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系統(tǒng)引導(dǎo)程序的設(shè)計與實現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計說明書-文庫吧資料

2024-12-11 17:22本頁面
  

【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。
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