（计算机应用技术专业论文）linux嵌入式系统在工控领域的研究与实现.pdf

摘要 随着信息化、网络化、智能化的发展，嵌入式技术得到了极大的发展，l i n u x 操作系统以其稳定性好，可靠性高，源代码公开，可剪裁，版权免费等优点，已 成为嵌入式领域的一股新兴力量，具有巨大的市场潜力和商业价值。嵌入式处理 器种类繁多，要使l i n u x 嵌入式系统在各个领域得到广泛的应用，就必须把l i n u x 嵌入式系统移植到各种处理器平台上，特别是当前主流平台上，并应用于实际的 产品。 近年来，随着计算机技术、通信技术的迅速发展，特别是互联网的迅速普及 和3 c ( 计算机、通信、消费电子) 合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势， 嵌入式系统开发已经成为了信息产业的热点。基于a r m 硬件平台及l i n u x 操作 系统的嵌入式产品应用开发已成为主流而在嵌入式的开发过程中，针对目标平 台的操作系统移植成为影响嵌入式产品开发进度的一个关键因素。 a r m 平台是目前应用非常广泛的处理器体系结构，自然也是l i n u x 嵌入式系 统移植的一个重点。本文是作者在对l i n u x 嵌入式操作系统大量研究和实践的基 础上，针对l i n u x 嵌入式系统移植的几个主要核心技术展开。首先详细分析了a r m 体系结构的特点并对其进行了系统的总结和归纳，然后详细的分析和阐释了 b o o t l o a d e r 重要性、概念、功能、筐架，总结和归纳了b o o t l o a d e r 移植关键问 题，特点以及移植过程，接下来系统的分析了l i n u x 内核与a r m 平台移植相关的 重要数据结构，中断和内存管理，紧接着作者归纳了嵌入式文件系统选择的原则、 类型以及制作文件系统的必须具备的内容。最后，在对l i n u x 系统核心移植技术 归纳和总结的基础上，将l i n u x 系统移植技术应用于一款工控触摸屏人机界面， 它的应用成功，会更加有力的推动l i n u x 嵌入式系统在我国工业产品中的应用。 本文正是基于上述现状，对基于a r m 平台的l i n u x 系统移植技术进行了全 面的分析，对系统引导、文件系统等诸多方面的移植进行了研究与实现。 关键词：l i n u x ，嵌入式，a r m ，系统移植，文件系统 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o n ，t h en e t w o r ka n dt h e i n t e l l i g e n c e , t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi s i m p r o v e dal o t b e c a u s eo fi t ss t a b i l i t y , o p e n s o u r c e ， e a s y - p o r t i n ga n do t h e rs t r o n g p o i n t ，l i n u xi sw i d e l yu s e di ne m b e d d e df i e l da n dh a s h l l g ep o t a t i o na n dv a l u ei nc o m m e r c e b e c a u s et h e r ea r em a n ye m b e d d e dp r o c e s s o r s ， p o r t i n gl i n u xt oap r o c e s s o ri st h ef i r s ts t e po fu s i n gl i n u xi ne m b e d d e da r e a r e c e n t l y , a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n l c a t i o n s t e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yr a p i dp o p u l a r i z a t i o no fi n t e r a c ta n ds y n c r e t i s ma c c e l e r a t i o no f 3 c ( c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n & c o n s u m ee l e c t r i c ) , m i c r o m a t i o na n ds p e c i a l i z a t i o n b e c o m et h em a i nd e v e l o p i n gt r e n d ，a tt h es a m et i m e , e m b e d d e dp r o d u c t st u r ni n t ot h e m a i n s t r e a mo fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y s y s t e mp o r t i n gt ot h et a r g e tp l a t f o r mi st h em a i n f a c t o rw h i c ha f f e c t st h ep r o c e s so fe m b e d d e d - s y s t e m sd e v e l o p m e n t a m o n gt h em a i ne m b e d d e dp r o c e s s o r s , a r mi s t h em a i ns t r e a m s oa f t e r r e s e a r c h i n ga n dt e s t i n go nt h el i n u x ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e ss e v e r a lk e yt e c h n o l o g y a b o u tf i n u xp o r t i n g f i r s t 。t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ea r ma r c h i t e c t u r e i nd e t a i lt om a k e t h er e a d e r sh a v ed e e pi m p r e s s i o n t h e n ，t h ea u t h o r e x p l a i n st h ec o n c e p t , t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef u n c t i o n so fb o o t l o a d e ra n dh o wt op o r tab o o t l o a d e r a n dt h e a u t h o rm o d i f i e st h ei m p o r t a n td a t as t r u c t u r e so ft h el i n u xk e r n e lr e l a t e dt oa r ma n d t h ei n t e r r u p ta n dm e m o r ym a n a g e m e n t n e x t ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h et y p e so ft h ef i l e s y s t e ma n dh o wt ob u i l dal i n u xf i l es y s t e m a tl a s t , t h el i n u xw i l lb ei nh u m a n m a c h i n eh l t e f f a c ef i e l d i ti st h ef i r s tl i n u xe m b e d d e ds y s t e mw h i c hi su s e di nh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ef i e l d ib e l i e v et h a tt h i ss u c c e s sw i l li m p r o v et h ea p p l i c a t i o no f l i n u xs y s t e mi ni n d u s t r ya r e a a st h ea b o v ei s s u e s 。t l l i st h e s i sm a k e sad e t a i l e da n a l y s i sa tt l l c o d e sa n d t e c h n i q u e sf o rp o r t i n gl i n u xt oa r m e m b e d d e ds y s t e m t l l i st h e s i sa l s oe x p l o r e sa n d i m p l e m e n t e dt h ep o r t i n go fb o o t l o a d e r , f i l es y s t e ma n do t h e rp a r t s k e yw o r d s ：l i n u x ，e m b e d d e d ，a r m ，l i n u xp o r t i n g , l i n u xf i l es y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：堕叠 日期：刃年华月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：宣遗导师签名：盘垫 日期：川年驴月带日 第一章绪论 1 1 嵌入式系统简述 1 1 1 嵌入式系统的概念 第一章绪论 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是计算机软件和硬件的综合体，它是以应用为 中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可以裁减的，能满足应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统i ”它可以 实现对设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统具有以下特点1 2 j ： 嵌入式系统通常是针对具体的应用的。嵌入式处理器大多工作在为特定用 户群所设计的系统中。它通常具有体积小、低功耗、成本低、集成度高等 优点，把通用的c p u 中许多由板卡完成的功能集成到芯片内部，从而使嵌 入式系统的设计趋于小型化、专业化，也能够使移动功能大大增强，与网 络的藕合也越来越紧。 嵌入式系统是一个资金密集、技术密集、高度分散、不断创新的知识融会 的系统。因为它是将先进的计算机技术、通信网络技术、半导体工艺、电 子技术和与各领域的具体应用相结合的产物；它是各项高新技术不断取得 突破的产物。 嵌入式系统必须尽可能的降低成本，从而在具体应用中对处理器的选择更 具有市场竞争力。这就要求嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设 计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣、去除冗余，力争在同样 的硅片面积上实现更高的性能。 嵌入式系统一般有较长的生命周期。嵌入式系统和具体应用有机的结合在 一起，它的升级换代也和具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦 进入市场，一般具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或处理器内部的存储器中，而不存储在外部的磁盘等载体中。通常 嵌入式系统还需要能应付恶劣的环境和突然断电等情况。 电子科技大学硕士学位论文 嵌入式系统本身不具备自举开发能力。即使设计完成之后，用户通常也不 能对其中的应用程序进行修改，必须有一套交叉开发工具和环境才能进行 开发 1 1 。2 嵌入式系统的现状 随着信息化、网络化、智能化的发展以及嵌入式技术的全面进步，目前己经 成了个人数字消费类产品和通信的共同发展的方向。在个人数字消费品领域中， 嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入式设备具有 自然的人机交互界面，所以以g u i 屏幕为中心的多媒体界面给人以很大的亲和力。 手写输入、语音拨号上网、收发电子邮件彩色图形、图像也己取得初步成效。在 通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已经开始由 模拟电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术己在全球大多数国家 推广。数字音频广播( d a b ) 也己进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元 器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。 从软件方面讲，现在有相当多的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式操作系 统，已进入我国市场的就有很多，如w i n c e ，v x w o r k s 。我国自主开发的也有一些， 如h o p e n 嵌入式操作系统。而且网上也可以找到各种各样的免费资源，从各大厂 商的开发文档到各种驱动程序源代码。最著名的就是l i n u x 。 硬件方面，经过多年的发展和应用，已经比较成熟，实现各种功能的芯片应 有尽有。不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发 包。 1 1 3 嵌入式系统未来的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展了美好的蓝图，是机遇同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以看 出未来嵌入式系统的几大发展趋势： 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c ( s y s t e mo l lc h i p ) 将成 为发展趋势，这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。 同时，软件硬件的紧密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件 时常以硬件形态存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。 网络化，嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成 2 第一章绪论 为互联网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并 有专门服务于嵌入式产品的内容网络互联成为必然趋势 无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域，一方面，已有无线产品将 借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将 增加无线通讯功能。因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互 促进，共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为 用户服务。 嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展嵌入式系统中的重要角色包括 嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件的 发展，才能满足丰富多彩的应用要求 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应 用，信息交换、资源共享机会增多，由此相关的标准问题也将日渐突出，如 何建立相关标准成为业界关注的问题。 1 2a r m 在嵌入式系统中的应用 a r m 公司的产品并不是芯片，而主要是i p ，即一整套的设计成果。包括处理 器体系结构规范，具体的电路图，布线图，分层掩膜图等。可供芯片生产厂商来 生产面向特定应用的微处理器控制器芯片1 3 l o i p 当前最热门和最令人垂涎的新经济产品s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y a s s o c i a t i o n 报告2 0 0 1 年全球i p 的市场在需求的驱动下已经达到了的革命使得 数字电子设备产生了新的一代。而微处理器的i p 更是现代s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 架构的基石。事实上，很多s o c 架构的处理器目前的主要商业模式都是i p 设计， 例如m i p s 由于s o c 架构具有指令集简洁，芯片占用面积小等特点，因此在s o c 设计领域获得了广泛的应用。其中的a 蹦架构就是一个非常成功的典型 据调查，2 0 0 1 年间，微处理器的销售超过5 3 8 ，0 0 0 ，0 0 0 个，其中7 4 6 是 基于a r m 的微处理器核。a r m 控股上市公司目前是世界第一的i p 提供商。当a r m 在二十世纪九十年代提出了采用开放的，可授权许可的i p 来支持以微处理器为核 心的s o c 芯片的概念后，就使整个工业界改变了面貌。 目前在全球已经有将近2 0 0 多个半导体公司购买了a r m 的i p 核生产自己的微 处理器，微控制器芯片8 0 以上的g s m 手机，9 0 的c d m a 手机，以及将来的w c d m ， t d - s c d m a 手机都将采用基于a r m 核的处理器。u t 斯达康公司也将采用基于a 瑚 3 电子科技大学硕士学位论文 核的处理器生产小灵通手机。因为众多的手机处理器，如摩托罗拉，l m x ，德州仪 器的o a p ，i n t e 的x s c a l e 等都采用了基于a 跚核的芯片，所以主流的手机和 p d a 操作系统如p o c k e t p c ，s y m b i a n ，p a h a o s 等都支持a r m 处理器。在a r m 平台 下的各种应用环境如操作系统，应用程序，开发工具，支持，设计服务都相当丰 富和成熟。所以a r m 也成为开发和集成商在开发产品时的首选平台 1 3l i n u x 在嵌入式系统中使用 1 3 1l i n u x 应用于嵌入式系统的特点 l i n u x 是一个类似于u n i x 的操作系统。它起源于芬兰一个名为l i n u s t o r v a l d s 的业余爱好，但是现在已经是最为流行的款开放源代码的操作系统。 l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短1 0 年的时间内已发展成为一个功能强大、设 计完善的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的l i n u xo s 已成为m i c r o s o f t 公司的d o s 和w i n d o w s9 5 9 8 的强劲对手。l i n u x 系统不仅能够运行于p c 平台， 还在嵌入式系统方面大放光芒，在各种嵌入式l i n u xo s 迅速发展的状况下，l i n u x o s 逐渐形成了可与w i n d o w sc e 等e o s 进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式 系统中，4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。l i n u x 现已成为嵌入式操作 的理想选择。 1 免费，源代码公开 l i n u x 操作系统原代码可以从互联网上免费下载使用；而且，l i n u x 上运行的 绝大多数应用程序也是免费得到的用了l i n u x 就再也不用背”使用盗版软件” 的黑锅了，也没有版权费了。公开的原代码，用户可以根据自己的需要对l i n u x 原代码进行修改，剪裁成适合于自己应用的系统。 2 有很高的适应性和可靠性 l i n u x 系统具有很高的稳定性和可靠性，因为l i n u x 继承了u n i x 的优点，其 适应性和稳定性是非常突出的嵌入式l i n u x 是一个跨平台的系统，到目前为止 可以支持几十种c p u 值得注意的是很多c p u 包括家电业的芯片，都开始做l i n u x 的平台移植工作，移植的速度远远超过j a v a 的开发环境。同时，嵌入式l i n u x 内核的结构在网络方面是非常完整的，提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络 以及无线网络、光纤甚至卫星的支持，所以l i n u x 很适于做通信设备的开发。此 外，高可靠性是嵌入式l i n u x 领先于其他嵌入式操作系统最明显的地方。l i n u x 4 第一章绪论 原先用于服务器领域，有较高的可靠性。嵌入式l i n u x 中虽然对内核进行了一些 裁减，但是仍然保持了原l i n u x 高可靠性的特点，在应用l i n u x 开发的产品中一 般很少有系统崩溃的现象。 3 于扩充实时性要求 嵌入式系统一般都有时实性要求。操作系统实时性的决定因素和中断例程本 身、内核中的驱动程序以及内核中任务调度程序有关，而响应延迟时间主要受中 断的优先级和其他进程暂时地关闭中断响应的影响，因此内核任务管理和驱动中 断的机制必须保证实时要求。目前大多数嵌入式操作系统并不具备严格的实时性， w i n d o w sc e 甚至基本上不具备实时性的特点而嵌入式l i n u x 可以很好地满足实 时性要求。针对i n t e lx 8 6 处理器进行实时扩充，r t l i n u x 就是一个很好的例子， 它把l i n u x 作为自己的一个任务，这样实时性要求很高的任务不受非实时的l i n u x 的干扰，可以得到满足。另外还提供了实时任务和l i n u x 的基本核心、其他任务 间的接口当然用户也可以根据需要自己修改l i n u x 原代码。 4 具有成熟的开发工具 开发嵌入式系统的关键是需要一套良好的开发和调试工具，l i n u x 有一套完整 的免费的开发和调试工具，嵌入式l i n u x 利用g n u 项目的c 编译器来编译程序， 使用g d b 源程序级调试器来调试程序它们提供了合适的手段，使客户能够方便地 开发嵌入式l i n u x 的各种应用程序。开发时可在p c 上交叉编译应用程序，调试时 可通过串t e l n e t 登陆硬件平台，同时可利用n f s 调试已存在p c 机中的文件。 5 可以根据需要灵活地配置内核 嵌入式系统要尽量减少体积，因为一般说来，可供嵌入式操作系统使用的存 储容量都十分有艰，不能像普通计算机那样采用海量存储器来进行数据存储通常 采用软件固化的方法，将程序和操作系统嵌入到整个产品里面。嵌入式l i n u x 除 了本身体积较小以外，还保留了l i n u x 操作系统中非常有特色的一点：模块化的内 核，用户可以自己裁减内核，用户完全可以根据不同的任务来选择特定内核模块， 而将不用的部分去掉，减少体积，从根本上解决了体积和功能的矛盾。 1 3 2l i n u x 的移植情况 将l i n u x 应用于嵌入式系统中，必须根据目标系统的需要对l i n u x 系统进行 必要的裁减，修改，和补充，目前主要集中在对以下几方面对l i n u x 进行修改： 将l i n u x 内核移植到一些应用比较广泛的s o c 上。目前在标准l i n u x 内核 5 电子科技大学硕士学位论文 源码树的a r c h 目录下已经有很多针对不同的处理器的实现，通过在主机 上进行交叉编译就可以构成适用于各种处理器的可执行映像。但是，目标 硬件上可能有一些独特性质是标准l i n u x 没有加以充分利用的。所以需要 补充，优化对于a 脯平台而言，从c p u 级主要是对于各种不同的a r m 核的优化处理以及对内置的协处理器的支持。 对常用的外围设备进行选择和修改，在l i n u x 原代码里边包含有丰富的许 多设备的d r i v e r ，网上也有丰富的关于l i n u x 的设备驱动程序，所以我们 开发驱动可以有参考的d e m o ，不必从头开始，有些甚至可以直接使用。 从而大大的缩短了开发周期。 对l i n u x 内核进行实时话改造，由于在嵌入式系统应用中，很多场合对系 统都有一定的实时性要求，而标准的l i n u x 系统是一个典型的分时系统， 不能很好的满足对实时性的要求。对这方面的修改主要有：调度机制修改； 实现可强占调度；提高时钟精度；中断响应时间等【4 】。 由于l i n u x 开源的操作系统，有许多优秀的软件开发人员根据需要对li n u x 进行修改，横向形成许多不同的l i n u x 版本，被标准l i n u x 吸收后，主要以d i f f 和p a t c h 补丁的形式存在。经过多年的经营，网络上比较有名的l i n u x 移植工程 有a r m l i n u xp r o j e c t ，无m m u 的u c l i n u xp r o j e c t ，基于p o w e r p cl i n u x ，基于m i p s 的l i n u xv rp r o j e c t | 2 1 。 理论研究方面，虽然近年来，对l i n u x 移植技术研究比较多，移植技术也日 趋成熟，但是还是缺少比较系统的归纳和总结，这是本文的写做重点。应用方面， l i n u x 以其独有的特点和优势，给我们带来了机遇，我们需要通过l i n u x 系统的 成功应用来推动它的应用，开发出拥有我国自主知识产权的信息化产品，本文最 后一章便写了l i n u x 嵌入式系统在工控触摸屏人机界面上的应用成果。 1 4 论文的主要工作 基于目前国内外在a r m 平台的l i n u x 内核移植技术方面研究和应用所取得的 成果，本论文完成了以下的一些工作： ( 1 ) 对a r m 体系结构的特点进行了详细的总结，归纳和分析。 ( 2 ) 对与移植相关的a r m l i n u x 内核启动阶段进行深入分析，对l i n u x 内核中 与a r m 平台移植相关的代码如内存管理，中断控制进行深入的分析研究。并给出 了详细的分析报告。 6 第一章绪论 ( 3 ) 对面向a r m l i n u x 内核的b o o t l o a d e r 实现原理和移植方法进行了深入的分 析研究 ( 4 ) 在研究大量l i n u x 嵌入式根文件系统的基础上，论文对l i n u x 嵌入式系统 的根文件的选择和制作进行了系统的总结和归纳。 ( 5 ) b o o t l o a d e r 、k e r n e l 和根文件系统是嵌入式l i n u x 系统移植技术最基本 也是最核心的部分，在对这些部分总结和归纳的基础上，把该技术应用于工控触 摸屏人机界面系统的。 论文的组织围绕以上工作展开。 第一章介绍a r m 在嵌入式系统中的应用，将l i n u x 应用于嵌入式系统的问题 以及l i n u x 内核移植技术的国内外发展情况。 第二章讨论a r m 的体系结构。 第三章分析面向a p , m l i n u x 的b o o t l o a d e r 的实现原理和移植方法。 第四章分析和a 蹦平台移植相关的l i n u x 内核代码，重点侧重于对a r m l i n u x 启动、内存管理和异常中断处理的分析。 第五章总结l i n u x 系统移植当中根文件系统的选择与制作。 第六章把该技术应用于工控触摸屏人机界面系统。 最后给出论文的总结与展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章a r m 的组织和体系结构 2 1 计算机组织和体系结构的概念 毫无疑问，现代计算机的比起5 0 多年前的计算机是有着巨大的进步的。但这 种进步并不仅仅只是体现在集成电路设计工艺的进步上。换句话说，即使采用现 在的集成电路设计方法去实现5 0 年前的计算机，也不能说这台计算机是现代意义 上的计算机。事实上，真正体现现代计算机先进性的是在5 0 多年的计算机发展史 上在计算机体系结构( c o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ) 和计算机组织结构( c o m p u t e r o r g a n i z a t i o n ) 方面所取得的成果。 计算机的体系结构和组织是计算机在不同层面的两个概念。体系结构在某种 程度上更象一个规范，它描述了从汇编语言程序员的角度所看到的计算机。包括 处理器指令集，可见的处理器寄存器，系统协处理器，用于内存管理的页表项， 页目录表项的描述和处理器的异常处理模式。 而计算机组织所描述的则是对汇编语言程序员透明但对硬件设计人员可见的 处理器实现架构。包括处理器的流水线组织。c a c h e 和b u f f e r 缓冲的设计，t l b 的设计等都属于计算机组织的概念。 对于a r m 平台的移植来说，通常所考虑的层面主要是计算机体系结构方面的。 但在一些情况下也要求要理解计算机组织方面的一些基本概念。本节首先介绍 a r m 处理器的体系结构方面的相关内容，下一节介绍其组织结构。 2 2a r m 体系结构 a r m 的体系结构总的设计思路是在不牺牲性能的同时尽里简化处理器。同时 从体系结构的层面上支持灵活的处理器扩展。这种简化和开放的思路使a r m 处理 器采用了很简单的结构来进行实现。a r m 是精简指令集计算机( r i s c ) 架构的一种 实现，从而包含了r i s e 架构的一些典型特征 5 1 包含一个很大的可见寄存器集。这样的结构设计使编译器能够对函数参数 传递和局部变量的分配进行很大程度的优化。但a r m 的实现并没有采用类 似于s p a r c 那样的寄存器窗口，这也是它的简化思想的一个体现。 8 第二章删的组织和体系结构 采用l o a d s t o r e 结构。和大寄存器集的配合可以尽量使数据处理操作集 中在寄存器中，而不直接的存取内存，从而达到提高程序执行性能的目的。 简化的寻址模式l o a d s t o r e 指令使用的地址只由寄存器或指令本身提 供，从而去除了计算指令地址所需要的运算器，达到简化硬件的目的。 定长指令集的设计。这样的设计简化了指令译码部件的设计，同时也使指 令流水线的设计得以简化。 内存和外设统一编址。在对结构进行简化的同时，a r m 体系结构也采用了 一些很特别的方式来提高指令执行性能。这些实现都很有特色。 将算术和移位操作相结合的指令实现。使一条数据处理指令可以实现将算 术和移位操作相结合，如指令：a d dr o ，r l ，r 2 ，l s l # 3 将r 2 的内容逻 辑左移3 位后与r l 相加，结果存放到r 0 中。这种结构的实现可以使处理 器中的a l u 和移位器得到最大程度的使用率。 指令寻址时可实现地址自加。这种指令对高级语言程序的循环结构的优化 是非常有利的。 多元l o a d s t o r e 指令。可以在一条指令中实现装入存储多项数据，从面 提高数据吞吐量。如指令s t m f ds p ! ， r o r 2 ，l r ) 将寄存器r o 到r 1 2 以及1 r ( r 1 4 ) 的内容装入堆栈，也就是从s p 所指的内存单元中。这类指 令在中断处理程序或子程序中对现场的保存和恢复中用的很多。也可以实 现对数据拷贝操作的优化州。 指令的条件执行a r m 的每条指令的执行都可以是有条件的，这对高级语 言程序中的一些条件分支可以得到很大的优化。 从上面这些特点可以看到，a r m 的设计思想可以算得上是非常精巧的，在最大 限度的简化了处理器内部的组件后，再对现有的硬件进行最大程度的利用。实际 上，a r m 体系结构的简化设计思想不仅体现在了指令集的设计上，在其体系结构 的其它方面象内存管理，中断异常处理的模式也体现了出来。 2 3a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a 跚体系结构的处理 器，除了具有a 跏体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各 自的特点和应用领域嘲。 一a r m 7 系列 9 电子科技大学硕士学位论文 一a r m 9 系列 一a 刚9 e 系列 一a 蹦l o e 系列 一s e c u r c o r e 系列 一i n t e l 的x s c a l e i n t e l 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m i o 为4 个通用处理器系列，每一个系列提 供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全 要求较高的应用而设计。以下我们来详细了解一下各种处理器的特点及应用领域。 2 3 1a r m 7 微处理器系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求 较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 一具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 一极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 一能够提供0 9 m i p s 姗z 的三级流水线结构。 一代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 一对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 一指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用户的产品升级 换代。 一主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和调制解 调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m 7 系列微处理器包括如下几 种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目 前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含 义为川： t ：支持1 6 为压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 1 0 第二章 础的组织和体系结构 2 3 2a r m 9 微处理器系列 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特 点： 一5 级整数流水线，指令执行效率更高 一提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。 一支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一全性能的删u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系 统 一i l p u 支持实时操作系统。 一支持数据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 跚9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高 端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于 不同的应用场合。 2 3 3a r m 9 e 微处理器系列 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。 a r m 9 e 系列微处理器的主要特点如下： 、 一支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合 一5 级整数流水线，指令执行效率更高。 一支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一支持v f p 9 浮点处理协处理器。 一全性能的 n l u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系 统。 一m p u 支持实时操作系统。 一支持数据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。 电子科技大学硕士学位论文 一主频最高可达3 0 0 m i p s 。 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。 a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、a 蹦9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e - s 三种类型， 以适用于不同的应用场合 2 3 4a r m l o e 微处理器系列 a r m i o e 系列微处理器具有离性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构， 与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时， a r m i o e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 a r m i o e 系列微处理器的主要特点如下： 一支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 一6 级整数流水线，指令执行效率更高。 一支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一支持v f p l 0 浮点处理协处理器。 一全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系 统。 一支持数据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 一主频最高可达4 0 0 m i p s 。 一内嵌并行读写操作部件。 a r m i o e 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、通信和信息系统等领域。 a r m l o e 系列微处理器包含a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m 0 2 6 e j s 三种类型， 以适用于不同的应用场合。 2 3 5s e e u r o o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技 术的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低 功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构各种主要特点外，还在系统安 第二章a 础的组织和体系结构 全方面具有如下的特点： 一带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。 一采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。 一可集成用户自已的安全特性和其他协处理器。 s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应 用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 s e c u r c o r e 系列微处理器包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l l 0 、s e c u r c o r e s c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的应用场合。 2 3 6s t r o n g a r m 微处理器系列 i n t e rs t r o l l g a r ms a - 1 1 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位r i s c 微处理器。它融合了i n t e r 公司的设计和处理技术以及 跳体系结构的电源效率， 采用在软件上兼容a r m v 4 体系结构、同时采用具有i n t e l 技术优点的体系结构。 i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成 功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 2 3 7x s c a i e 处理器 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价 比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用在数字移 动电话、个人数字助理和网络产品等场合。x s c a l e 处理器是i n t e l 目前主要推广 的一款a r m 微处理器。 2 4a r m 微处理器结构 2 4 1r l s c 体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结 构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为 支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在c i s c 指令集的 各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占整个 程序代码的8 0 。而余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只占2 0 ， 显然，这种结构是不太合理的 电子科技大学硕士学位论文 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，r i s c 并非只是简单地 去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算 速度上。r i s c 结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度 固定，指令格式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等 措施来达到上述目的。 到目前为止，r i s c 体系结构也还没有严格的定义，一般认为，r i s c 体系结构