（电子科学与技术专业论文）基于armlinux的嵌入式产品平台构建.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，e m b e d d e d s y s t e m ，b e i n gt h e c e n t e ro fi n t e r e s ti nt h er i s i n gr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s ，h a sb e e nb e c o m i n ga n i m p o r t a n tc o m p o n e n t i nt h i sf i e l d a sah i g h p e r f o r m a n c e ，c o s t e f f e c t i v er i s c p r o c e s s o r ，t h e1 6 3 2 一b i tr i s ca r m 7 t d m id e v e l o p e db ya d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，l t d h a sb e e ni n c l u d e di ns a m s u n g s $ 3 c 4 5 1 0 bc o m b i n e dw i t hm a n yi m p o r t a n tp e r i p h e r a l f u n c t i o n s ，s u c ha se t h e r n e tc o n t r o l l e r ，g p i o ，e t c ，a n dt h e r e f o r ei sa ni d e a l s o l u t i o nf o re t h e r n e t b a s e de m b e d d e ds y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a na r m l i n u xb a s e de m b e d d e d p r o d u c tp l a t f o r mi s p r o p o s e d ，d e s i g n e d ，r e a l i z e da sw e l la se m b e d d i n gas i m p l i f i e du c l i n u xo p e r a t i n g s y s t e mi ni t t h eh a r d w a r ei sd e s i g n e db yv i r t u eo fo r c a d ，w h i e hi sap o w e rp c b t o o lsi nt h ep r o d u c tf a m i l yo f c a d e n c e s t r a t e g i e sf o rh i g h s p e e db o a r dd e s i g n m e n t a r ec o n s i d e r e df o ra n t i j a m m i n g t h es o f t w a r ei sb a s e do i lu c li n u x 。w h i c hh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di ne m b e d d e ds y s t e m sb e c a u s eo fi t ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，s u c h a s o p e n c o d e sa n dp o w e r f u ln e t w o r ks u p p o r t ，e t c t h eh a r e w a r ea n ds o f t w a r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e rf o r map r o d u c tp l a t f o r m ，w h i c hh a sb e e nr e a d yf o rf u t u r e a p p l i c a t i o n s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rc o u i dt h e r e f o r eb es u m m a r i z e da sf o l l o w s a ni n t e g r a t e dp l a t f o r mf o rm u l t i f u n c t i o n a le m b e d d e da p p l i c a t i o n sw i t ho u r o w ni p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) i sd e s i g n e d w ed e s i g nt h em o s ti m p o r t a n tm o d u l e o n as m a ll h i g h d e n s i t yf o u r l a y e r p cb o a r d ，i n c l u d i n g p r o c e s s o r ，m e m o r i e s ， c o n t r o l l e r sa n de x t e n d e di n t e r f a c e s b a s e do nt h i sp l a t f o r m ，a1 0 to fe m b e d d e d a p p l i c a t i o n s c a nb e r e a l i z e d ，s u c h a sn e t w o r k m a n a g e m e n t ，i n t e r n e t v e d i o t r a n s m i s s i o n 。w w ws e r v i c e s ，e t c a ne n t e n d e dp ch o a r di sr e a l i z e dt ot e s ta n de v a l u a t et h ec o r eb o a r d i n c l u d i n gm a n yu s e ri n t e r f a c e s ，s u c ha sl c d ，k e y ，e t h e r n e tp o r t ，u a r tp o r t sa n d s o0 n t h ec o r eb o a r da n de n t e n d e db o a r dc o m p o s eo fa ni n t e g r a t e d d e v e l o p e n v i r o n m e n t s o l v i n gt h ep r o b l e mo fp o r t i n gt h eu c l i n u xo s w ep o r t e dt h eu c l i n u xo s t ot h ep l a t f o r m w ea l s od e v e l o p e ds o m ea p p l i t i o n s ，s u c ha sw e bs e r v e ra n ds n m p d e b u g g i n g ，i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dk e e p i n gt h en e t w o r ke f f i c i e n c y a n d s t a b l e t h r o u g h t h e d e s i g np r o c e d u r e ，w e s u m u pg u i d e l i n e s a n d d e s i g n m e t h o d o l o g i e sf o rt h es e l e c t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n do p e r a t i o ns y s t e m f o re m b e d d e ds y s t e m s k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e do s ，u c l i n u x ，a r m ，o r e a d ，s p e c c t r a 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科 学研究得到了质的飞跃，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一 次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优势就是可以嵌入到任何微 型或小型仪器、设备中。 1 1嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 概述 1 1 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。其涵盖范围相应用 领域都十分广泛，几乎包括了我们周围的所有电器设备，如：电视机顶盒、掌上p d a 、移 动计算设备、多媒体设备、医疗仪器乃至路由器、交换机等。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。硬件由微控制器或单片机实现，包括一 些外围设备，软件由嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入系统与通用计算机系统相比 有五个明显的特征：专用性、可封装性、外来性、实时性、可靠性。专用性是指嵌入式 计算机系统用于特定设备完成特定任务：可封装性指嵌入式计算机系统隐藏于目标系统 内部而不被操作者察觉，实质上是面向对象封装以实现信息隐蔽思想的体现；外来性体 现在嵌入的计算机一般自成一个子系统，与目标系统的其它子系统保持一定的独立性。 实时性指与实际事件的发生频率相比，嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件或 用户的干预做出响应；可靠性是指嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户很难直接接 触控制，因此一旦工作就要求它可靠运行。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软 件都必须高效率的设计，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，这样才更具有竞争力。嵌入式处理器要根据用户的具体要求，对芯片配置进行裁减 和添加才能达到理想的性能。 1 1 2 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ) 随着嵌入式操作系统的广泛应用，业界已推出一些应用比较成功的嵌入式操作系统 产品，嵌入式操作系统也从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。归纳起来嵌入 式操作系统应该有以下几个特点：小的系统内核：较强的实时性、多任务功能；能够提 供各种设备驱动程序；高端嵌入式系统还提供许多高级的功能，如图形用户界面和 t c p i p ，p p p 等网络协议支持。嵌入式操作系统主要有p a l mo s ，w i n d o w sc e ，e p o c ， l i n u x c e ，q n x ，e c o s 。l y n x ，很多高端r t o s 供应商已经提供强大功能，但其价格也很高 端，一般人难以接受。微软的w i n d o w sc e 也有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要 求的实时性能，而且难以移植。现在需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统 所必须特性的操作系统，嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正 在被广泛采用，成为嵌入式操作系统的首选。 l i n u x 如下的特点契合嵌入式操作系统的要求： l l n n x 的源代码是完全开放的，注释清晰并且文档齐全，非常有利于个性化定制； 浙江大学硕士学位论文 即使最困难的问题也有办法解决，不存在黑箱技术。 满足嵌入式系统所要求的实时，多任务性。从l i n u x 进程调度的3 个策略：“非 实时”、“实时先进先出”、“实时基于优先权轮转法”可以看出，l i n u x 对于实时任务是有 特殊处理的，虽然并没有满足“硬实时”要求，但是这种软实时可以满足一般嵌入式系 统的要求( 在1 5 微秒内响应) 。l i n u x 也是一个多任务操作系统，也就是说l i n u x 允许 有多个程序同时装入内存运行，操作系统为每个程序创建一个运行环境，l i n u x 的多任务 性满足嵌入式系统的要求。 l i n u x 是一个高效、可靠、模块化的、易于配置的操作系统。l i n u x 的内核包含： 进程调度、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分，内核的功能块 又被划分为独立的模块。l i n u x 提供的模块机制可以根据用户的需要，将某些模块插入到 内核或从内核中拿走，所以系统内核可以裁剪得精而小。l i n u x 内核的组织结构是整体式 结构，由很多过程组成，每个过程可以独立编译，然后用连接程序将其连接在一起成为 一个单独的目标程序，没有任何程度的信息隐藏，这种结构的内部结构简单，子系统间 易于访问，因此内核的工作效率较高。同时，l i n u x 的进程调度方法也简单高效，对于用 户进程采用简单的动态优先级调度方式；对于内核中的例程( 如：设备驱动程序、中断服 务程序等) 则采用独特的内核机制，保证内核例程的高效运行。l i n u x 是成千上万人智慧 的结晶，是最可靠、最稳定的操作系统。 支持大量的硬件设备。 非常优秀的网络功能。l i n u x 提供t c p i p 网络协议和i n t e r n e t 客户，服务器软 件。l i n u x 内核对网络协议栈的设计是从简洁实用的角度出发，实现整套的网络协议 模块。l if l u x 不仅可以支持一般用户需求的f t p 、t e l n e t 等协l 议，还能提供对网络上其 它机器内文件的访问( n f s 。网络文件系统) 。l i f l u x 还可以支持s l i p ( s e r i a ll l n e i n t e r f a c ep r o t o c 0 1 ) 和p l i p ( p a r a l l e l 基于l i n u x 的嵌入式操作系统研究l i n e i n t e r f a c ep r o t o c 0 1 ) 协议，使得通过串口和并口线进行连接成为可能。 l i n l l x 能够解决嵌入式系统没有磁盘的问题。因为l i n u x 支持将某些模块常驻内 存，所以最简单的办法是将嵌入式系统需要的应用程序和l i n u x 内核同时储留在内存中， 系统启动同时运行应用程序。 完善的开发工具。如g c c 、g d b 、k g d b 、x g d b 等。开发嵌入式系统的关键是要有 一套好的开发和调试工具，l i n u x 利用g x u 的g c c 做编译器，用g d b ，k g d b ，x g d b 做调试 工具可方便地开发嵌入式系统。 1 1 3 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器就是和通用计算机中对应的c p u ，它是嵌入式系统的核心部件。为 满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器除在功能上和标准微处理器基本一样外， 还具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。在应用中，一般是将微处理器装配 在专门设计的电路板上，在核心板上只保留和嵌入式相关的功能即可，包括r o m 、r a m 、 总线接口、各种外设等，这样可以满足嵌入式系统体积和功耗大幅度减小的要求。 目前的嵌入式微处理器主要包括有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e r p c 、m o t o r o a 6 8 0 0 0 、 a l p s 、a 删系列等等。 浙江大学硕士学位论文 1 2 嵌入式系统的发展 虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却早己 存在。从上个世纪7 0 年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应 用，嵌入式系统少说也有了近3 0 年的历史。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以 下四个阶段。 1 2 1无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监 测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中。一 般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内 存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8 位的c p u 芯片 来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上“系统”的概念。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一；处理效率较低；存储 容量较小；几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在 工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有 较高要求的信息家电等场合的需要。 1 2 2简单操作系统阶段 2 0 世纪8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，i c 制造商开始把嵌入式应用中所需 要的微处理器、i o 接口、串行接口以及r a m 、r o m 等部件统统集成到一片v l s i 中，制造 出面向i o 设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时， 嵌入式系统的程序员也开始基于些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件，大大缩 短了开发周期，提高了开发效率。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现大量高可靠、低功耗的嵌入式c p u ( 如p o w e r p c 等) ，各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统 虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要 用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。 1 2 3实时操作系统阶段 2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵 引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的d s p 产品则向着高速度、 高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不 断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统( r t o s ) ，并开始成为嵌入式系统的主流。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够 运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系 统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面( g u i ) 等功能， 并提供了大量的应用程序接口( a p i ) ，从而使得应用软件的开发变得更加简单。 1 2 4面向i n t e r n e 阶段 2 1 世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自 3 浙江大学硕士学位论文 然也越来越高。随着i n t e r n e t 的进一步发展，以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控 制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将会成为嵌入式技术的真正未 来。 信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时也对嵌 入式系统厂商提出了新的挑战。目前，嵌入式技术与i n t e r n e t 技术的结合正在推动着嵌 入式技术的飞速发展，嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化： 新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够 在短时间内支持更多的微处理器。 嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统 本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。 通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，如嵌入式 数据库、移动代理、实时c o r b a 等，嵌入式软件平台得到进一步完善。 各类嵌入式l i n u x 操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执 行效率高、网络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成 了能与w i n d o w sc e 、p a l mo s 等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。 网络化、信息化的要求随着i n t e r n e t 技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以 往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂， 网络互联成为必然趋势。 精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。 提供更加友好的多媒体人机交互界面。 1 3 课题提出意义和主要研究内容 基于上述观点，我们研究设计并完善了基于a r m l i n u x 的嵌入式产品平台，完成系统的 硬件设计及操作系统移植。该系统的硬件在c a d e n c e 公司的o r c a d 环境下开发，采用高 速p c b 设计方法，以保证系统硬件的可靠性。系统采取“核心板一底板”设计思路，扩 展了平台的通用接口，并且在满足最小系统所需功能前提下尽量缩减开发板大小，完成 各类应用系统如网络视频、音频传输的核心板功能。为以后产品开发提供了稳定、经济 而又方便的平台。这正是本课题提出的意义所在。 论文主要讨论平台的硬件设计，包括电路原理图设计，印刷电路板制作，硬件电路 调试等。我们从芯片选型开始，搜集网上各类资料，从平台今后应用的定位，最终选定 $ 3 c 4 5 1 0 b 这款m c u ，它内嵌以太网控制器，非常适合我们对于网上视频、图像、音频传 输应用的需要。在硬件设计过程中充分考虑了设计的合理性、规范性和稳定性，为嵌入 嵌入式操作系统提供了可靠的平台，使在此基础上的开发工作得以顺利进行。 论文的结构安排如下： 第一章从应用角度出发，综合论述本文研究工作的意义和嵌入式系统的概况、发 展现状。 第二章介绍平台实现的硬件核心。本平台的核心芯片是s a n s u n g 公司推出的嵌入 式处理器- - $ 3 c 4 5 1 0 b 。介绍a r m 体系结构、及$ 3 c 4 5 1 0 b 采用的a r m 7 t d m i 的工作原理。 第三章详细分析系统的功能需求，并在此基础上提出平台设计原则及总体设计方 浙江大学硕士学位论文 案。根据功能要求进行模块规划，把整个系统分为晶振模块、复位模块、 f l a s h 模块、s d r a m 模块、以太网接口模块、r s 2 3 2 接口模块、实时时钟模 块等，并分模块介绍各个功能的具体实现。 第四章介绍平台的硬件开发环境，在c a d e n c e 的o r c a d 环境下完成了整个系统的 硬件设计。 第五章强调设计过程中p c b 抗干扰的方法。从干扰产生原因着手分析p c b 抗干扰 般原则和针对我们平台的一些具体措施。 第六章简单描述系统软件平台嵌入式操作系统u c l i n u x 的移植。 论文最后给出课题研究的主要结论和特点，讨论平台进一步的应用扩展，并介绍了 一块以该平台为核心板的评估板。 浙江大学硕士学位论文 第2 章开发平台核心处理器a r m 概述 本章主要内容：a r m 及相关技术简介：a r m 微处理器的应用领域及特点；a r m 7 t d m i 微处理器核体系结构：a r m 微处理器的选型；$ 3 c 4 5 1 0 b 概述和基本工作原理。给出硬件 核心芯片选型的理论依据。 2 1a r m 微处理器概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a t h i n e s ) ，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。 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，即我们通常所说的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 处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入 到我们生活的各个方面。 2 2a r m 微处理器的应用领域及特点 2 2 1a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 工业控制领域：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。 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高 性能和低成本在该领域的地位日益巩固。 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片f 逐步获得竞争优 势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的应用领域提 出了挑战。 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机 中得到广泛采用。 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机 中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广 泛的应用。 2 2 2a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 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t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集： 大量使用寄存器，指令执行速度更快： 浙江大学硕士学位论文 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； 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的处理器产品以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器。 a r m 7 系列。 a r m 9 系列。 a r m 9 e 系列。 a r m i o e 系列。 s e c u r c o r e 系列。 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 。 这些处理器最高主频达到了8 0 0 m i p s ，功耗数量级为m w m h z 。对于支持同样a r m 体 系版本的处理器，其软件是兼容的。这些处理器广泛应用于一下的领域： 开放应用平台包括无线系统、消费产品以及成像设备等。 实时嵌入式应用包括存储设备、汽车、工业、和网络设备。 安全系统包括信用卡和s i m 卡等。 本节简要介绍各种处理器的特点。 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，它主要用于对价位和功耗要求比 较苛刻的消费类产品。其最高主频可以达到1 3 0 m i p s 。a r m 7 系列处理器支持1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系统开销得到3 2 位的系统性能。 a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式j c e r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系 统开销得到3 2 位的系统性能。 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。 指令系统与a r m 9 、a r m 9 e 和a r m i o e 系列兼容，便于用户的产品升级换代。 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 t e j s 。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： t ：支持1 6 为压缩指令集t h u m b ； 浙江大学硕士学位论文 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； 我们的产品平台所用的核心芯片( s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 i o b ) 即属于该系列的处理 器。 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。 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 提供1 i m i p s m h z 的哈佛结构。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。 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。 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，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。 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： a r m 9 e 系列微处理器支持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。 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。 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。 主频最高可达3 0 0 m i p s 。 m p u 支持实时操作系统，包括v x w o r k s 。 a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s 三种类型，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。 2 3 4a r m i o e 微处理器系列 a r m i o e 系列微处理器具有高性能、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： 浙江大学硕士学位论文 支持3 2 位的a r m 指令集和1 6 位的t h u m b 指令集的3 2 位r i s c 处理器。 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 6 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。 单一的3 2 位的a m b a 总线接口。 可选的v f p i o 浮点处理协处理器。 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。 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。 在典型的0 1 3pm 工艺下，主频可达到4 0 0 m i p s 的性能。 内嵌并行读写操作部件。 在实时控制和三维图像处理时主频可达到6 5 0 m f l o p s 。 高性能的a h b 系统。 a r m i 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 l 0 2 6 e j s 三种类型，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。 2 3 5s e e u r c o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器提供了基于高性能的3 2 位r i s c 技术的安全解决方案， s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有体积小、功耗低、代码密度大和性能高等特点外，还具 有它自己的特别优势，即提供了安全解决方案的支持。s e c u r c o r e 系列微处理器具有如下 的特点： 支持a r m 指令集和t h u m b 指令集，以提高代码密度和系统性能。 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。 采用软内核技术，以提供最大限度的灵活性，以及防止外部对其进行扫描探测。 提供面向智能卡的和低成本的存储保护单元( m p u ) 。 可集成用户自己的安全特性和其它协处理器。 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 6 u r c o r es c 2 0 0 和s e c u r g o r es c 2 1 0 四种类型，主要应用于一些安全产品及应用系统， 包括电子商务、电子银行业务、网络、移动媒体和认证系统等。 2 3 6 s t r o n g a r d v l 微处理器系列 i n t e ls t r o n g a r ms a 一11 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 l 公司的设计和处理技术以及a r m 体系结构的电源效率，采用在软 件上兼容a r m y 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 l 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。 浙江大学硕士学位论文 2 4a r m 微处理器结构 2 4 。ir i 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。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。 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 di 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率最高的简单指令，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 体系结构应具有 如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 3 种。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令可以 访问存储器，以提高指令的执行效率。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小 芯片的面积，并降低功耗： 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令执行效率。 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。 当然和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为r i s c 架构 就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s c 和c l s c 各有优势，而且界限并不那么明显。现代 的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性，如超长指令集c p u 就是融合了 r i s c 和c l s c 的优势，成为未来的c p u 发展方向之一。 2 4 2a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目 前只使用了其中的一部分。 a r m 处理器共有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中均有一组相应的寄存 器与之对应。任何时刻( 即在任意的处理器模式下) ，可访问的寄存器包括1 5 个通用寄 存器( r o r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器及程序计数器( p c ) 。在所有的寄存器中，有些是 各模式共用的同一个物理寄存器，有一些寄存器是各模式自己拥有的独立的物理寄存器。 浙江大学硕士学位论文 2 4 3a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。 其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的 功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空间，同时具备 3 2 位代码的所有优点。 2 5a r m 微处理器的应用选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展，a r m 微处理 器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微处理器有多达十几种的内核结构， 几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带 来一定的困难，所以，对a r m 芯片做一些对比研究是十分必要的。 以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要问题做一些简要 的探讨。 2 , 5 1a r m 微处理器内核的选择 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应 用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就需 要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、 a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ， 不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，但目前有u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运 行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i n u x 已经成功移植到多种不带m m u 的微处理 器平台上，并在稳定性和其它方面都有上佳表现。 $ 3 c 4 5 1 0 b 即为一款不带州u 的a r m 微处理器，可在其上运行u c l i n u x 操作系统。 2 5 2系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系列微处理器 的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m h z 一1 3 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为 i o o m h z 一2 3 3 m h z ，a r m i o 最高可以达到7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只 需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别