ARM设计进阶

ARM设计进阶长江大学计算机学院王剑1嵌入式开发平台•通常嵌入式开发的平台主要包括基于SoC或MCU开发板，板上提供常用的外设、接口和其他功能模块，开发者一般根据自己的应用需要选择适合自己板级开发平台。在这样的平台上开发者可以进行硬件的扩展，操作系统移植和应用软件的开发、调试及固化，并最终形成自己的产品推向市场。•但是基于该平台的软件开发工作往往需要等到硬件平台完成后才能开展，这显然不利于缩短TTM（TimetoMarket），同时调试的过程也是需要反复迭代和修改设计的过程，因此硬件方案的变动在所难免。••因此在系统方案没有最终定型前，急于搭建硬件平台不仅费时费力，而且也会造成系统开发成本的提高。因此在进行方案设计的时候，利用CPU或者其他外设的模型进行早期的评估是非常必要的。1.1ARM的开发平台：•·ARMulator仿真平台这是一套最基础的ARM指令集仿真器，内嵌于ADS和RVDS中，是每一位ARM开发者的很好的起点。ARMulator可以模拟执行开发人员编写的C或汇编程序，支持源代码调试，帮助开发者确定代码编写的正确性。ARMulator仿真平台•另一方面，ARMulator还能大致统计出，诸如：代码执行周期数，Cache命中率，存储器访问等利于我们优化代码的信息。但ARMulator是基于CPU的模拟，缺点在于比较难于模拟整个芯片系统的行为。·RealViewIntegrator-CP平台•（RealViewIntegratorCompactPlatform）可以整合CoreModule。CoreModuleFPGA还整合了ARMPrimeCell系列周边器件和内存控制器，包括LCD，MMC卡，音频解码，以及客户自己开发AHB接口器件。·VersatilePB/AB平台•（VersatilePB）是一个可以开发软硬件的PCB平台，可以用LogicTile，AnalyzerTile进行扩展，用来连接用户开发的器件，逻辑分析仪等。而VersatileApplicationBaseboard（VersatileAB）主要区别是硬件扩展功能有限，因而主要用来进行软件应用开发。·EmulationBaseboard（EB）•（XilinxVirtex2XC2V6000）可以放下用户设计的周边器件，EB可以通过CoreTile和LogicTile进行扩展，使用户做原型验证更加方便。·ESL虚拟平台•，可以基于两种模型构建：时钟精确型（CA）和时钟近似型（CX），CA模型提供了和实际硬件时钟节拍一直的精确度，利用ESLSoCDesigner工具在ESLCA模型构建虚拟仿真平台上，SoC硬件工程师利用ESL工具提供的强大的诸如Core运行•状态监视、BusProfiling、Cache工作状态和MemoryMapping等可视化插件对系统性能观测和分析，定位系统性能的瓶颈，实现硬件的性能优化和功能划分。•此外，对于嵌入式软件开发工程师而言，ESL虚拟平台带来的最大好处是让软件开发在更早的阶段开展，而不必等到在硬件平台上进行此工作。这样一来软硬件开发工作可以并行提高，缩短产品上市时间，软硬件的协同开发还可以尽早发现系统bug，降低开发风险和成本。同时该虚拟平台还提供了ARM软件开发调试工具接口同步进行软件调试，在ESL虚拟平台上实现软硬件的协同仿真，可以实现优化软件的目的。•从图1看，传统流程中容易引起反复的环节，而对引入ESL的开发流程，可将诸如驱动开发调试等，提前放置到虚拟开发平台上进行，实现系统设计的优化、缩短开发周期等。而且仿真环境所能提供的调试手段，是FPGA平台所无法比拟的。RTSM（实时系统模型）•，它能提供快速、准确的指令仿真，以及与RealViewDebugger的无缝连接。大型应用程序的开发可以使用RTSM模拟技术来完成。•RTSM模拟包括LCD显示器、键盘和鼠标等外设的仿真。不到5s，就可以利用PC在ARM处理器上对OS的启动过程进行模拟，用户可以在ARM提供的RTSM上进行快速的软件仿真。这是OEM在开发软件系统时成本最低的方法。想象一下，芯片公司不用等到芯片生产出来，也不用把缓慢的FPGA板交给方案厂商或OEM；只需要将整个芯片的模型交付，下游厂家就可以尽早尽快地将软件方案开发完毕。最终产品几乎可以从芯片生产出来就准备上市。1.2器件选型•器件的选择归根结底是为嵌入式系统选择合适的处理器芯片。ARM处理器是最常见的嵌入式处理器之一，它以低功耗、低成本和高性能而深受业界的青睐。而且ARM是目前产业中资源最为广泛的嵌入式处理器，基于广大的ARM合作伙伴计划，开发者可以在这个联盟里寻求到各种自己意想不到的帮助。•目前在业内广为人知的ARM处理器主要有ARM7系列和ARM9系列，同时为了关注今后嵌入式系统的发展，也有必要了解一下最新的ARM11和ARMCotex系列处理器。ARM7系列•ARM7TDMI是ARM7系列中使用最广泛的，它是从最早实现32位地址空间编程模式的ARM6内核发展而来的，并增加了64位乘法指令，支持片上调试、16位Thumb指令集和EmbeddedICE观察点硬件。ARM7TDMI属于ARMv4体系结构，采用冯诺伊曼结构，3级流水处理，平均0.9DMIPs/Mhz性能。不过ARM7TDMI没有MMU（MemoryManagementUnit）和Cache，所以仅支持那些不需要MMU和Cahce的小型实时操作系统，如VxWorks、uC/OS-II和uLinux等RTOS。其他的ARM7系列内核还有ARM720T和ARM7E-S等。ARM9系列•ARM9TDMI相比ARM7TDMI，将流水级数提高到5级从而增加了处理器的时钟频率，并使用指令和数据存储器分开的哈佛结构以改善CPI和提高处理器性能，平均可达1.1DMIPs/Mhz，但是ARM9TDMI仍属于ARMv4T体系结构。在ARM9TDMI基础上又有ARM920T、ARM940T和ARM922T，其中ARM940T增加了MPU（MemoryProtectUnit）和Cache；ARM920T和ARM922T加入了MMU、Cache和ETM9（方便进行CPU实时trace），从而更好的支持象Linux和WinCE这样的多线程、多任务操作系统。ARM9E系列•ARM9E系列属于ARMv5TE，在ARM9TDMI的基础上增加了DSP扩展指令，是可综合内核，主要有ARM968E-S、ARM966E-S、ARM946E-S和ARM926EJ-S（v5TEJ指令体系，增加了Java指令扩展），其中ARM926EJ-S是最具代表性的。通过DSP和Java的指令扩展，可获得70％的DSP处理能力和8x的Java处理性能提升。另外分开的指令和数据Cache结构进一步提升了软件性能；指令和数据TCM（TightlyCoupleMemory：紧耦合存储器）接口支持零等待访问存储器；双AMBAAHB总线接口等。ARM926EJ-S可达250Mhz以上的处理速度，很好地支持SymbianOS、Linux、WindowsCE和PalmOS等主流操作系统。ARM11系列•ARM11系列主要有ARM1136、ARM1156、ARM1176和ARM11MP-Core等，它们都是v6体系结构，相比v5系列增加了SIMD多媒体指令，获得1.75x多媒体处理能力的提升。另外，除了ARM1136外，其他的处理器都支持AMBA3.0-AXI总线。ARM11系列内核最高的处理速度可达500Mhz以上（其中90nm工艺下，ARM1176可达到750Mhz）以及600DMIPS的性能•基于ARMv6架构的ARM11系列处理器是根据下一代的消费类电子、无线设备、网络应用和汽车电子产品等需求而制定的。其的媒体处理能力和低功耗特点使它特别适合于无线和消费类电子产品；其高数据吞吐量和高性能的结合非常适合网络处理应用；另外，在实时性能和浮点处理等方面ARM11可以满足汽车电子应用的需求。ARMCotex系列•Cortex系列是ARM公司目前最新内核系列，属于v7架构，主要有Cortex-A8、Cortex-R4、Cortex-M3和•Cortex-M1等处理器，其中A8是面向高性能的应用处理器，最高可达1Ghz的处理速度，更好的支持多媒体及其他高性能要求，最高可达2000DMIPS；R4主要面向嵌入式实时应用领域（Real-Time），7级流水结构，相对于上代ARM1156内核，R4在性能、功耗和面积（PPA：Performance，PowerandArea）取得更好的平衡，1.5DMIPS/Mhz和高于400Mhz的处理速度。•而M3主要是面向低成本和高性能的MCU应用领域，相比ARM7TDMI，M3面积更小，功耗更低，性能更高。Cortex-M3处理器的核心是基于哈佛架构的3级流水线内核，该内核集成了分支预测，单周期乘法，硬件除法等众多功能强大的特性，使其在Dhrystonebenchmark上具有出色的表现（1.25DMIPS/MHz）。根据Dhrystonebenchmark的测评结果，采用新的Thumb.-2指令集架构的Cortex-M3处理器，与执行Thumb指令的ARM7TDMI-S.处理器相比，每兆赫的效率提高了70%，与执行ARM指令的ARM7TDMI-S处理器相比，效率提高了35%。•目前已经有Cortex系列内嵌的产品问世，如TI公司推出的基于Cortex-A8内核的OMAP3430，TI、ST和Luminary也推出了基于Cortex-M3内核的低成本高性能32位MCU，更多详情请登陆这些公司的主页查询。2工具选择•根据开发目标平台的不同，ARM提供不同的工具解决方案。MDK-ARM•RealViewMicrocontrollerDevelopmentKit(MDK)支持基于ARM7，ARM9，Cortex-M3微控制处理器，例如Atmel，Freescale，Luminary，NXP，OKI，Samsung，Sharp，ST，TI等厂家的产品。MDK提供工业标准的编译工具和强大的调试支持。MDK是专为MCU的用户开发嵌入式软件而设计的一套开发工具。包括根据器件定制的调试仿真支持，丰富的项目模版，固件示例以及为内存优化的RTOS库。MDK上手容易，功能强大，适合微控制器应用程序开发。RVDS•正如前面所介绍RVDS是专为SOC，FPGA以及ASIC用户开发复杂嵌入式应用程序或者和操作系统平台组件接口而设计的开发工具。RVDS支持器件设计，支持多核调试，支持基于所有ARM和Cortex系列CPU的程序开发。RVDS还可以和第三方软件进行很好的连接。•MDK主要是为终端客户提供价格低廉，功能强大的开发工具。集成了RealView编译工具，KeiluVision开发环境，支持基于ARM7,ARM9,Cortex-M1,Cortex-M3产品的仿真，提供非常高效的RTOSKernel，除此，提供的Real-Time库还有TCP/IP网络套件，Flash文件系统，USB器件接口，CAN总线