【正文】 er，移植到其他 ARM 平臺的相關處理 主要內容 根據所涉及的主要研究工作，本文的內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 章則詳細描述了 ARM 的體系結構，指令系統；第 4 章的內容是介紹 bootloader 的概念，并專門針對 ARM bootloader 進行了詳細說明；第 5 章在介紹軟硬件平臺之后詳細介紹了 bootloadr 的實現；最后一章進行一下總結與展望。目前據不完全統計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過 1000 多種，流行體系結構有 30 多個系列。 其中， ARM 是一種近年來在嵌入式系統中有著強大影響力的微處理器設計商和制造商， ARM 的設計非常適合與小的電源供電系統。 ARM 處理器 ARM（ Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。目前，采用 ARM 技術只是產權（ IP）核的微處理器，即通常我們所說的 ARM 微處理器，已經遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信系統、無線系統等各類產品市場，基于 ARM 技術的微處理應用約占據了 32 位 RISC 微處理器 75％以上的市場份額，ARM 技術正在逐步滲入我們生活的各個方面。世界各大半導體生產商從 ARM 公司購買其設計的 ARM 微處理 器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的 ARM 微處理器芯片進入市場。 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品以及其他廠商實現的基于ARM 體系結構的處理器： 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用。 ★ 極低的功耗，適合對功耗要求 較高的應用，如便攜式產品。 ★ 代碼密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集。 ★ 指令系統與 ARM9 系列、 ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼容，便于用戶的產品升級。 ARM7 系列微處理器的主要應用領域為：工業(yè)控制、 Inter 設備、網絡和調制解調器設備、移動電話等多種多媒體和 嵌入式應用。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。 ★ 支持數據 Cache 和指令 Cache，具有更高的指令和數據處理能力。 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 和微控制器的應用場合。 ★ 5 級整數流水線，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。 ★ 支持數據 Cache 和指令 Cache，具有更高的指令和數據處理能力。 ARM9 系列微處理器主要應用于下一代無線設備、數字消費品、成像設備、工業(yè)控制、存儲設備和網絡設備等領域。 （ 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構，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的節(jié)能方式，使其功耗極低。 ★ 6 級整數流水線，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。 7 ★ 內嵌并行讀 /寫操作部件。 ARM10E 系列微處理器包含 ARM1020E、 ARM1022E 和 ARM1026EJS 三種類型，以適用于不同的應用場合。它融合了 Intel 公司的設計和處理技術以及 ARM 體系結構的電源效率，采用在軟件上兼容 ARMv4 體系結構、同時采用具有 Intel 技術優(yōu)點的體系結構。 ARM 處理器的優(yōu)勢 采用 RISC 結構的 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． 大多數數據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用于各個領域，與以上所列的各個特點密切相關，綜合起來，主要包括以下幾點。而余下的 80％的指令卻不經常使用，在程序設計中只占 8 20％，顯然，這種結構是不太合理的。 RISC 結構優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復雜指令；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數字信號的處理， ARM 處理器在 RISC的基礎上增加了許多原屬 DSP 核中的關鍵部件。 低功耗 由于 ARM 架構的處理器主要用于手持式嵌入式系統之中，因此 ARM 構架在設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得到廣泛的應用。一組典型數據是：對于 ARM7 系列處理器，當核電壓是 時，每 MHz，其功耗只為 。為了更好的在后面篇幅中介紹實現，先簡單介紹相關的體系結構以及相關指令集。 下圖所示的是 ARM 構架圖。 1. ALU：它 由 兩個操作數鎖存器、加法器、邏輯功能、結果以及零檢測邏輯構成。 3. 高速乘法器：乘法器一般采用 “加一移位 ”的方法來實現乘法。 4. 浮點部件 ：浮點部件是作為選件供 ARM 構架使用。 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， ARM指令集， ARM 體系異 常中斷等內容。在這些模式下，程序可以訪問所有的系統資源，也可以任意地進行處理器模式的切換。 處理器模式可以通過軟件控制進行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進行切換。當需要進行處理器模式的切換時，應用程序可以產生異常處理，在異常處理過程中進行模式的切換。 當應用程序發(fā)生異常中斷時，處理器進入相應的異常模式。 系統模式并不是通過異常過程進入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。通常操作系統的任務需要訪問所有的系統資源，同時該任務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的寄存器組，這樣可以保證當異常中斷發(fā)生時任務狀態(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 中存放當前子程序的返回地址。 ★ 當異常中斷發(fā)生時，該異常模式特定的物理 R14 被設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的偏移量。由于 ARM 采用了流水線機制，當正確讀取了PC 的值時，該值為當前指令地址加 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 包含了標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志以及其它的一些控制和狀態(tài)位。當特定的異常中斷發(fā)生時，這個寄存器用于存放當前程序狀態(tài)寄存器的內容。由于用戶模式和系統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）統稱為標志位。各條件標志位的具體含義如下： N：當兩個補碼表示的有符號整數運算時， N＝ 1 表示運算的結果為負數； N＝ 0 表示運算結果為正數或零； Z： Z＝ 1 表示運算結果為零； Z＝ 0 表示運算的結果不為零； C：在加法指令中，當結果產生了進位，則 C＝ 1；其他情況下 C＝ 0； 在減法指令中，當運算中發(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 操作數和運算結果為二進制的補碼表示的帶符號數時， V＝ 1 表示符號位溢出 。在特權模 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 ARM 指令集介紹 ARM 指令系統屬于 RISC 指令系統。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 ARM 指令的另一個重要的特點是數據處理類指令有靈活的第二操作數operand2（位與程序代碼的位 0－ 11）。 ★ 協處理器的作用 ARM 內核可提供協處理接口，通過擴展協處理器完成更加復雜的功能。 ★ 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，使用多