ARM開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)

ARM 開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)1 ARM概述1.1 ARM簡(jiǎn)介ARM （Advanced RISC Machines）有三種含義，它是一個(gè)公司的名稱，是一類微處理器的通稱，還是一種技術(shù)的名稱。ARM 公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、低耗能的RISC （Reduced Instruction Set Computing，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)處理器）芯片，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)技術(shù)和軟件。ARM 處理器具有性能高、成本低和能耗低的特點(diǎn)，適用于嵌入式控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP 和移動(dòng)式應(yīng)用等領(lǐng)域。ARM 公司本身不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作伙伴公司來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM 這種商業(yè)模式的強(qiáng)大之處在于其價(jià)格合理，它在全世界范圍的合作伙伴超過(guò)100 個(gè)，其中包括許多著名的半導(dǎo)體公司。ARM 公司專注于設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的芯片內(nèi)核耗電少，成本低，功能強(qiáng)，特有16/32位雙指令集。ARM 已成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算和多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的RISC 實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。1.2 ARM微處理器特點(diǎn)采用RISC 架構(gòu)的ARM 微處理器具有如下特點(diǎn)：1、體積小、低功耗、低成本、高性能；2、支持Thumb （16 位）/ARM（32 位）雙指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件；3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；5、尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；6、指令長(zhǎng)度固定；1.3 ARM應(yīng)用領(lǐng)域到目前為止，ARM 微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域：1、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32 的RISC 架構(gòu)，基于ARM 核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM 微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8 位/16 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。2、無(wú)線通訊領(lǐng)域：目前已有超過(guò)85%的無(wú)線通訊設(shè)備采用了ARM 技術(shù)， ARM 以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。3、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM 技術(shù)的ADSL 芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM 在語(yǔ)音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP 的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。4、消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM 技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。5、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM 技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技術(shù)。除此以外，ARM 微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來(lái)取得更加廣泛的應(yīng)用。1.4 ARM內(nèi)核ARM 內(nèi)核當(dāng)前有6個(gè)產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM9E 、ARM10E 、ARM11和SecurCore ，其中ARM11為最近推出的產(chǎn)品。進(jìn)一步的產(chǎn)品來(lái)自于合作伙伴，例如Intel Xscale。ARM7、ARM9、ARM9E 、ARM10E 是4個(gè)通用處理器系列。每個(gè)系列提供一套特定的性能來(lái)滿足設(shè)計(jì)者對(duì)功耗、性能、體積的需求。SecurCore 是專門(mén)為安全設(shè)備而設(shè)計(jì)的。1.4.1 ARM7ARM7內(nèi)核采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。內(nèi)核有一條3 級(jí)流水線，執(zhí)行ARMv4指令集，主頻最高可達(dá)130MIPS 。ARM7系列處理器主要用于對(duì)功耗和成本要求比較苛刻的消費(fèi)類產(chǎn)品。其最高主頻可以到達(dá)130MIPS （MIPS 指每秒執(zhí)行的百萬(wàn)條指令數(shù)）。ARM7 系列包括ARM7TDMI 、ARM7TDMI-S 、ARM7EJ-S 和ARM720T 4種類型，主要用于適應(yīng)不同的市場(chǎng)需求。值得注意的是ARM7沒(méi)有MMU 單元。ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。1.4.2 ARM9ARM9系列于1997 年問(wèn)世。由于采用了5 級(jí)指令流水線，ARM9 處理器能夠運(yùn)行在比ARM7 更高的時(shí)鐘頻率上，改善了處理器的整體性能；存儲(chǔ)器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)（程序和數(shù)據(jù)空間獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)）重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。ARM9系列的第一個(gè)處理器是ARM920T ，包含獨(dú)立的數(shù)據(jù)指令Cache 和MMU 。此處理器能夠被用在要求有虛擬存儲(chǔ)器支持的操作系統(tǒng)上。此系列的ARM922T 是ARM920T 的變種，只有一半大小的數(shù)據(jù)指令Cache 。ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。1.4.3 ARM9EARM9E 系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP 、Java 應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E 系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP 處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP 和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。主頻高達(dá)300MIPS 。ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。1.4.4 ARM11ARM1136J-S 發(fā)布于2003年，是針對(duì)高性能和高能效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。主頻高達(dá)800MIPS 。ARM1136J-S 是第一個(gè)執(zhí)行ARMv6 架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有獨(dú)立的Load/Stroe 和算術(shù)流水線的8級(jí)流水線。ARMv6 指令包含了針對(duì)媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展，采用特殊的設(shè)計(jì)改善視頻處理能力。1.4.5 SecurCoreSecurCore 系列處理器提供了基于高性能的32位RISC 技術(shù)的安全解決方案。SecurCore 系列處理器除了具有體積小、功耗低、代碼密度高等特點(diǎn)外，還具有它自己特別優(yōu)勢(shì)，即提供了安全解決方案支持。主要特點(diǎn)：1、支持ARM 指令集和Thumb 指令集，以提高代碼密度和系統(tǒng)性能；2、采用軟內(nèi)核技術(shù)以提供最大限度的靈活性，可以防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)；3、提供了安全特性，可以抵制攻擊；4、提供面向智能卡和低成本的存儲(chǔ)保護(hù)單元MPU ；5、可以集成用戶自己的安全特性和其他的協(xié)處理器。2 開(kāi)發(fā)工具2.1 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ARM ADS 是ARM 公司推出的取代ARM SDT的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，目前版本為ARM ADS1.2。ARM ADS起源于ARM SDT，對(duì)一些SDT 的模塊進(jìn)行了增強(qiáng)，并替換了一些SDT 的組成部分，現(xiàn)代集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的一些基本特征在ARM ADS 中都有體現(xiàn)，ARM ADS支持所有的ARM 處理器。ARM ADS可能是目前最常用的ARM 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)惠的JTAG 板可實(shí)現(xiàn)ARM 處理器仿真調(diào)試功能。RealView MDK是ARM 公司主推的ARM 處理器集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，界面友好，功能強(qiáng)大，配合ARM 公司的ULINK2仿真器可以進(jìn)行ARM 處理器的仿真調(diào)試功能。MDK 提供某些ARM 處理器的外設(shè)模擬器，通過(guò)外設(shè)模擬器，可以直接在MDK 下進(jìn)行外設(shè)行為的模擬，方便的進(jìn)行開(kāi)發(fā)。隨著ARM 公司和英蓓特的大力推廣，MDK 無(wú)疑會(huì)成為主流的ARM 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Multi 2000是美國(guó)Green Hills軟件公司開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持C/C+、Embeded C+等編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)和調(diào)試，可運(yùn)行于Windows 平臺(tái)和Unix 平臺(tái)，支持各類設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)試，同時(shí)Multi 2000支持眾多流行的16位、32位和64位的處理器(包括DSP ，并支持多處理器調(diào)試。Multi 2000包含一個(gè)軟件工程所需要的所有工具。2.2 ARM仿真器J-LINK 支持IAR EWARM，ADS ，KEIL ，WINARM ，Real View等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持所有ARM7/ARM9/Cortex內(nèi)核芯片的仿真, 通過(guò)USB 接口連接PC ，操作方便、連接方便、簡(jiǎn)單易學(xué)，是學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)ARM 最好最實(shí)用的開(kāi)發(fā)工具。ULINK USB-JTAG轉(zhuǎn)換器將PC 機(jī)的USB 端口與用戶的目標(biāo)硬件相連(通過(guò)JTAG 或OCD ，使用戶可在目標(biāo)硬件上調(diào)試代碼。通過(guò)使用Keil Vision IDE/調(diào)試器和ULINK USB-JTAG轉(zhuǎn)換器，用戶可以很方便地編輯、下載和在實(shí)際的目標(biāo)硬件上測(cè)試嵌入的程序。2.3 嵌入式Linux嵌入式linux 是將日益流行的Linux 操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式linux 既繼承了Interlnet 上無(wú)限的開(kāi)放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。嵌入式Linux 的特點(diǎn)是版權(quán)費(fèi)免費(fèi)，而且性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開(kāi)放，有許多應(yīng)用軟件支持，應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短，新產(chǎn)品上市迅速，因?yàn)橛性S多公開(kāi)的代碼可以參考和移植，實(shí)時(shí)性能RT_Linux，Hardhat Linux 等嵌入式Linux 支持，實(shí)時(shí)性能穩(wěn)定性好安全性好。Freescale i.MX系列使用的linux 是在linux 內(nèi)核小組的發(fā)布的linux 版本上添加了i.MX 系列芯片的支持，使用方便。2.4 BootloaderBootloader 即引導(dǎo)加載程序，是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。PC 機(jī)中的引導(dǎo)加載程序由BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序 和位于硬盤(pán)MBR 中的OS Bootloader （比如，LILO 和GRUB 等）一起組成。BIOS 在完成硬件檢測(cè)和資源分配后，將硬盤(pán)MBR 中的Bootloader 讀到系統(tǒng)的RAM 中，然后將控制權(quán)交給OS Bootloader。Bootloader 的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映象從硬盤(pán)上讀到 RAM 中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，也即開(kāi)始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒(méi)有像BIOS 那樣的固件程序，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由Bootloader 來(lái)完成。簡(jiǎn)單地說(shuō)，Bootloader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。Bootloader 有兩種工作模式，正常引導(dǎo)模式和操作系統(tǒng)下載模式。Bootloader 通常提供多種方式下載操作系統(tǒng)鏡像，如串口，TFTP ，USB 。Bootloader 首先將操作系統(tǒng)鏡像下載到芯片RAM 中，然后將其寫(xiě)入到制定的地址空間中。Bootloader 提供豐富的命令進(jìn)行各種操作。常見(jiàn)的嵌入式開(kāi)發(fā)中的Bootloader 有U-boot ，vivi ，Redboot 。Freescale 提供的BSP 中是Redboot 。2.5 ATK通常Bootloader 是通過(guò)ARM 仿真器寫(xiě)入到Nandflash 或Norfalsh 中，但freescale 提供了一個(gè)特殊的工具ATK （Advanced Tool Kit）來(lái)燒寫(xiě)B(tài)ootloader 。ATK 運(yùn)行在Windows 機(jī)器上，通過(guò)串口連接目標(biāo)板下載Bootloader ，支持i.MX 系列所有芯片。這種方式不需要ARM 仿真器。2.6 超級(jí)終端，Minicom ，SecureCRT這三個(gè)工具都是用來(lái)目標(biāo)板與目標(biāo)板進(jìn)行通訊的，硬件連接方式都是串口，其中Minicom 運(yùn)行與linux 機(jī)器。他們通過(guò)串口將命令或文件發(fā)給目標(biāo)板，并接收回顯目標(biāo)板的返回?cái)?shù)據(jù)。其中SecureCRT 支持多種協(xié)議，其中有安全外殼協(xié)議SSH （Secure Shell），通過(guò)SSH 可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)linux 機(jī)器，這樣可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)人使用同一臺(tái)linux 機(jī)器進(jìn)行開(kāi)發(fā)。3 開(kāi)發(fā)流程3.1 沒(méi)有操作系統(tǒng)對(duì)于開(kāi)發(fā)人員，完全可以將ARM 芯片當(dāng)作普通MCU 使用，此時(shí)開(kāi)發(fā)流程與MCU 開(kāi)發(fā)流程一致。采用這種開(kāi)發(fā)方式時(shí)，軟件系統(tǒng)一般沒(méi)有操作系統(tǒng)，或者操作系統(tǒng)是非常小，如COS 等，這些非常小的操作系統(tǒng)通常只具備簡(jiǎn)單的任務(wù)切換功能。這種開(kāi)發(fā)方式常用于沒(méi)有MMU （Memory Management Unit）模塊的ARM7系列芯片中。沒(méi)有操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖1。 圖1 沒(méi)有操作系統(tǒng)時(shí)開(kāi)發(fā)流程ARM 開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)知識(shí) 20100125 3.2 有操作系統(tǒng) 當(dāng)有操作系統(tǒng)時(shí)（后均以 linux 為例），開(kāi)發(fā)流程將完全不同。 對(duì)于沒(méi)有操作系統(tǒng)的空的開(kāi)發(fā)板， 要進(jìn)行 Bootloader， 操作系統(tǒng)和 rootfs 的燒寫(xiě)， 步驟如下： 1、Bootloader 下載到芯片 Flash 中 2、使用交叉編譯環(huán)境生成目標(biāo)板的 linux 操作系統(tǒng)鏡像和根文件系統(tǒng)鏡像 3、Windows PC 機(jī)通過(guò)串口連接目標(biāo)板，運(yùn)行超級(jí)終端或 SecureCRT 連接目標(biāo)板