【正文】 移植到其他 ARM 平臺的相關(guān)處理 主要內(nèi)容 根據(jù)所涉及的主要研究工作，本文的內(nèi)容主要包括一下幾個部分：第 2 章簡要敘述 ARM 世界的一些主流處理器以及其優(yōu)勢特點；緊接著第 3 章則詳細(xì)描述了 ARM 的體系結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)；第 4 章的內(nèi)容是介紹 bootloader 的概念，并專門針對 ARM bootloader 進(jìn)行了詳細(xì)說明；第 5 章在介紹軟硬件平臺之后詳細(xì)介紹了 bootloadr 的實現(xiàn)；最后一章進(jìn)行一下總結(jié)與展望。目前據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000 多種，流行體系結(jié)構(gòu)有 30 多個系列。 其中， ARM 是一種近年來在嵌入式系統(tǒng)中有著強大影響力的微處理器設(shè)計商和制造商， ARM 的設(shè)計非常適合與小的電源供電系統(tǒng)。 ARM 處理器 ARM（ Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個公司的名字，也可以是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。目前，采用 ARM 技術(shù)只是產(chǎn)權(quán)（ IP）核的微處理器，即通常我們所說的 ARM 微處理器，已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于 ARM 技術(shù)的微處理應(yīng)用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75％以上的市場份額，ARM 技術(shù)正在逐步滲入我們生活的各個方面。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM 公司購買其設(shè)計的 ARM 微處理 器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?ARM 微處理器芯片進(jìn)入市場。 ARM 處理器介紹 ARM 處理器目前包括下面幾個系列的處理器產(chǎn)品以及其他廠商實現(xiàn)的基于ARM 體系結(jié)構(gòu)的處理器： ARM7 系列、 ARM9 系列、 ARM9E 系列、 ARM10E 系列、 SecurCore 系列、 Intel 的 Xscale 系列、 Intel 的 StrongARM 系列。 （ 1） ARM7 微處理器系列 ARM7 系列微處理器為低功耗的 32 位 RISC 處理器，最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應(yīng)用。 ★ 極低的功耗，適合對功耗要求 較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。 ★ 代碼密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集。 ★ 指令系統(tǒng)與 ARM9 系列、 ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級。 ARM7 系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域為：工業(yè)控制、 Inter 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動電話等多種多媒體和 嵌入式應(yīng)用。其中， ARM7TMDI 是目前使用最廣泛的 32 位嵌入式 RISC處理器，屬低端 ARM 處理器核。具有以下特點： ★ 5 級整數(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。 ★ 全性 能的 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，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 ARM9 系列微處理器包含 ARM920T、 ARM922T 和 ARM940T 三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場合。 ARM9E 系列微處理器提供了增強的 DSP 處理能力，很適合于那些需要同時使用 DSP 和微控制器的應(yīng)用場合。 ★ 5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 ★ 支持 32 位的高速 AMBA 總線接口。 ★ 全性能的 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，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。 （ 4） ARM10E 微處理器系列 ARM10E 系列微處理器具有高性能、低功耗的特點 ，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的 ARM9 器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近 50％，同時， ARM10E 系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。 ★ 6 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 ★ 支持 32 位的高速 AMBA 總線接口。 ★ 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。 7 ★ 內(nèi)嵌并行讀 /寫操作部件。 ARM10E 系列微處理器包含 ARM1020E、 ARM1022E 和 ARM1026EJS 三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場合。它融合了 Intel 公司的設(shè)計和處理技術(shù)以及 ARM 體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容 ARMv4 體系結(jié)構(gòu)、同時采用具有 Intel 技術(shù)優(yōu)點的體系結(jié)構(gòu)。 ARM 處理器的優(yōu)勢 采用 RISC 結(jié)構(gòu)的 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(shù)數(shù)據(jù)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(yīng)用于各個領(lǐng)域，與以上所列的各個特點密切相關(guān)，綜合起來，主要包括以下幾點。而余下的 80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占 8 20％，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。 RISC 結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，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)到上述目的。 ★ 使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行。 ARM 主要使 用 32 位的 RISC 指令，但是指令代碼利用率低， ARM 為了彌補此不足，在新型 ARM 構(gòu)架（ V4T 版本以上）定義了 16 位的 Thumb 指令集。 另外，為了加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字信號的處理， ARM 處理器在 RISC的基礎(chǔ)上增加了許多原屬 DSP 核中的關(guān)鍵部件。 低功耗 由于 ARM 架構(gòu)的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(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。一組典型數(shù)據(jù)是：對于 ARM7 系列處理器，當(dāng)核電壓是 時，每 MHz，其功耗只為 。為了更好的在后面篇幅中介紹實現(xiàn)，先簡單介紹相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)以及相關(guān)指令集。 下圖所示的是 ARM 構(gòu)架圖。 1. ALU：它 由 兩個操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果以及零檢測邏輯構(gòu)成。 3. 高速乘法器：乘法器一般采用 “加一移位 ”的方法來實現(xiàn)乘法。 4. 浮點部件 ：浮點部件是作為選件供 ARM 構(gòu)架使用。 5. 控制器： ARM 的控制器采用的是硬接線的可編程邏輯陣列 PLA。 不同的 ARM core 可能還有所不同。 11 圖 ARM構(gòu)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(tǒng)， ARM指令集， ARM 體系異 常中斷等內(nèi)容。在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換。 處理器模式可以通過軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式的切換時，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進(jìn)行模式的切換。 當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。 系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時該任務(wù)仍然使用用戶模式下的寄存器組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時任務(wù)狀態(tài)不被破壞。任意時刻（也就是任意的處理器模式下），可見的寄存器包括 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(shù)器（ PC）。圖 表示了各處理器模式下的可見寄存器： 圖 ARM狀態(tài)下的寄存器組 從 圖 中可以看出，通用寄存器 R0－ R7 在所有的處理器模式下指的都是同一個物理寄存器 ， 而對于 R8－ R12 寄存器組，除了在快速中斷模式下有自己專有的物理寄存器，其它模式下也共 有統(tǒng)一物理寄存器。 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的作用： 14 ★ 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。 ★ 當(dāng)異常中斷發(fā)生時，該異常模式特定的物理 R14 被設(shè)置成該異常模式將要返回的地址，對于有些異常模式， R14 的值可能與將返回的地址有個常數(shù)的偏移量。由于 ARM 采用了流水線機制，當(dāng)正確讀取了PC 的值時，該值為當(dāng)前指令地址加 8 個字節(jié)。由于 ARM 指令是字對齊的， PC 值的第 0位和第 1 位總為 0。它 包含了標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志以及其它的一些控制和狀態(tài)位。當(dāng)特定的異常中斷發(fā)生時，這個寄存器用于存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。由于用戶模式和系統(tǒng)模式不是異常中斷模式，所以它們沒有 SPSR。 SPSR 與 CPSR 的格式相同 ， CPSR 的格式如圖 所示： 圖 N（ Negative）、 Z（ Zero）、 C（ Carry）、 V（ Overflow）統(tǒng)稱為標(biāo)志位。各條件標(biāo)志位的具體含義如下： N：當(dāng)兩個補碼表示的有符號整數(shù)運算時， N＝ 1 表示運算的結(jié)果為負(fù)數(shù)； N＝ 0 表示運算結(jié)果為正數(shù)或零； Z： Z＝ 1 表示運算結(jié)果為零； Z＝ 0 表示運算的結(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(dāng) 操作數(shù)和運算結(jié)果為二進(jìn)制的補碼表示的帶符號數(shù)時， V＝ 1 表示符號位溢出 。在特權(quán)模 15 式下，軟件可以修改這些控制位： I：普通中斷禁止位； I＝ 1 時禁止 IRQ 中斷。 T：對于 ARMv4 以及更高的版本的 T 系列的 ARM 處理器 T＝ 0 表示執(zhí)行 ARM 指令 T＝ 1 表示執(zhí)行 Thumb 指令 對于 ARMv5 以及更高版本的非 T 系列的 ARM 處理器 ★ T=0 表示執(zhí)行 ARM 指令 ★ T＝ 1 表示 強制下一條執(zhí)行的指令產(chǎn)生為定義指令中斷 Modes 位控制處理器模式，在這不再贅述。 （ 1） ARM 體系中的存儲空間 ARM 體系中使用單一的平板地址空間。這些字節(jié)單元的地址是一個無符號的 32 位數(shù)值，其取值范圍為 0 到 232－ 1。這些字單元的地址可以被 4 整除，也就是說該地址的低兩位為 0b00。 （ 2） ARM 的存儲器格式 在 ARM 體系中，每個字單元中包含 4 個字節(jié)單元或者兩個半字單元，其中 1個半字單元中包含兩個字節(jié)單元。 在 bigendian 格式中，對于地址為 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)順序為 A、 A+ A+ A+3；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 低 位字節(jié) 順序為 A、 A+2；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)順序為 A、 A+1。這種存儲器格式如下圖所示： 圖 littleendian格式的存儲系統(tǒng) ARM 指令集介紹 ARM 指令系統(tǒng)屬于 RISC 指令系統(tǒng)。一般地， ARM 指令具有以下特點： ★ 指令的條件執(zhí)行 ARM 指令都是條件執(zhí)行，條件標(biāo)志位位于程序代碼字節(jié)的 cond 位（位 28 － 31，下文會介紹）。 ★ 靈活的第二操作數(shù) ARM 指令的另一個重要的特點是數(shù)據(jù)處理類指令有靈活的第二操作數(shù)operand2（位與程序代碼的位 0－ 11）。 ★ 協(xié)處理器的作用 ARM 內(nèi)核可提供協(xié)處理接口，通過擴(kuò)展協(xié)處理器完成更加復(fù)雜的功能。 ★ Thumb 指令 ARM 在有的版本支持 16 位 Thumb 指令。 ★ 具有 RISC 指令的特點 由于 ARM 指令屬于 RISC 指令，所以多具有 RISC 指令的特點，指令少，且等長 ， 便于充分利用流水線技術(shù)，使用多寄存器