又使得整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。 ARM 公司是專門從事基于 RISC 技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知識產(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)計許可由合作公司生長各具特色的芯片。 1991 年 ARM 公司成立 于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。特別是，隨著近年來，微處理器結(jié)構(gòu)由 RISC（精簡指令集）全面取代傳統(tǒng)的 CISC（復(fù)雜指令集），因為 ARM 是著名的 RISC 的擁護者。嵌入式微處理目前主要有 Am186/8 386EX、 SC400、 Power PC、 MIPS、ARM 系列等。 3 2 ARM 處理器 簡介 嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。因此，在真正的開發(fā)環(huán)節(jié)上，本課題主要基于 ARM 920T 體系構(gòu)架的S3C2440A 處理器，很具有代表性，并由此在理論上擴展到整個 ARM 系統(tǒng)。如何實現(xiàn) bootloader 的基本功能，如何針對基于 ARM 體系的微處理器來實現(xiàn)bootloader，就成為本課題的一個基本論題。這就產(chǎn)生了另一個相關(guān)主題 bootloader?，F(xiàn)在，專門為嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的各個操作系統(tǒng)層出不窮， WINDOW CE， POCKET PC， Linux 等等，各界關(guān)注地也特別多。應(yīng)該說， ARM 無處不在。世界上幾乎所有的主要半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于 ARM 體系結(jié)構(gòu)的通用芯片，如 TI， Motorola， Intel， NS， Ateml， Philips， SAMSUNG 等。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。 嵌入式軟件，特別是操作系統(tǒng)的支持，使得對硬件的要求越來越高。簡單的嵌入式系統(tǒng)根本沒有操作系統(tǒng)，而只是一個控制循環(huán)。通常，應(yīng)用系統(tǒng)對嵌入式軟件的基本要求是體積小、執(zhí)行速度快、具有較好的可剪裁性和可移植性。 在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，嵌入式軟件是實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是計算機技術(shù)最活躍的研究方向之一。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，它是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。在這良好的經(jīng)濟環(huán)境下，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到進一步的拓寬與發(fā)展。 ARM。s embedded microprocessors occupy its leading reason is mainly that it39。 ARM。 在實踐 平臺上，本課題硬件上采用了 ARM9 系列的 S3C2440A 作為處理器，具有一定的代表性，并以此來搭建課題的硬件實踐平臺，軟件上以 Linux 作為操作系統(tǒng)。 本文所要研究的就是基于 ARM 嵌入式系統(tǒng) bootloader 的設(shè)計與實現(xiàn)。當(dāng)今，眾多的半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于 ARM體系結(jié)構(gòu)的通用微處理芯片， ARM 技術(shù)已經(jīng)在當(dāng)今的嵌入式微處理器領(lǐng)域中占據(jù)了它的領(lǐng)先地位。