（微电子学与固体电子学专业论文）arm嵌入式网络系统硬件平台的研究.pdf

摘要 由于各种新型处理器的出现和应用的不断深化，嵌入式系统在后p c 时代得 到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进步，在工业控制和新兴的手持式应 用等领域，越来越多的产品需要高质量的图形界面、强大的数据处理能力，以及 网络、通信、音频等功能，因而对嵌入式处理器的嵌入式软件提出了更高的要求。 开展基于a r m 处理器开发系统的研究，可以为嵌入式系统开发者提供了便利的 开发环境。 在对a r m 处理器内核性能以及对其片内外围电路的相关参数和功能深入分 析、比较的基础上，本文采用s a m s u n g 公司的s 3 c 4 5 1 0 b 为主芯片，以p c i i n u x 操作系统为软件平台，进行了a r m 嵌入式网络系统的研制工作。该芯片是基于 以太网应用系统的商性价比的微处理器，内含一个1 6 3 2 位的a r m 7 t d m ir i s c 处理器核。 本论文的主要工作包括：对基于以太网应用系统的高性价比的、内含一个 1 6 3 2 位的a r m 7 t d m ir i s c 处理器核的s 3 c 4 5 1 0 b 芯片以及片内外围电路的相 关参数和功能进行了深入的分析；根据主芯片的功能，利用a l l e g r os p b 软件完 成了开发板的原理图设计、绘制以及印刷电路板布局布线工作；最后完成了在硬 件平台上进行g c l i n u x 操作系统移植的前期准备。 本论文共分为六章。第一章为绪论，介绍了课题来源、意义以及嵌入式系统 的发展状况与趋势。第二章为a r m 微处理器的概述，它是此次设计的基础。因 为此次系统设计中的主芯片$ 3 c 4 5 1 0 b 内部嵌入的是a r m 公司设计的 a r m 7 t d m i 处理器核，所以对其内核的深入了解是开发系统设计的必要前提。 第三章介绍了本设计使用的版图制作工具软件a l l e g r os p b 。最后三章是本论文 的核心工作。第四章介绍了开发板原理图的各个功能模块设计，包括所使用的芯 片，以及硬件连接的方法等。第五章是在第三章对软件介绍的基础上具体的阐述 了原理图和印刷电路板设计的实际过程。第六章是关于在硬件平台上进行 p c l i n u x 操作系统移植的讨论。 论文最后部分是结论，同时提出了进一步工作的设想和展望。 关键字：a r m ，嵌入式系统，l a c l i n u x 等。 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sk i n d so fn e wt y p ep r o c e s s o r sc o m i n gf o n ha n dm u c hm o r eu s a g e so ft h e m t h ee m b e d d e ds y s t e mi sb o o m i n gu pq u i c k l yi np o s t p ce r a w i t ht i m er u n n i n gb ya n d t e c h n i q u ep r o g r e s s i n g ，m o r ea n dm o r ep r o d u c t sn e e dh i g h q u a l i t yg r a p h i c si n t e r f a c e ， p o w e r f i a ld a t ap r o c e s s i n ga n df u n c t i o n so fn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o na n da u d i oi nt h e i n d u s t r yc o n t r o la n dt h er i s i n gh a n d s e ta p p l i c a t i o n s s oh i g h e rr e q u i r e sp u tf o r w a r dt o t h ee m b e d d e ds o , w a r eo f e m b e d d e d p r o c e s s o r i tc o u l db r i n gc o n v e n i e n te n v i r o n m e n t t ot h ee m b e d d e dd e v e l o p e r su n d e rt h er e s e a r c ho ft h ee v a l u a t i o ns y s t e mo fa r m p r o c e s s o r s a f t e rd e e pa n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo fa r mc o r ea n d p a r a m e t e r sa n df u n c t i o n so fi t si n - c h i pp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，t h er e s e a r c ho fa r m e m b e d d e dn e t w o r ks y s t e mu s e s $ 3 c 4 5 1 0 bo fs a m s u n ga sc p ua n dt x c l i n u xa s s o f t w a r ep l a t f o r m t h ec h i pi sah i g h c o s t - p e r f o r m a n c em i c r o p r o c e s s o rw i t ha n e t h e l - n e ta p p l i c a t i o ns y s t e m t h e r ei sa1 6 3 2b i t sa r m 7 t d m ir i s cc o r di n s i d ei t n l ea c h i e v e m e n t si n t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：a ni n d e p t ha n a l y s i so ft h e f u n c t i o na n dr e l e v a n tp a r a m e t e r so fi n n e rs t r u c t u r ei n $ 3 c 4 510 b ；t o o l i n ga l l e g r os p b t od e s i g nt h es c h e m a t i ca n dp c b ；i n t r o d u c t i o no f p o r t i n g a c l i n u xa tl a s t t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sp a p e r t h ef i r s tc h a p t e ri st h ep r e f a c e i tt a l k sa b o u t t h eo r i g i no ft h i ss u b j e c ta n dt h ed e v e l o p m e n ta n dt i n do fe m b e d d e ds y s t e m t h e n e x to n es u m m a r i z e st h ea r m m i c r o p r o c e s s o r , a n dt h ew h o l ed e s i g nb a s e so nt h i s i t i sn e c e s s a r yt ok n o wd e e pt h ec o r eo ft h em a i nc h i p ，$ 3 c 4 510 b ，w h i c he m b e d d e da n a r m 7 t d m ic o r ed e s i g n i n gb ya r ml t d 1 1 1 et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e sa l l e g r os p b w h i c hi st h et o o l st od e s i g np c b t h ef o l l o w i n gt w o ，t h ef o u r t ha n dt h ef i f t h ，a r et h e h a r dc o r e so ft h i sp a p e r i nt h ef o u r t hc h a p t e r , i td e s i g n sk i n d so ff u n c t i o nm o d e l si n s c h e m a t i c ，i n c l u d i n gc h i p sa n dt h e i rc o n n e c t i n gm e t h o d s a f t e rt o o l si n t r o d u c t i o ni n c h a p t e rt h r e e ，d e t a i l e dd e s i g n so fs c h e m a t i ca n dp c b a r ea d d r e s s e di nt h ea n t h e rk e y c h a p t e r i nt h el a s to n e ，i td i s c u s s e sh o w t op o r tt h el j c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e mo na n a r mb o a r d f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o ni sd r a w n ，a n db r i n g i n gf o r w a r dt h en e x ts t e p s k e yw o r d s ：a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，p c l i n u xa n ds oo n h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业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了谢意。 繇缒日期 关于论文使用授权的说明 矿弼e , g l o g 一7 研 + 。1 。e 。+ - - - - 一 ， 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名翼凇浜 铆签炉嗍掣佩 第l 章绪论 1 1 课题背景及课题意义 嵌入式系统来源于通常意义上的计算机。电子计算机诞生于1 9 4 6 年，在其 后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中、实现数值计算的大型 昂贵设备。直到二十世纪六十年代晚期计算机才显示出历史性的变化，微处理器 的出现使嵌入式系统在通讯中被用于控制机电电话交换机。在随后的日子里，计 算机产业不断朝着更小的系统方向发展。以微处理器为核心的微型计算机以其小 型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房；基于高速数值计算能力的微型机，表 现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体 系中，实现对象体系的智能化控制。这样就使嵌入式系统与微型机一起为那些小 型机器提供更多的功能。例如，需要把这些嵌入式系统连接到某种网络上，因而 也就产生了对网络栈的要求，这提高了系统的复杂程度并要求更多的存储器和接 口，当然还有操作系统的服务。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的 计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中、实现对 象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。 嵌入式系统是以计算机技术为基础，以应用为中心的，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系 统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用 程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式 系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器磁处理器、 存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为； 而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。有时，设计人员会把这两种 软件组合在一起。 英国本土诞生的a r m ，是全球领先的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 微处理器技术方 案供应商，它既不销售也不生产芯片，但用户却包括英特尔、德州仪器、高通和 摩托罗拉等全球各大半导体厂商，其微处理技术也占到了g s m 、c d m a 及3 g 手机的8 0 以上份额。 几乎所有i t 巨头，都与a r m 保持着紧密的伙伴关系，全球带有芯片的i t 产品中有7 0 都与a r m 的技术直接相关。i n t e l 、微软、诺基亚、高通等推动i t 和通信产业发展的主流厂商，都用a r m 的知识产权。 a r m 的芯片设计架构已经是全球标准，处在整个移动通信i c 产业链的最前 沿，为芯片设计企业提供最核心的知识产权，i n t e l 、德州仪器、高通等全球2 0 北京工业大学工学硕士学位论文 家芯片巨头企业中有1 9 个是a r m 的客户。a r m 技术的i p 核在许多领域已经 取得或正在取得很大的成功。 出此可见，嵌入式系统技术具有非常广润的应用前景，其应用领域包括：工 业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、环境监测等等。研究嵌入式 系统及其实现具有重要的理论和应用意义。 1 2 嵌入式系统的特点、现状和发展趋势 1 ，2 1 嵌入式系统特点 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果嵌入式系统独立于应 用自行发展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、 处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。 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地设计，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，这样方能在具体应用 中对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对 芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同时还受用户订货量的制约。 因此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能是一般用户、行业用户或单一用 户。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步 进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中 的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体而随意更换，所以嵌 入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用系 统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软 件也因此更强调技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现了稳定性的特点，一个体系一般要存在8 一l o 年 的时间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产 品是一套复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 1 2 2 嵌入式系统现状 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式系统技术全面展开，目前已成为通信和消费类 产品的发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。数字电视广播、 数字音频广播己在欧美地区进入商品化阶段。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。在个人领域中，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。 在硬件方面，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。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟， 第1 苹绪论 实现各种功能的芯片应有尽有。 从软件方面，也有相当多的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系 统，已进入我国市场的有w i n d r i v e r 、m i c r o s o f t 、q n x 和n u c l e a r 等产品。我国 自主开发的嵌入式系统软件产品如科银京成( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件丌发 平台d e l t a s y s t e m ，中科院推出的h o p e n 嵌入式操作系统。 目前，嵌入式系统带来的工业年产值已超过l 亿美元。国际上已有两百多种 嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不 可胜数。但在国内，虽然嵌入式应用、开发得很广，在该领域的研究却几乎还是 空白的。 1 2 3 嵌入式系统发展趋势 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 展现了美好的前景，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： 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式厂商不仅要提供嵌入式软 硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 嵌入式设备功能不再单一，结构更加复杂。 网络互联成为必然趋势。 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 提供友好的多媒体人机界面。 1 3 课题内容 由于a r m 芯片是一种基于i p c o r e 授权的模式，不同于其它嵌入式a s i c 芯片( m 0 1 o r o l am 6 8 k p o w e rp c 系列) ，a r m 公司为a r mc o r e 提供 了完善的集成调试环境( a r ms d t ) ，而且基于j t a g 规范，使得在电路板级调 试和开发十分方便。完善的开发工具是选择a r m 进行开发的首要原因。 下面是a r m 微处理器的几个系列以及其他厂商基于a r m 体系结构的处理 器，这些处理器除了具有a r m 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： a r m 7 系列：低功耗3 2 位核。最适用于对价位和功耗敏感的消费类应 用。 a r m 9 系列：高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏单元。 a r m 9 e 系列：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，极大地减少了芯片的面积和系统的复 杂程度 北京工业大学工学项士学位论文 i i a r m i o e 系列：硬宏单元。具有高性能、低功耗的特点，采用了新的体 系结构。 s e c u r c o r e 系列：专为安全需要而设计，具有特定的抗窜改( r e s i s i t t a m p e r i n g ) 和反工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 特性。 i n t e r 的x s c a l e ：提供一种全性能、高性价比、低功耗且基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，支持1 6 位t h u m b 指令和d s p 扩充。 i n t e r 的s t r o n g a r m ：便携通信和消费电子产品的理想选择。 而对于嵌入式的操作系统，有许多可行的方案选择，如v x w o r k s 、p s o s 、 n e c u l e u s 和w i n d o w sc e ，这些商用型的操作系统功能稳定、可靠，有完善的技 术支持和售后服务，但是最重要的一点是价格昂贵，而且没有源码的支持。同时， 免费型的操作系统在这些方面就很有优势，如l i n u x 和屺o s 。 本文研究的内容是设计一款以s a m s u n g 公司$ 3 c 4 5 1 0 ba r m 微控制器为核心 的硬件开发系统，并为在硬件平台上进行g c l i n u x 操作系统移植作好前期准备。 s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位r i s c 微控 制器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位的a r m 7 t d m ir i s c 处理器核，a r m t t d m i 为低功耗，高性能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格和性能敏感的应用场合。而 l a c l i n u x 是针对n o m m u 嵌入式处理器而开发的免费的公开源码的操作系统，并 且支持网络协议，很适合作s 3 c 4 5 1 0 b 这款a r m 微控制器开发板的嵌入式操作 系统。 1 4 本章小结 本章对课题背景意义以及嵌入式系统的特点和现状、趋势作了介绍，并确立 了本次设计的研究目标，即针对a r m 嵌入式网络系统硬件平台的研究，以及做好 移植g c l i n u x 操作系统到硬件平台的前期准备。 4 第2 章a r m 微处理器概述 由于论文在设计中使用的嵌入式微器是s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b ，它内含 一个由a r m 公司的设计的a r m 7 t d m i r i s c 处理器核，所以在此对a r m 微处 理器进行一些基本概念的介绍。 2 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c 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，还可以认为是种是技术的名字。 1 9 8 5 年4 月2 6 臼，第一个a r m 原型在英国剑桥的a c o r n 计算机有限公司 诞生；1 9 9 0 年a r m 公司( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e sl i m i t e d ，后来简称为a r m l i m i t e d ) 成立：到了2 0 世纪9 0 年代后期，a r m3 2 位嵌入式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 ) 处理器扩展到世界范围。目前，采用a r m 技术i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ，知识产权) 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。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，它本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可，由合作公司生产独具特 色的芯片，各个生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 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，从而形成了自己的a r m 微处理器芯片 进入市场。 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技术领域： 无线p d a ：超过8 5 的无线设备( 手机等) 都采用了a r m 技术，在向 3 g 升级的过程中，a r m 也占据稳固的地位。在p d a 一类的手持设备 中，a r m 针对视频流进行了优化，并获得广泛的支持。 蓝牙技术：a r m 已经为蓝牙的推广做好了准备，有2 0 多家公司的元器 件产品采用了a r m 技术，如爱立信、英特尔、科胜讯、朗讯、阿尔卡 特、飞利浦、德州仪器等。 联网：随着宽带接入市场的成长，采用a r m 技术的a d s l 芯片组正在 获得竞争优势。 消费电子：这是增长迅速的市场。a r m 技术在数字音频播放器、数字 机顶盒、游戏机等应用广泛。 北京工业大学工学颈士学位论文 汽车：汽车上使用的a r m 设计正在进行中，包括驾驶、安全和车载娱 乐等各种功能在内的设备有可能采用5 、6 个a r m 微处理器统一实现。 海量存储：采用a r m 技术的存储产品包括硬盘系列、微型l 刈存卡、可 读写光盘等已经投入生产，并且将带来更加先进的产品。 成像：包含a r m 技术的相机、打印机正在增加。 安全产品：在g s m 和3 g 手机中的3 2 位s i m 智能卡采用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 2 a 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： l 体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件： 3 ，大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 ，寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 指令长度固定。 2 2 3a r m 7 系列 a r m 7 系列为低功耗3 2 位核，a r m 7 系列具有：嵌入式i c e r t 逻辑，调 试开发方便；非常低的功耗，适合对功耗要求较高的应用。能提供o 9 m i p s m h z 的三级流水线和冯诺伊曼结构。代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 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 系列，a r m 9 e 系统和a r m l 0 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。 它的主要应用领域为：因特网设备，网络和调制解调器设备以及移动电话等 多种多样的媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列处理器包括如下几种类型的核：删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 d m i 是世界上广泛使用的3 2 位嵌入式r i s c 处理器。它是目前用于低端的a r m 处理器核。本次设计采用的s a m s u n g 公司的 $ 3 c 4 5 1 0 b 主芯片就是一个1 6 3 2 位的a r m 7 t d m ir i s c 处理器核。 t d m i 的基本含义是： t ：支持1 6 位压缩指令集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 ) 6 第2 章a r m 微处理器概述 i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。 2 3a r m 微处理器的结构 2 3 1r j s c 体系结构 传统的c 1 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：随着计算机的发展而不断引进新的复杂的指令集，为支持这些 新增的指令，计算机体系结构会越来越复杂；但在c i s c 指令集中，各指令的使 用频率却相对悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占据整个程序代码的8 0 ， 丽其余的8 0 的指令却不经常用到，在程序设计中只占用2 0 。 由于c i s c 指令结构的不合理，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) 的概念被提出。r i s c 并非只是简单的去减少指令，而是把着 眼点放在了如何把计算机的结构更加简单合理的提高运算速度上。r i s c 结构有 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 寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等来措施来达到上述 目的。 r i s c 体系结构特点如下： 指令规整、对称、简单。指令小于1 0 0 条，基本寻址方式由2 3 种。 使用单周期指令。指令字长度一致，便于流水线操作执行。 大量的寄存器。据处理器的指令只对寄存器的内容进行操作，只有加载 ，存储指令可以访问寄存器，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 下尽量减小芯片的面积，并降低功耗： 所有的指令都可以根据前面的指令的执行结果决定是否被执行，从而提 高指令的执行效率。 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建来提高运行效率。 2 3 2 a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器的寄存器被分别安排到部分重叠的组，共有3 7 个，它们包括： 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 的工作状态和程序的运行状态，均为 3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每- k e e 不同的处理器模 式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意种处理器模式下，可访问的寄 北京工业大学工学硕士学位论文 存器包括1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、1 2 个状态寄存器和程序计数器。分组 的寄存器在处理处理器异常和特权操作时可得到快速的上下文切换。 2 - 3 3a r m 微处理器的指令结构 a r m 体系结构v 4 t 及以上版本定义了1 6 位的t h u m b 指令集。它与3 2 位的 a r m 指令集共同构成了a r m 微处理器的指令结构。t h u m b 指令集的功能是 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。所以说，t h u m b 在性能和代码 大小之间提供了出色的折中。 _ i f 在执行t h u m b 指令集的处理器是工作在t h u m b 状态下。正在执行a r m 指令集的处理器是工作在a r m 状态下。在a r m 状态下的处理器不能执行t h u m b 指令，在t h u m b 状态下的处理器也不能执行a r m 指令。也就是说，必须确保 处理器的当前状态是正确的。 2 4a r m 微处理器的应用选型 2 4 1a r m 微处理器内核的选择 如果希望使用w i n d o w sc 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 r 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g 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，g 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。 2 4 2 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了删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 1 3 3 m h z ，删9 系列微处理器的典型的处理速度为1 1 m i p s m h z ，常 见的a r m 9 系统主时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可达到7 0 0 m h z 。 不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片主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为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供 不同频率的时钟。 2 4 3 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量不太大，需要用户在设计系统时 第2 苹a r m 徽处理器概述 外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如果在设计时选用 了这种芯片，可以简化系统的设计。 2 4 4 片内外围电路的选择 除了a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用 领域，扩展了相关的功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路。设计 者应分析系统的需要，尽可能的采用片内外围电路完成所需的功能， 2 5a r m 处理器模式 a r m 微处理器支持7 种运行模式，分别为： 用户模式( u s r ) ：a r m 处理器正常的程序执行状态。 快速中断模式( f i p ) ：用于高速数据的传输或通道处理。 外部中断模式( i r q ) ：用于通用的中断处理。 管理模式( s v c ) ：操作系统使用的保护模式。 数据访问终止模式( a b t ) ：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( s y s ) ：运行具有特权的操作系统任务。 未定义指令终止模式( l i n d ) ：当未定义的指令执行时进入该模式，可 用于虚拟硬件协处理器的软件仿真。 a r m 微处理器的运行模式可以通过软件来进行改变，也可以通过外部中断 或异常处理来进行改变。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，某些被保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式外，其余的所 有6 种模式称为 用户模式或特权用户。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，常用于处理中断或异常。 2 6 本章小结 本章对a r m 微处理器、a r m 技术的基本概念做了一些简单的介绍，并对 a r m 微处理器、a r m 技术有一个总体上的认识。上述工作是开展本课题的基础。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章a l l e g r os p b 工具 在本论文的设计工作中采用的是c a d e n c e 公司的新一代的板级电路设计系 统a l l e g r os p b ( s i l i c o n p a c k a g e b o a r d ) 。本章主要对此板级电路设计系统作一简 介。 3 1c a d e n c e 公司简介 c a d e n c e 公司是一家e d a 软件公司，成立于1 9 8 8 年。它是目前世界上规模 最大的关于电子设计技术、方法论服务以及设计服务的提供商。c a d e n c e 公司的 解决方案主要是针对半导体产品、电子计算机系统、网络和通讯设备、消费性电 子产品，以及其它种类繁多的电子产品。c a d e n c e 提供新一代的集成电路设计技 术和设计方法的平台，可以应对纳米工艺电子设计时代的各个方面的挑战。就其 设计平台来讲，主要有四种： 1 i n c i s i v e 功能验证平台 通过运用首个单内核架构，c a d e n c ei n c i s i v e 功能验证平台为大型复杂的 芯片提供最快、最高效的验证手段。 2 e n c o u n t e r 数字i c 设计平台 c a d e n d ee n c o u n t e r 数字集成电路设计平台为实现很复杂、高性能的芯片 提供经过验证的设计工具和设计方法。 3 v i r t u o s o 定制设计平台 为了准时、准确地得到硅片，c a d e n c e v i r t u o s o 平台提供世界上最快、最 具硅精确性的手段用于设计客户定制模拟电路、射频电路以及混合信号 集成电路。 4 a l l e g r o 系统互连设计平台 针对目标按时完成系统协同设计，c a d e n c e a l l e g r o 平台使能协同设计高 性能的集成电路、封装和印制电路板的互连，降低成本并加快产品上市 时间。 3 2 板级电路设计系统 3 2 1 a l l e g r o 系统互连设计平台 对于c a d e n c e 公司的板级电路设计系统( 也就是前面所提到的a l l e g r o 系统 互连设计平台) ，它包括原理图输入、生成、模拟数字混合电路仿真，f p g a 设 计，p c b 编辑和自动布局布线m c m 电路设计、高速p c b 板图的设计仿真等等。 系统互连是一个信号的逻辑、物理和电气连接，及其相应的回路以及功率配 l o 第3 章 a l l e g r os p b 工具 送系统。集成电路与系统团队在设计今天的高速系统互联的时候面临前所未有的 挑战。由于集成电路的集成度不断增长、芯片的i o 和封装引脚也在迅速猛增。 千兆赫兹速度的数据传输速率同样导致极高速的p c b 与系统。同时，平均的p c b 大小不断缩小，功率配送要求也随着芯片晶体管数目的窜升不断提高。 解决这些复杂的问题和应对不断增长的上市时间压力的需要，使得传统的系 统组件设计方法变得过时和不和时宜。在高速系统完成工作系统互连需要新- - 4 4 的设计方法，它应该让设计团队把注意力集中在提高跨三个系统领域的系统互连 的效率上面。 c a d e n c ea l l e g r o 系统互连平台能够跨集成电路、封装和p c b 协同设计高性 能互连。应用平台的协同设计方法，工程师可以迅速优化i o 缓冲器之间和跨集 成电路、封装和p c b 的系统互联。该方法能避免硬件返工并降低硬件成本和缩 短设计周期。约束驱动的a l l e g r o 流程包括高级功能用于设计捕捉、信号完整性 和物理实现。由于它还得到c a d e n c ee n c o u n t e r 与v i r t u o s o 平台的支持，a l l e g r o 协同设计方法使得高效的设计链协同成为现实。 “图3 1 ”是a l l e g r o 系统互联设计平台。 图3 - 1a l l e g r o 系统互联设计平台 f i g u r e3 - ta l l e g r os y s t e mi n t e r c o n n e c td e s i g np l a t f o r m a l l e g r o 系统互联设计平台的优点有： 通过手工或者通过模拟在约束管理器中定义全套电气规则的能力，使能 约束驱动的版图设计，这能缩短设计周期，通过避免耗时和麻烦的版图 模拟修改的迭代； 把差分信号对作为一个整体的能力，在对它们进行交互式布线的时候， 有一个h e a d s - u p 显示，能够显示相位或延时控制信息以及使用各种过孔 式样的选项，能轻松在障碍物周围完成布线； 编辑已有的差分信号或者一组差分信号的能力，使用交互式推挤布线方 法，与电气规n 约束保持一致性，该特点能避免冗长的后编辑、重新模 拟迭代。 同时a l l e g r o 印刷电路板设计系统还有其自身的特点： _ 完整的高速印制电路板设计环境 北京工业大学工学硕士学位论_ 文 印制电路板设计包括设计捕捉、库管理员工其、a l l e g r o 约束管理器、印 制电路板编辑器、自动交互式布线器、与射频协同设计的接口、制造性、 机械c a d 、以及与其他印制电路板系统的转换器。 从前到后的约束管理系统 来自c a d e n c e 的独特的a l l e g r o 约束管理器是一个从前到后的约束管理 系统，能够提供高速规则的实时显示，比如差分信号、长度、时序、以 及电气约束。这些规则的状态被实时显示，基于目前的设计状态。这避 免了约束转换、正向和反向标注、或者静态设计规则检查的需要。 可重用的互连线拓扑模板 可重用的互连拓扑模板驱动的布局和布线确保物理实现满足模拟引申 的要求，能够形成形状并被跨多个设计者和项目重用。这确保实现的统 一性。 - 高级交互式蚀刻生成编辑功能 强大的基于形状的挤压拥抱交互式蚀刻创建编辑提供给设计者一个高 效率的互连环境，同时还提供长度和时序余量的实时、h e a d s u p 显示。 一设计同步 设计同步通过同步设计大大提高生产率，让设计者分析原理图与印制电 路板并按照分类高亮显示差异。然后设计者能够决定观察哪个改变，相 应的系统将会被自动更新。 一设计重用模型 基于团队的原理图与电路板级的设计重用横块允许设计者方便地共享 通用的电路，刷新模块并整合最新的设计更新。 一数千万比特速率设计与实现 差分信号技术让设计者缩短设计时问，通过引入定义差分信号作为独特 的整体的能力。可以通过执行模拟来驱动约束，在约束管理器中定义全 套规则，然后使用那些规则来驱动布局、自动与交互式布线。它避免了 无数次的设计迭代，并能提高首次即设计成功的几率。 在a l l e g r o 系统互连设计平台中有如下这些产品： 1 a l l e g r oa m ss i m u l a t o r 是包括全部特点的模拟电路和混合信号电路模拟环境。它支持从高频系 统到低功耗集成电路设计，允许工程师在单一环境内创建设计、控制模 拟、并解释结果。 2 a l l e g r od e s i g ne n t r yc i s 是一个完整的、可伸缩的、成本效益高的印制电路板设计套件。它为复 杂的印制电路板设计提供了一个功能强大、紧密集成的设计解决方案。 从设计生成到布局和布线，并指导制造性输出。 1 2 弟3 苹 a l l e g r os p b 工具 3 a l l e g r od e s i g ne n t r yh d l 提供了一个原理图设计输入和分析环境。它的功能与扩展