【正文】 ,每一次都帶來性能上 地 極大飛躍 ,其過程包括： ★ V1 構(gòu)架（ ARM1） 基本 地 數(shù)據(jù)處理指令（無乘法） 字節(jié)、半字和字 地 Load/Store 指令 轉(zhuǎn)移指令 ,包括子程序 地 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 地 操作 增加快速中斷模式 增加 SWP/SWPB 地 存儲(chǔ)器和寄存器交換指令 ★ V3 構(gòu)架（ ARM6） 增加 lMRS/MSR 指令 ,訪問新增 地 CPSR/SPSR 寄存器 增加 l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) 地 存取指令 增加 16位 地 Thumb 指令 完善軟件中斷 SWI 指令 ★ V5 構(gòu)架（ ARM10） 帶有鏈接和交換 地 轉(zhuǎn)移 BLX 指令 計(jì)數(shù)前導(dǎo)零 CLZ 指令 BRK 中斷指令 增加 l一些信號(hào)處理 地 指令 ★ V6 構(gòu)架 增加 lSIMD 功能擴(kuò)展 ,為包括音頻 /視頻處理在內(nèi) 地 應(yīng)用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能 5 接下來就簡(jiǎn)要介紹一下各主要系列處理器 地 特點(diǎn) （ 1） ARM7 微處理器系列 ARM7 系列微處理器為低功耗 地 32 位 RISC 處理器 ,最適合用于對(duì)價(jià)位和功耗要求較高 地 消費(fèi)類應(yīng)用 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)試開發(fā)方便 ★ 極低 地 功耗 ,適合對(duì)功耗要求較高 地 應(yīng)用 ,如便攜式產(chǎn)品 ★ 能夠提供 ★ 代碼密度高并兼容 16位 地 Thumb 指令集 ★ 對(duì)操作系統(tǒng) 地 支持廣泛 ,包括 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等 ★ 指令系統(tǒng)與 ARM9 系列、 ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼容 ,便于用戶 地 產(chǎn)品升級(jí) ★ 主頻最高可達(dá) 130MIPS,高速 地 運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù) 地 復(fù)雜應(yīng)用 ARM7 系列微處理器 地 主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、 Inter 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用 ARM7系列微處理器包括如下幾種類型 地 核： ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、 ARM720T、ARM7EJ其中 ,ARM7TMDI是目前使用最廣泛 地 32位嵌入式 RISC處理器 ,屬低端 ARM處理器核 （ 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 地 性能具有以下特點(diǎn)： ★ 5 級(jí)整數(shù)流水線 ,指令執(zhí)行效率更高 ★ 提供 ★ 支持 32位 ARM 指令集和 16位 Thumb 指令集 ★ 支持 32位 地 高速 AMBA 總線接口 ★ 全性能 地 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(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ★ 支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和 指令 Cache,具有更高 地 指令和數(shù)據(jù)處理能力 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(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 ARM9 系列微處理器包含 ARM920T、 ARM922T 和 ARM940T 三種類型 ,以適用于不同 地 應(yīng)用場(chǎng)合 （ 3） ARM9E 微處理器系列 6 ARM9E 系列微處理器為可綜合處理器 ,使用單一 地 處理器內(nèi)核提供 l微控制器、 DSP、 Java 應(yīng)用系統(tǒng) 地 解決方案 ,極大 地 減少 l 芯片 地 面積和系統(tǒng) 地 復(fù)雜程度 ARM9E 系列微處理器提供 l增強(qiáng) 地 DSP 處理能力 ,很適合于那 些需要同時(shí)使用DSP 和微控制器 地 應(yīng)用場(chǎng)合 ARM9E 系列微處理器 地 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 地 場(chǎng)合 ★ 5 級(jí)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 地 高速 AMBA 總線接口 ★ 支持 VFP9 浮點(diǎn)處理協(xié)處理器 ★ 全性能 地 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(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ★ 支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令 Cache,具有更高 地 指令和數(shù)據(jù)處理能力 ★ 主頻最高 可達(dá) 300MIPS ARM9 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(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域 ARM9E 系列微處理器包含 ARM926EJS、 ARM946ES和 ARM966ES三種類型 ,以適用于不同 地 應(yīng)用場(chǎng)合 （ 4） ARM10E 微處理器系列 ARM10E 系列微處理器具有高性能、低功耗 地 特點(diǎn) ,由于采用 l新 地 體系結(jié)構(gòu) ,與同等 地 ARM9 器件相比較 ,在同樣 地 時(shí)鐘頻率下 ,性能提高 l 近 50％ ,同時(shí) ,ARM10E 系列微處理器采用 l 兩種先進(jìn) 地 節(jié)能方式 ,使其功耗極低 ARM10E系列微處理器 地 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 地 場(chǎng)合 ★ 6 級(jí)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 地 高速 AMBA 總線接口 ★ 支持 VFP10 浮點(diǎn)處理協(xié)處理器 ★ 全性能 地 MMU,支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng) ★ 支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令 Cache,具有更高 地 指令和數(shù)據(jù)處理能力 ★ 主頻最高可達(dá) 400MIPS ★ 內(nèi)嵌并行讀 /寫操作部件 7 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(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域 ARM10E 系列微處理器包含 ARM1020E、 ARM1022E 和 ARM1026EJS三種類型 ,以適用于不同 地 應(yīng)用場(chǎng)合 （ 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 地 32位 RISC微處理器它融合 lIntel 公司 地 設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及 ARM 體系結(jié)構(gòu) 地 電源效率 ,采用在軟件上兼容 ARMv4 體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有 Intel 技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 地 體系結(jié)構(gòu) Intel StrongARM 處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品 地 理想選擇 ,已成功應(yīng)用于多家公司 地 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 ARM 處理器 地 優(yōu)勢(shì) 采用 RISC 結(jié)構(gòu) 地 ARM 微處理器一般具有如下特點(diǎn)： 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(jiǎn)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(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域 ,與以上所列 地 各個(gè)特點(diǎn)密切相關(guān) ,綜合起來 ,主要包括以下幾點(diǎn) RISC 指令集 傳統(tǒng) 地 CISC（ Complex Instruction Set Computer,復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）結(jié)構(gòu)有其固有 地 缺點(diǎn) ,即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 地 發(fā)展而不斷引入新 地 復(fù)雜 地 指令集 ,為支持這些新增 地 指令 ,計(jì)算機(jī) 地 體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來越復(fù)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(huì)被反復(fù)使用 ,占整個(gè)程序代碼 地 80％而余下 地 80％ 地 指令卻 不經(jīng)常使用 ,在程序設(shè)計(jì)中只占 20％ ,顯然 ,這種結(jié)構(gòu)是不太合理 地 基于以上 地 不合理性 ,1979 年美國加州大學(xué)伯克利分校提出 lRISC（ Reduced Instruction Set Computer,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)） 地 概念 ,RISC 并非只是簡(jiǎn)單地 8 去減少指令 ,而是把著眼點(diǎn)放在 l如何使計(jì)算機(jī) 地 結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理地提高運(yùn)算速度上 RISC 結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高 地 簡(jiǎn)單指令 ,避免復(fù)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(dá)到上述目 地 到目前為止 ,RISC 體系結(jié)構(gòu)也還 沒有嚴(yán)格 地 定義 ,一般認(rèn)為 ,RISC 體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)： ★ 采用固定長度 地 指令格式 ,指令歸整、簡(jiǎn)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(duì)寄存器進(jìn)行操作 ,只有加載 / 存儲(chǔ)指令可以訪問存儲(chǔ)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(bǔ)此不足 ,在新型 ARM 構(gòu)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(chǔ)器更小 另外 ,為 l加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字信號(hào) 地 處理 ,ARM 處理器在 RISC 地基礎(chǔ)上增加 l許多原屬 DSP核中 地 關(guān)鍵部件雙核協(xié)同工作 ,各用所長 ,有效地提高l數(shù)據(jù)處理能力核傳輸速度 ,但是 RISC+DSP分立 地 雙核結(jié)構(gòu)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(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 地 算法 ,實(shí)現(xiàn)許多音視頻 地 解碼功能 低功耗 由于 ARM 架構(gòu) 地 處理器主要用于手持式嵌入式系統(tǒng)之中 ,因此 ARM 構(gòu)架在設(shè)計(jì)中十分注意低電壓、低功耗這一點(diǎn) ,因而在手持式嵌入式系統(tǒng)得到廣泛 地 應(yīng)用ARM 架構(gòu) 地 設(shè)計(jì)采用 l 以下一些措施： ★ 降低電源電壓 ★ 減少門 地 翻轉(zhuǎn)次數(shù) ,當(dāng)某個(gè)功能電路不需要時(shí) ,禁止門翻轉(zhuǎn) ★ 減少門 地 數(shù)目 ,即降低芯片 地 集成度 ★ 降低時(shí)鐘頻率 ARM還其他采用 l一些特別 地 技術(shù) ,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(jù)前面 地 執(zhí)行結(jié)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(chǔ)指令批量傳輸數(shù)據(jù) ,以提高數(shù)據(jù) 地 傳輸效率； 9 ★ 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 地 自動(dòng)增減來提高運(yùn)行效率； ARM 地 低功耗 ,使得 ARM 在專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng) 地 處理器市場(chǎng)中始終處于有利 地 地位一組典型數(shù)據(jù)是：對(duì)于 ARM7 系列處理器 ,當(dāng)核電壓是 時(shí) ,每 MHz,其功耗只為 10 3 ARM 體系結(jié)構(gòu)介紹 在介紹具體 地 ARM Bootloader 地 實(shí)現(xiàn)之前 ,首先介紹一下 ARM 地 體系結(jié)構(gòu) ,因?yàn)?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(shí)現(xiàn) ,先簡(jiǎn)單介紹相關(guān) 地 體系結(jié)構(gòu)以及相關(guān)指令集 ARM core 描述 盡管本本 文實(shí)現(xiàn)主要涉及軟件上 地 開發(fā) ,但是軟件上代碼 地 實(shí)現(xiàn)更多 地 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 下圖所示 地 是 ARM構(gòu)架圖它由 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 1. ALU：它 由 兩個(gè)操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果以及零檢測(cè)邏輯構(gòu)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(shù)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(shí)現(xiàn)乘法 ARM 為 提高運(yùn)算速度 ,則采用兩位乘法 地 方法 ,根據(jù)乘數(shù) 地 2位來實(shí)現(xiàn) “ 加一移位 ” 運(yùn)算 ； ARM 高速乘法器采用 328 位 地 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 地 1/3） 4. 浮點(diǎn)部件：浮點(diǎn)部件是作為選件供 ARM 構(gòu)架使用 FPA10 浮點(diǎn)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 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(guān)介紹