《嵌入式Linux系统开发技术详解―基于ARM》第02章

华清远见——嵌入式培训专家系统开发班培训教材“黑色经典”系列之《嵌入式Linux系统开发技术详解——基于ARM》第2章ARM处理器本章目标本章描述了ARM体系结构和ARMLinux的发展，介绍了几种应用Linux的典型ARM处理器和开发板。本章可以使读者了解嵌入式Linux系统硬件平台的基础知识。ARM体系结构典型的ARM处理器S3C2410开发板介绍华清远见——嵌入式培训专家（AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM处理器是一种低功耗高性能的32位RISC处理器，ARM处理器是一个综合体，ARM公司自身并不制造微处理器，而是由ARM的合作伙伴来制造，作为SOC（SystemOnChip）的典型应用，目前，基于ARM的处理器以其高速度、低功耗等诸多优异的性能而得到非常广泛的应用。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点。•体积小、低功耗、低成本、高性能。•支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件。ARM微处理器支持2种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%～40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。•大量使用寄存器，指令执行速度更快。ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），如下。—31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器。—6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位。概括地讲，ARM体系结构中各寄存器的使用方式可以归纳如表2.1所示。表2.1ARM寄存器使用方式寄存器使用方式程序计数器PC（r15）所有运行状态都可以使用通用寄存器r0～r7所有运行状态都可以使用通用寄存器r8～r12除去快速中断以外的状态都可以使用当前程序状态寄存器CPSR所有运行状态都可以使用保存程序状态寄存器SPSR除去用户状态以外的6种运行状态，分别都有自己的SPSR堆栈指针SP（r13）和链接寄存器lr（r14）所有的运行状态都有自己的SP和lr•大多数数据操作都在寄存器中完成。•寻址方式灵活简单，执行效率高。•指令长度固定。为了保证ARM处理器具有高性能的同时，进一步减少芯片的体积和功耗，ARM处理器采用了以下一些比较特别的技术。•所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。《嵌入式Linux系统开发技术详解——基于ARM》——第2章、ARM处理器华清远见嵌入式Linux系统开发班培训教材•可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。•可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。•在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。ARM微处理器有以下7种运行模式。•用户模式（usr）：ARM处理器正常的程序执行状态。•快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理。•外部中断模式（irq）：用于通常的中断处理。•管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式。•数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。•系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。•未定义指令中止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式以外，其余的所有6种模式称之为非用户模式，或特权模式（PrivilegedModes）；其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式（ExceptionModes），常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。2.1.1ARM公司简介1991年ARM公司（AdvancedRISCMachineLimited）成立于英国剑桥，最早由Arcon、Apple和VLSI合资成立，主要出售芯片设计技术的授权，在1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生（在美国VLSI公司制造）。目前，ARM架构处理器已在高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域中占据了领先地位。ARM公司最初只有12人，经过十多年的发展，ARM公司已拥有近千名员工，在许多国家都设立了分公司，包括ARM公司在中国上海的分公司。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器80%以上的市场份额，其中，在手机市场，ARM占有绝对的垄断地位。可以说，ARM技术正在逐步渗入到人们生活中的各个方面，而且随着32位CPU价格的不断下降和开发环境的不断成熟，ARM技术会应用得越来越广泛。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商，公司本身并不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场，利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，其中包括Intel、IBM、Samsung、LG半导体、NEC、SONY、PHILIP等公司，这也使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场并被消费者所接受，更具有竞争力。华清远见——嵌入式培训专家处理器体系结构处理器的体系结构定义了指令集（ISA）和基于这一体系结构下处理器的程序员模型。ARM体系结构为嵌入系统发展商提供了很高的系统性能，同时保持了优异的功耗和面积效率，每一次ARM体系结构的重大修改，都会添加一些非常关键的技术。目前，ARM体系结构共定义了6个版本，从版本1到版本6，ARM体系的指令集功能不断扩大，不同系列的ARM处理器，性能差别很大，应用范围和对象也不尽相同，但是，如果是相同的ARM体系结构，那么基于它们的应用软件是兼容的。1．V1结构（版本1）V1版本的ARM处理器并没有实现商品化，采用的地址空间是26位，寻址空间是64MB，在目前的版本中已不再使用这种结构。2．V2结构与V1结构的ARM处理器相比，V2结构的ARM处理器的指令结构要有所完善，比如增加了乘法指令并且支持协处理器指令，在该版本的处理器仍然是26位的地址空间。3．V3结构从V3结构开始，ARM处理器的体系结构有了很大的改变，实现了32位的地址空间，指令结构相对前面的两种结构也所完善。4．V4结构V4结构的ARM处理器增加了半字指令的读取和写入操作，增加了处理器系统模式，并且有了T变种-V4T，在Thumb状态下所支持的是16位的Thumb指令集。属于V4T（支持Thumb指令）体系结构的处理器（核）有ARM7TDMI，ARM7TDMI-S（ARM7TDMI可综合版本），ARM710T（ARM7TDMI核的处理器），ARM720T（ARM7TDMI核的处理器），ARM740T（ARM7TDMI核的处理器），ARM9TDMI，ARM910T（ARM9TDMI核的处理器），ARM920T（ARM9TDMI核的处理器），ARM940T（ARM9TDMI核的处理器），StrongARM（Intel公司的产品）。5．V5结构V5结构的ARM处理器提升了ARM和Thumb两种指令的交互工作能力，同时有了DSP指令-V5E结构、Java指令-V5J结构的支持。属于V5T（支持Thumb指令）体系结构的处理器（核）有ARM10TDMI，ARM1020T（ARM10TDMI核处理器）。属于V5TE（支持Thumb，DSP指令）体系结构的处理器（核）有ARM9E，ARM9E-S（ARM9E可综合版本），ARM946（ARM9E核的处理器），ARM966（ARM9E核的处理器），ARM10E，ARM1020E（ARM10E核处理器），ARM1022E（ARM10E核的处理器），Xscale（Intel公司产品）。《嵌入式Linux系统开发技术详解——基于ARM》——第2章、ARM处理器华清远见嵌入式Linux系统开发班培训教材属于V5TEJ（支持Thumb，DSP指令，Java指令）体系结构的处理器（核）有ARM9EJ，ARM9EJ-S（ARM9EJ可综合版本），ARM926EJ（ARM9EJ核的处理器），ARM10EJ。6．V6结构V6结构是在2001年发布的，在该版本中增加了媒体指令，属于V6体系结构的处理器核有ARM11（2002年发布）。V6体系结构包含ARM体系结构中所有的4种特殊指令集：Thumb指令（T）、DSP指令（E）、Java指令（J）和Media指令。目前，基于ARM核结构的微处理器目前包括下面几个系列。•ARM7系列ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM720T、ARM7TDMI-S、ARM7EJ，该系列中，使用最广泛的是基于ARM7TDMI核的ARM处理器，比如Samsung的S3c4510B、S3c44b0x等，在这里后缀TDMI的含义如下。T：表示支持Thumb指令集。D：表示支持片上调试（Debug）。M：表示内嵌硬件乘法器（Multiplier）。I：表示支持片上断点和调试点。•ARM9系列ARM9系列包括ARM920T、ARM922T和ARM940T。ARM9处理器采用了5级流水线，指令执行效率较ARM7有较大提高，而且带有MMU功能，这也是与ARM7的重要区别。同时，该系列的处理器支持指令Cache和数据Cache，因而具有更高的数据处理能力，主要应用在无线设备、手持终端、数字照相机等。•ARM9E系列ARM9E系列包括ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S、ARM968E-S，该系列的处理器是综合类的处理器，它使用单一的处理器核提供了微控制器、DSP、Java应用，因而非常适应于同时使用DSP和微控制器的场合。采用了5级流水线，支持DSP指令集、32位的高速AMBA总线接口，带有MMU功能，最高主频可达300MIPS。•ARM10E系列ARM10E系列包括ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S，该系列的ARM处理器采用了新的体系结构，同ARM9系列的相比有了很大的提高，采用了更高的6级流水线结构，支持DSP指令，适合同时需要高速数字信号处理的场合，支持64位的高速AMBA总线接口、32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集。主要应用于下一代的无线设备、数字消费品等。•ARM11系列ARM11系列包括ARM1136J(F)-S，ARM1156T2(F)-S，ARM1176JZ(F)-S，AMR公司在2003年推出了ARM11架构的核，基于ARM11核结构的处理器具有更高的性能，尤其是在多媒体处理能力方面，采用了先进的0.13μm工艺，最高工作频率可达750MHz。•SecurCore系列SecurCore系列包括SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC22，SecurCor系列处理器专为