（光学工程专业论文）基于arm和ucosⅡ嵌入式平台的nand+flash存储驱动系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 摘要 随着现代计算机技术和互联网技术的飞速发展，嵌入式系统成为了当前信 息行业最热门的焦点之一。a r m 以其高性能低功耗的特点成为目前主流的3 2 位嵌入式处理器而在数码产品中广泛使用，随着数码相机的普及，数码相框产 品得到推广，数码相框通过一个液晶的屏幕显示数码照片而非纸质照片，数码 相框比普通相框更灵活多变，也给现在同益使用的数码相片一个新的展示空 间。在嵌入式操作系统方面，u c o s i i 凭借其小内核、多任务、丰富的系统服 务、容易使用以及源码公开等特点被嵌入式系统开发者广泛用在各种嵌入式设 备开发中。u c f s 嵌入式文件系统由于稳定性，可移植性以及与u c o s i i 内核 的相兼容被广泛用在基于u c o s i l 的嵌入式系统开发中。n a n df l a s h 存储器 由于其大容量数据存储、高速存取速度、易于擦除和重写、功耗小等特点被广 泛应用于便携式电子设备的数据存储、嵌入式系统的程序存储载体中。 本论文的硬件工作平台是艾科公司研发的数码相框芯片方案a r k l 6 0 0 ， 该平台集成了嵌入式系统设计所需的相关硬件模块。本论文的主要设计目标是 在该平台上实现n a n df l a s h 存储设备驱动的系统级方案，即在a r k l 6 0 0 平 台上通过构建u c o s i i 操作系统以及u c f s 文件系统来实现n a n df l a s h 设备 驱动挂接。本论文是在w i n d o w s 环境下通过a r ma d s 实现代码的编译，通 过m u l t i i c e 进行前期调试以及u s b d e b u g 进行后期的系统整合调试。 本论文的主要研究工作具体涉及以下三个的方面：首先研究了a r m 相关 构架以及u c o s i i 操作系统的特点，并在此基础上移植u c o s i i 操作系统到 a r k l 6 0 0 平台，分析a r k l 6 0 0 硬件体系结构的基础上详细分析了b o o t l o a d e r 的相关概念，并重点阐述了n a n db o o t l o a d e r 程序设计与实现过程；其次在 文件系统方面，本论文成功移植u c f s 嵌入式文件系统到a r k l 6 0 0 平台，在 移植的过程中采用了动态文件缓冲区算法提高了该文件系统的数据传输效率； 最后重点讨论了n a n df l a s h 驱动在a r k l 6 0 0 的实现，主要分析了n a n d f l a s h 的数据存储结构，并从物理层，逻辑层和文件系统接口层三个方面具体 分析了n a n df l a s h 驱动程序的实现，并在n a n df l a s h 逻辑层驱动实现时通 过采用坏块处理表算法实现了n a n d 的磨损均衡问题。 关键词：a r m ；u c o s i i ；u c f s 文件系统；n a n d 设备驱动：系统启动引导 西南交通大学硕士研究生学位论文第v i 页 a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n t e m e t t e c h n o l o g i e s ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft h em a i nf o c u s e si n t h e c u r r e n ti n f o r m a t i o ni n d u s t r y c o n s i d e r e di t s e x t r a o r d i n a r yp e r f o r m a n c ea n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，t h ea r mt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h e 3 2 - b i te m b e d d e d p r o c e s s o rf i e l d w i t ht h er a p i du s a g eo fd i g i t a lc a m e r a ，an e wp r o d u c tc a l l e dd i g i t a l p i c t u r ef r a m ei sw i d e l yu s e d ，t h ed i g i t a lp i c t u r ei ss h o w i n gt h ed g i t a lp i c t u r ei n s t e a d o ft h et r a d i t i o n a lp i c t u r et h r o u g h tt h el e ds c r e e n ，t h u si ti sm o r ef l e x i b l et h a nt h e t r a d i t i o n a lf r a m e s ，b e s i d e s ，i t p r o v i d e s am o r ew i d e l yp l a t f o r mf o r t h e d i g i t a l p i c t u r e s a st h eo p e r a t i o ns y s t e ma s p e c tm e n t i o n e d ，t h eu c o s i ih a sb e c o m et h e e m b e d d e dd e s i g n e r s f a v o r i t ef o ra l lk i n d so fe m b e d d e dd e v i c ea p p l i c a t i o nw i t hi t s e x c e l l e n tc h a r a c t e ra ss m a l lk e r n e l ，m u l t i t a s k ，a b u n d a n ts y s t e m a t i cs e r v i c e ，e a s y u s a g ea n ds o u r c ec o d ei sp u b l i c l ya c c e s s e d t h ee m b e d d e df i l es y s t e mu c f si s c o n s i d e r e dt ob es t a b l e ，e a s i l yt r a n s p l a n t e d ，c o m p a t i b l ew i t hu c o s - i i ，t h e r e f o r e ，t h i s f i l es y s t e mi sm o s t l yu s e di nt h ep l a t f o r mw h i c hi sb a s e do nt h eu c o s - i i t h e n a n df l a s hs t o r a g ed e v i c ei sc o n s i d e r e dt ob em a s s i v ed a t as t o r a g e ，h i 曲l yd a t a a c c e s s e d ，e a s i l ye r a s e da n dw r o t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h e r e f o r e ，i ti sab e s t c h o i c et ob eu s e di nt h ep o r t a b l ee l e c t r o n i cd a t as t o r a g ea sw e l la se m b e d d e dc o d e s t o r a g e t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h i st h e s i si sb a s e do nt h ea r k m i c r ot e c h n o l o g i e s c o m p a n y sd i g i t a lp i c t u r ef r a m ec h i pp r o j e c ta r k l 6 0 0 ，w h i c hi sf u l l yi n t e g r a t e dt h e n e e d e dh a r d w a r em o d u l e sf o rt h ee m b e d d e ds y s t e md e s i g n i n g t h em a i nt a s kf o rt h i s t h e s i si st of u l f i l lt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h en a n df l a s hd r i v e rb yd e s i g n i n ga n e m b e d d e dw o r k i n gs y s t e m ，w h i c hi sac o m b i n a t i o no ft h eu c o s i io p e r a t i o ns y s t e m a sw e l la st h eu c f sf i l es y s t e mo nt h ee m b e d d e dp l a t f o r ma r k l6 0 0 t h et h e s i su s e s t h ea r ma d ss o f t w a r et o c o m p i l e c o d eu n d e rt h ew i n d o w s o p e r a t i o n e n v i r o n m e n t a sf o rt h ed e b u g g i n g ，t h i st h e s i su s e sm u l t i i c ea sp r e p h a s ed e b u g t o o la sw e l la su s b d e b u g g e ra sas y s t e m a t i cd e b u gt 0 0 1 t h et a s ko ft h i st h e s i si sd i v i d e da st h r e ep a r t s t h ef i r s t p a r ti sa b o u tt h e r e s e a r c h i n go ft h ea r m s t r u c t u r ea n dt h eu c o s i i ，t h e nt r a n s p l a n t i n gt h eu c o s i i o p e r a t i o ns y s t e mi n t ot h ea r k l 6 0 0p l a t f o r m a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i si sa l s o a b o u ta n a l y z i n gt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ea r k l6 0 0p l a t f o r m ，d i s c u s s i n ga b o u t t h ec o n c e p to ft h eb o o t l o a d e ra sw e l la sf u l f i l l i n gt h en a n db o o t l o a d e r t h es e c o n d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第v l i 页 p a r ti sr e f e r r e da b o u tt h eu c f sf i l es y s t e m ，i ti sd i s c u s s e di nt h i sp a r ta b o u tt h e p r o c e s so ft h i s f i l e s y s t e m t r a n s f o r m e di n t oa r k l6 0 0p l a t f o r m ，d u r i n g t h e t r a n s f o r m i n gp r o c e s s ，ad y n a m i cf i l eb u f f e r i n ga r i t h m e t i ci sd e s i g n e dt oi m p r o v et h e d a t at r a n s m i t t i n ge f f i c i e n c yw i t h i nt h i sf i l es y s t e m n el a s tp a r ti sa b o u tt h en a n d d r i v e ri m p l e m e n t i n gb a s e do nt h ea r k l 6 0 0p l a t f o r m i ti sd i s c u s s e dh o wt of u l f i l l t h ed r i v e r sf r o mt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ：t h ed e v i c ed i v e rl a y e r ，t h el o g i c a lb l o c k l a y e ra n dt h ef i l es y s t e ml a y e r t h i sa r t i c l em a i n l ya n a l y z e sh o wt ob u i l dt h eb a d b l o c kt a b l ei nt h el o g i c a lb l o c kl a y e ri no r d e rt os o l v et h ew e a r - l o s sp r o b l e m k e y w o r d s ：a r m ；u c o s i i ；u c f sf i l es y s t e m ；n a n dd e v i c ed r i v e r ；s y s t e m b o o t l o a d e r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 同期： 指导老师签名： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本论文的创新点 1 ：n a n df l a s h 驱动实现的文件系统接口层通过c a c h e 机制的引入，提 高了n a n df l a s h 的数据读写速度； 2 ：u c f s 文件系统的移植过程中，通过在a p i 层引入动态文件缓冲算 法提高了该文件系统对外设数据的访问速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 大规模集成电路的发展而出现的微型机，使现代科学研究得到质的飞 跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制领域带来了一次新 的技术革命。嵌入式系统把计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子 技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象有 机结合。最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器和设备中。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬 件可剪裁，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 的专用计算机系统【l 】。目前嵌入式技术广泛应用于智能家电，消费类电 子，多媒体，网络工程，卫星通信，军事工业等领域，具有无限优越的应 用前景。 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是指操作系统和系统应用软件以及系统硬件的一体化，具 有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时和 多任务的体系。嵌入式系统应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系 统，不同于通用型计算机系统应用的多样性和适用性，它与通用计算机相 比具有以下特点【2 】： 1 ：系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统 资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 2 ：专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结 合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系 列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不 同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结 合。 3 ：系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分， 不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同 时也利于实现系统安全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 4 ：高实时性的系统软件( 0 s ) 是嵌入式软件的基本要求。软件要求固态 存储，以提高速度，软件代码要求高质量和高可靠性。 5 ：嵌入式软件开发使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可 以没有操作系统而直接在芯片上运行。但是为了合理地调度多任务、利用 系统资源、系统函数以及和库函数接口，通过选用实时操作系统r t o s 开 发平台，能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件 质量。 6 ：嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发 能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改 的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 1 2 嵌入式系统的应用领域及发展趋势 1 2 1 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括【3 叫： ( 1 ) 工业控制 作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据了高端 微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩 展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器 提出了挑战。随着技术的发展，3 2 位、6 4 位微处理器逐渐成为工业控制设 备的核心。 ( 2 ) 消费类电子产品 这将成为嵌入式系统最大的应用领域，传统的冰箱、空调等电器设备 以及目前流行的数字音频播放器、数码相机、数码相框、数字机顶盒都广 泛采用嵌入式操作系统。这种智能化将引领人们的生活步入一个崭新空 间。 ( 3 ) 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监控与汽车服务方面，嵌入式系统技术 已经获得了广泛应用，内嵌g p s 模块的移动定位终端已经在各种运输行业 成功使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 4 ) 机器人 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，智能化方面的优势更加明 显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更 广泛的应用。 除了以上这些应用领域，嵌入式系统还有很多其他方面的应用。嵌入 式系统已经进入到现代社会中人们生活的方方面面，可以说是“无处不 在 ，尤其是在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持 t c p i p 的嵌入式系统之外，家电产品的控制协议也需要制定和统一，这需 要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要 与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实 现。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。 1 2 2 嵌入式系统的发展趋势 近年来，随着计算机技术及集成电路技术的发展，嵌入式技术日渐普 及，在通讯、网络、工控、医疗、电子等领域发挥着越来越重要的作用。 随着市场对超微型嵌入式应用技术和产品的要求不断增长，以及半导体技 术和系统设计方法的进步，嵌入式系统在目前的发展形势下，表现出以下 几大趋势1 5 叫： ( 1 ) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟，带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息 内容同趋丰富，应用项目多种多样，像电话手机、电话座机以及电冰箱、 微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满 足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器，如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多 任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设 计，保障软件质量和缩短丌发周期。 ( 2 ) 联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，2 1 世纪的嵌入式系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备 必需配有通信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持。由于家用电器相互 关联( 如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备 i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ，b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的 通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特有编程模 式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器，如h t m l , w m l 等。 ( 3 ) 小尺寸，微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限 制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术的要 求。如：选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化 编译器性能。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软 件技术，如j a v a ，w e b 和w a p 等。 ( 4 ) 提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用 者之间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主 要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互喜欢通 过以g u i 屏幕为中心的对媒体界面。手机的手写中文输入，语音拨号上 网，收发电子邮件及彩信已取得初步成效。目前一些先进的手机或p d a 上 已实现短信息语音收发，但离掌式语音同声翻译还有很大距离。 1 2 3 数码相框的背景介绍 随着数码相机和具有高像素拍照手机的普及和大众化，已经很少人会 考虑用原始的冲印照片的方法来保存这些海量照片，因为这不仅浪费钱， 而且传统的相册和相框也无法保存如此海量的照片。除了用电脑硬盘、可 移动存储设备来保存及回放照片以外因此，作为一种以数码照片的保存、 回放和浏览为核心功能的产品，数码相框应需而生。 数码相框就是一个相框，通过一个液晶的屏幕显示数码照片而非纸质 照片。数码相框比普通相框更灵活多变，也给现在同益使用的数码相片一 个新的展示空间。数码相框通过卡类或者u s b 等外部设备获耿相片，而通 过n a n df l a s h 进行内部数据存储。在功能方面，能够实现图片、音乐、视 频等的播放。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 数码相框由三大部件组成：l c d 液晶屏、p c b 电路板和外框。液晶屏 可以是模拟的也可以是数码的，它们通过尺寸来区分。l c d 液晶屏幕作为 一种显示接口，通过高分辨率彩色效果呈现数码相片给用户；p c b 电路板 是数码相框的核心，它包含必须的硬件模块和固化软件模块，数码相框的 核心开发都是在该p c b 电路板上实现的；对于最终用户而言，外框是一个 重要的标准，外框的材质通常是塑料或木头的，有一些数码相框提供可更 换的外框。 1 3 课题的来源及论文的主要工作 本文的课题来源于艾科创新技术有限公司的一款面向音视频处理的 s o c 芯片a r k l 6 0 0 ，该芯片目前已经应用到数码相框这个项目中，并且该 款产品已经推向市场，取得客户比较好的评价。本论文的主要工作是：嵌 入式软件开发平台的建立、b o o t l o a d e r 的设计与实现、u c o s i i 内核到 a r m 9 平台的移植、嵌入式u c f s 文件系统的移植以及动态文件缓冲区算 法实现、n a n df l a s h 存储设备驱动程序的设计与实现等。 1 4 论文主要工作和章节安排 本文对基于嵌入式硬件平台a r k l 6 0 0 的u c o si i 移植进行讨论，并且 针对移植过程中的关键问题给出了具体的解决方案。论文的组织结构如 下： 第一章绪论。介绍了嵌入式系统的特点，应用现状及发展前景，同时 也简要介绍了本论文的章节安排。 第二章开发环境介绍及方案设计。重点讲解了a r m 的体系结构以及编 程结构，对该嵌入式开发平台的软件丌发环境进行了相关的讨论，并从整 体上对系统的设计框架作相关的说明。 第三章嵌入式硬件平台系统。分析本文中使用的硬件平台a r k l 6 0 0 的 结构，并具体分析了数据传输模块( d m a 数据传输以及一般i o 传输) 的 硬件构架；n a n d 控制器n f c 模块的硬件结构；设计并实现了系统的 b o o t l o a d e r 。实现了r o mc o d e 通过n a n d 引导。 第四章嵌入式操作系统的移植。主要介绍了嵌入式操作系统的概念以 及常用的嵌入式操作系统。重点分析了嵌入式操作系统u c o s i i 到a r m 9 处理器平台的移植。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第五章嵌入式文件系统u c f s 的移植。主要完成以下工作：分析了 f a t 文件格式，对基于f a t 文件格式的嵌入式文件系统u c f s 文件系统进 行了分析，从物理层、逻辑层和应用层详细分析并实现该文件系统的移 植，在此基础上，通过动态文件缓冲区算法提高了该文件系统的效率。 第六章f l a s h 存储设备驱动程序设计。介绍f l a s h 存储设备驱动的特 点，并以n a n df l a s h 设备驱动为例，从物理层、逻辑层和应用层详细分 析了n a n df l a s h 设备驱动程序开发的方法和过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章开发环境介绍及方案设计 本论文采用的a r k l 6 0 0 平台所采用的系统嵌入式芯片设计是基于 a r m 架构的处理器系列a r m 9 2 6 e j s 。由于平台的开发环境是基于a r m 技术的，我们采用了a r m 公司自带的开发工具a r ma d s ，开发环境是 w i n d o w s 环境。下面对a r m 处理器的相关知识进行简单介绍。 2 1 嵌入式a r m 处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 是微处理器行业的一家知名企业， 设计了大量高性能，廉价，耗能低的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e t c o m p u t i n g ) 处理器，技术具有性能高，成本低和低能耗的特点。随着a r m 公司产品的不断推广，a r m 逐渐被当作一种微处理器的通称，它也可以被 理解为是一种技术，一种基于r i s c 的体系架构。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。 目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器。即通常所说的a r m 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a r m 技术的微处理器应用大约占据了3 2 位 r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额 7 1 。 2 1 1a r m 微处理器的架构 有许多客观需求促进a r m 处理器的设计改进。首先，便携式的嵌入 式系统一般需要电池供电。为降低功耗，a r m 处理器已被特殊设计成较小 的核，从而延长了电池的使用时间。高的代码密度是嵌入式系统的又一个 重要需求。由于成本问题和物理尺寸的限制，嵌入式系统的存储器是有限 的。另外，嵌入式系统通常是价格敏感的，因此一般都使用速度不高，成 本较低的存储器。对于数码相机之类的产品，在设计时每一分成本都需要 考虑。因此，若处理器能使用低成本的处理器，将大大降低系统成本。另 外一个重要需求时要缩小嵌入式处理器内核管芯的面积。对于一个单片方 案，处理器内核所占用的面积越小，留给外设电路的空间就越大。这可以 减少最终产品的外围芯片数目，从而降低设计和制造成本。 a r m 内核采用r i s c 体系结构，r i s c 是一种设计思想，目标是设计 出一套能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。r i s c 的主要 特点在于降低由硬件执行的指令复杂度。首先，它减少了指令种类。r i s c 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的指令只提供简单的操作，使一个周期就可以执行一条指令。编译器或者 程序员通过几条简单指令的组合来实现个复杂的操作。每条指令的长度 都是固定的，允许流水线在当前指令译码阶段去取其下一条指令；其次， 指令的处理过程被拆分成几个更小的，能够被流水线并行执行的单元。在 理想情况下，流水线每周期前进一步，可获得最高的吞吐率；而且r i s c 处 理器拥有更多的通用寄存器。每个寄存器都可存放数据或地址。寄存器可 为所有的数据操作提供快速的局部存储访问；最重要的一点，r i s c 采用 l o a d s t o r e 结构，即处理器只处理寄存器中的数据。独立的l o a d 和s t o r e 指 令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。因为访问存储器很耗 时，所以把存储器访问和数据处理分开。这样可反复使用保存在寄存器中 的数据，避免多次访问存储器，从很大程度上减少了存取数据耗时p j 。 2 1 2a r m 微处理器系列9 1 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器核，目前最新的系列已经是 a r m l l 了。现在很多的嵌入式设计都是基于a r m 7 及其以后的产品系列， 用的比较多的是a r m 7 系列，a r m 9 系列，a r m 9 e ，a r m l 0 系列， s t r o n g a r m 系列等。 ( 1 ) a r m 7 系列 a r m 7 系列包括a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i s ，带有高速缓存处理器宏 单元的a r m 7 2 0 t 和扩充的j a z e l l e 的a r m 7 e j s 。该系列处理器提供 t h u m b1 6 位压缩指令集和e m b e d d e di c ej t a g 软件调试方法，适合应用于 更大规模的s o c 设计中。其中a r m 7 2 0 t 高速缓存处理器宏单元还提供 8 k b 缓存、读缓存和具有内存管理功能的高性能处理器，支持w i n d o w s c e 、l i n u x 、u c o s 。 a r m 7 系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括i n t e r n e t 设备、网络 和调制解调器设备以及移动电话、p d a 等无线设备、无线信息设备领域的 前景广阔，因此，a r m 7 系列也瞄准了下一代智能化多媒体无线设备领域 的应用。 ( 2 ) a r m 9 e 系列 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了 微控制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系 统的复杂程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很适 合于那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用场合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 a r m 9 e 系列微处理器的主要特点如下： 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 支持v f p 9 浮点处理协处理器，主频最高可达3 0 0 m i p s 。 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、u c o s 等多种主流嵌 入式操作系统。 m p u 支持实时操作系统。 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像 设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。本论文基于的a r k l 6 0 0 平 台采用的是a r m 9 e 系列微处理器的a r m 9 2 6 e j s 。 2 2 嵌入式a r m 的编程结构吲1 0 1 a r m 微处理器共有3 7 个3 2 位寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，6 个 为状态寄存器。这些寄存器是不能被同时访问。程序员可见的数据寄存器 是r o - - r 1 5 。a r m 处理器为特殊的任务或专门的功能指定了3 个寄存器： r 1 3 ，r 1 4 ，r 1 5 。它们被赋予不同的标识，以区别于其它寄存器。寄存器r 1 3 通常用作堆栈指针( s p ) ，保存当前处理器模式的堆栈栈顶；寄存器r 1 4 作为 链接寄存器( l r ) ，子程序调用后的返回地址保存在罩面；寄存器r 1 5 是程 序计数器( p c ) ，存储的是处理器要取的下一条指令的地址。在a r m 状态 下，寄存器m r 1 3 是正交的，即任何指令如果可使用内，那么也就可是用 其它寄存器，除了1 6 个数据寄存器，还有2 个程序状态寄存器：c p s r ( c u r r e n tp r o g r a m s t a t u s r e g i s t e r 当前程序状态寄存器) ，s p s r ( s a v e d p r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r 备份程序状念寄存器) 。a r m 内核使用c p s r 来监视 和控制内部操作，c p s r 是寄存器文件中一个专用的3 2 位寄存器，如图2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 图2 1 通用程序状态寄存器( p s r ) 其中，n ，z ，c ，v 是条件码标志位，它们的内容可被算术或逻辑运 算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行，具体见表2 - 1 。p s r 的低8 位( 包括i , f ，t 和m 4 ：0 1 ) 称为控制位，当发生异常时这些位可以被 改变。如果处理器运行特权模式，这些位也可以由程序修改。1 = 1 表示禁止 i r q 中断，f = i 表示禁止f i q 中断，t = i 表示处理器运行在t h u m b 状态 下，运行模式位m f 4 ：0 】决定了处理器的运行模式，具体见下节( 处理器运 行模式) 。p s r 中的其余位为保留位，当改变p s r 中的条件码标志位或控 制位时，保留位不要被改变，在程序中也不要使用保留位来存储数据，保 留位将用于a r m 版本的扩展。 表2 - 1 标志位含义 标j 基位标志名置位条件 n 负数结果的第3 1 位是1 z零 结果是0 ，常刚在指标相等与否 c 进位结果导致一个无符号数进位 v溢出结果导致一个有符号数溢出 2 2 1a r m 处理器运行模式 处理器模式决定了选用哪些寄存器以及对c p s r 的访问权，处理器模式 一般是总结在两种模式下工作：特权模式以及非特权模式。特权模式允许 用户对c p s r 的完全读写访问；而非特权模式只允许用户对c p s r 的控制 域进行读访问，但允许对条件标志的读写访问l 剐。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 a r m 处理器核共有7 种处理器模式。6 种特权模式，1 种非特权模 式，其中非特权模式是最常用的用户模式，各处理器模式的标识码见表2 2 。7 种处理器模式的使用情况：当处理器访问存储器失败时，进入数据访 问中止模式( a b o r t ) ；中断模式和快速中断模式分别对a r m 处理器两种 不同级别的中断做出响应；处理器复位以后进入管理模式，操作系统内核 也通常处于这种模式；系统模式是一种特殊的用户模式，允许用户对c p s r 的完全读写访问；当处理器遇到没有定义的指令或处理器不支持该指令 时，进入未定义模式；用户模式运行应用程序。 表2 - 2 处理器模式 模式缩写特权 模式位f 4 ：0 】 中止a b t是1 0 1 1 1 快速中断请求 f i q 是1 0 0 0 1 中断请求 l r q 是1 0 0 1 0 管理s v c是1 0 0 1 1 系统 s y s 是1 1 1 1 1 未定义u n d是1 1 0 1 1 用户u s r是1 0 0 0 0 2 2 2a r m 寄存器组织结构1 a r m 微处理器中共有3 7 个3 2 位寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，6 个为状态寄存器，通用寄存器包括r 0 - - r 1 5 ，具体的来分：这些寄存器可以分 为3 类。 未分组寄存器r 0 - - - r 7 在所有的运行模式下，未分组寄存器都是指向同一个物理寄存器，它 们未被系统用作特殊的用途。因此，如果由于中断或异常处理而发生处理 器运行模式切换时，这些寄存器因为对应相同的物理寄存器，可能会造成 寄存器中原数据的破坏。基于此，异常发生时应保留这些寄存器数据到新 模式堆栈中，以便异常处理完成后顺利返回。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 分组寄存器r 8 - - r 1 4 分组寄存器对应的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关。对于 r 8 , - 一r 1 2 来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，当处理器运行在 f i q 模式时，对应物理寄存器r 8f i q - - - ，r 1 2当运行在除模式以外的 其他模式时，对应物理寄存器 u s r r 1 2 f i q ；。fiqr8u s r 对于r 1 3 ，r 1 4 来说，每个寄存器对应6 个不同的物理寄存器，其中的 一个是用户模式与系统模式共用，另外5 个物理寄存器对应于其他5 种不 同的运行模式。详情见图。由图2 2 可见，除系统模式外，每种特权模式 都有自己的堆栈指针，因此要在系统的最开始初始化阶段就需要将各模式 的堆栈指针分配好。 寄存器r 1 5 用作程序计数器，由于a r m 体系架构采用了流水线技术， 对于a r m 指令集而言，p c 总是指向当前指令的下两条指令的地址。 在a r m 状态下，任意时刻可以访问以上1 6 个通用寄存器和1 - - 2 个状 态寄存器，在非用户模式( 特权模式) 下，则可访问到特定模式分组寄存 器。除了用户模式外，每一种处理器模式都可通过改变c p s r 中的模式位 来改变，除了系统模式外，所有处理器模式都有一组各自的分组寄存器， 它们是1 6 个主要寄存器的子集。每个分组寄存器与一个用户模式的寄存器 对应。如果改变处理器的模式，新模式的一个分组寄存器将取代原来模式 的分组寄存器。 例如，当处理器处于中断模式时，执行的指令仍然可访问名字是r 1 3 和r 1 4 的寄存器，但实际上它们是分组寄存器r 1 3 一i r q 和r 1 4 _ i r q 。用户模式 的r 1 3u s r 和r 1 4u s r 不会受到影响。程序仍然可以正常访问寄存器巾 r 1 2 。 处理器模式既可以通过程序直接改写c p s r ( 处理器内核必须处于特权 模式) 来切换，也可以当内核对异常或中断响应时由硬件切换。下面的异 常和中断会导致模式切换：复位，外设中断请求，快速中断请求，软件中 断，数据访问中止，预取指中止和未定义指令。异常和中断将挂起顺序指 令的正常执行，并跳转到一个特定的地址。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 胃恢遘巾新请袁 c p s r 臼匝西圃匾固匝固匾五回匾囹 图2 2a r m 寄存器结构 图2 3 显示了当一个中断导致模式切换时所发生的情况。当一个外设向 处理器核发出中断请求而产生中断时，内核从用户模式切换到中断模式。 这个改变使用户寄存器r 1 3 和r 1 4 被保护。用户寄存器r 1 3 和r 1 4 分别被寄 存器r 1 3 和所代替。其中保存了返回地址，保存irq r 1 4i r q r 1 3i r q r 1 4i r q 中断模式的堆栈指针。图中也显示了在中断模式中的一个新寄存器： s p s r ( 备份程序状态寄存器) ，它保存了先前处理器模式的c p s r 。从图2 3 中可以看出，c p s r 被复制到s p s ri r q 。为了回到用户模式，须使用一条 特殊的返回指令，指示内核从s p s r恢复原来的 ，同时切换回先i r q c p s r 前受保护的用户寄存器r 1 3 和r 1 4 。 事实上，系统上电或复位后，系统处在管理模式a r m 状态，因为从一 个特权模式开始是很有用的，初始化代码可以完全访问c p s r ，以设置其它 各模式的堆栈。 遗面卤画凰 禽 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 r 0 r 1 r 1 2 r 1 3 ( s p )_ _ r 1 3 _ i r q