ARM開發(fā)基礎知識

ARM 開發(fā)基礎知識1 ARM概述1.1 ARM簡介ARM （Advanced RISC Machines）有三種含義，它是一個公司的名稱，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)，設計了大量高性能、廉價、低耗能的RISC （Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集計算機處理器）芯片，并開發(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，適用于嵌入式控制、消費/教育類多媒體、DSP 和移動式應用等領域。ARM 公司本身不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設計許可，由合作伙伴公司來生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM 這種商業(yè)模式的強大之處在于其價格合理，它在全世界范圍的合作伙伴超過100 個，其中包括許多著名的半導體公司。ARM 公司專注于設計，設計的芯片內(nèi)核耗電少，成本低，功能強，特有16/32位雙指令集。ARM 已成為移動通信、手持計算和多媒體數(shù)字消費等嵌入式解決方案的RISC 實際標準。1.2 ARM微處理器特點采用RISC 架構(gòu)的ARM 微處理器具有如下特點：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、尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；6、指令長度固定；1.3 ARM應用領域到目前為止，ARM 微處理器及技術(shù)的應用幾乎已經(jīng)深入到各個領域：1、工業(yè)控制領域：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的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，ARM 微控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的8 位/16 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。2、無線通訊領域：目前已有超過85%的無線通訊設備采用了ARM 技術(shù)， ARM 以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。3、網(wǎng)絡應用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM 技術(shù)的ADSL 芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM 在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP 的應用領域提出了挑戰(zhàn)。4、消費類電子產(chǎn)品：ARM 技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。5、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM 技術(shù)。手機中的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)還應用到許多不同的領域，并會在將來取得更加廣泛的應用。1.4 ARM內(nèi)核ARM 內(nèi)核當前有6個產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM9E 、ARM10E 、ARM11和SecurCore ，其中ARM11為最近推出的產(chǎn)品。進一步的產(chǎn)品來自于合作伙伴，例如Intel Xscale。ARM7、ARM9、ARM9E 、ARM10E 是4個通用處理器系列。每個系列提供一套特定的性能來滿足設計者對功耗、性能、體積的需求。SecurCore 是專門為安全設備而設計的。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 級流水線，執(zhí)行ARMv4指令集，主頻最高可達130MIPS 。ARM7系列處理器主要用于對功耗和成本要求比較苛刻的消費類產(chǎn)品。其最高主頻可以到達130MIPS （MIPS 指每秒執(zhí)行的百萬條指令數(shù)）。ARM7 系列包括ARM7TDMI 、ARM7TDMI-S 、ARM7EJ-S 和ARM720T 4種類型，主要用于適應不同的市場需求。值得注意的是ARM7沒有MMU 單元。ARM7系列微處理器的主要應用領域為：工業(yè)控制、Internet 設備、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。1.4.2 ARM9ARM9系列于1997 年問世。由于采用了5 級指令流水線，ARM9 處理器能夠運行在比ARM7 更高的時鐘頻率上，改善了處理器的整體性能；存儲器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)（程序和數(shù)據(jù)空間獨立的體系結(jié)構(gòu)）重新設計，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。ARM9系列的第一個處理器是ARM920T ，包含獨立的數(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用于無線設備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。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)的復雜程度。ARM9E 系列微處理器提供了增強的DSP 處理能力，很適合于那些需要同時使用DSP 和微控制器的應用場合。主頻高達300MIPS 。ARM9 系列微處理器主要應用于下一代無線設備、數(shù)字消費品、成像設備、工業(yè)控制、存儲設備和網(wǎng)絡設備等領域。1.4.4 ARM11ARM1136J-S 發(fā)布于2003年，是針對高性能和高能效應而設計的。主頻高達800MIPS 。ARM1136J-S 是第一個執(zhí)行ARMv6 架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有獨立的Load/Stroe 和算術(shù)流水線的8級流水線。ARMv6 指令包含了針對媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流擴展，采用特殊的設計改善視頻處理能力。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、代碼密度高等特點外，還具有它自己特別優(yōu)勢，即提供了安全解決方案支持。主要特點：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，可以防止外部對其進行掃描探測；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保護單元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 開發(fā)工具2.1 集成開發(fā)環(huán)境ARM ADS 是ARM 公司推出的取代ARM SDT的集成開發(fā)環(huán)境，目前版本為ARM ADS1.2。ARM ADS起源于ARM SDT，對一些SDT 的模塊進行了增強，并替換了一些SDT 的組成部分，現(xiàn)代集成開發(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 集成開發(fā)環(huán)境，通過簡單實惠的JTAG 板可實現(xiàn)ARM 處理器仿真調(diào)試功能。RealView MDK是ARM 公司主推的ARM 處理器集成開發(fā)環(huán)境，界面友好，功能強大，配合ARM 公司的ULINK2仿真器可以進行ARM 處理器的仿真調(diào)試功能。MDK 提供某些ARM 處理器的外設模擬器，通過外設模擬器，可以直接在MDK 下進行外設行為的模擬，方便的進行開發(fā)。隨著ARM 公司和英蓓特的大力推廣，MDK 無疑會成為主流的ARM 集成開發(fā)環(huán)境。Multi 2000是美國Green Hills軟件公司開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，支持C/C+、Embeded C+等編程語言的開發(fā)和調(diào)試，可運行于Windows 平臺和Unix 平臺，支持各類設備的遠程調(diào)試，同時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等集成開發(fā)環(huán)境，支持所有ARM7/ARM9/Cortex內(nèi)核芯片的仿真, 通過USB 接口連接PC ，操作方便、連接方便、簡單易學，是學習開發(fā)ARM 最好最實用的開發(fā)工具。ULINK USB-JTAG轉(zhuǎn)換器將PC 機的USB 端口與用戶的目標硬件相連(通過JTAG 或OCD ，使用戶可在目標硬件上調(diào)試代碼。通過使用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、下載和在實際的目標硬件上測試嵌入的程序。2.3 嵌入式Linux嵌入式linux 是將日益流行的Linux 操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式linux 既繼承了Interlnet 上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。嵌入式Linux 的特點是版權(quán)費免費，而且性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開放，有許多應用軟件支持，應用產(chǎn)品開發(fā)周期短，新產(chǎn)品上市迅速，因為有許多公開的代碼可以參考和移植，實時性能RT_Linux，Hardhat Linux 等嵌入式Linux 支持，實時性能穩(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 即引導加載程序，是系統(tǒng)加電后運行的第一段軟件代碼。PC 機中的引導加載程序由BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序 和位于硬盤MBR 中的OS Bootloader （比如，LILO 和GRUB 等）一起組成。BIOS 在完成硬件檢測和資源分配后，將硬盤MBR 中的Bootloader 讀到系統(tǒng)的RAM 中，然后將控制權(quán)交給OS Bootloader。Bootloader 的主要運行任務就是將內(nèi)核映象從硬盤上讀到 RAM 中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點去運行，也即開始啟動操作系統(tǒng)。而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS 那樣的固件程序，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由Bootloader 來完成。簡單地說，Bootloader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。Bootloader 有兩種工作模式，正常引導模式和操作系統(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，然后將其寫入到制定的地址空間中。Bootloader 提供豐富的命令進行各種操作。常見的嵌入式開發(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ARM 仿真器寫入到Nandflash 或Norfalsh 中，但freescale 提供了一個特殊的工具ATK （Advanced Tool Kit）來燒寫B(tài)ootloader 。ATK 運行在Windows 機器上，通過串口連接目標板下載Bootloader ，支持i.MX 系列所有芯片。這種方式不需要ARM 仿真器。2.6 超級終端，Minicom ，SecureCRT這三個工具都是用來目標板與目標板進行通訊的，硬件連接方式都是串口，其中Minicom 運行與linux 機器。他們通過串口將命令或文件發(fā)給目標板，并接收回顯目標板的返回數(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SSH 可以通過網(wǎng)絡遠程訪問linux 機器，這樣可以實現(xiàn)多個人使用同一臺linux 機器進行開發(fā)。3 開發(fā)流程3.1 沒有操作系統(tǒng)對于開發(fā)人員，完全可以將ARM 芯片當作普通MCU 使用，此時開發(fā)流程與MCU 開發(fā)流程一致。采用這種開發(fā)方式時，軟件系統(tǒng)一般沒有操作系統(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)通常只具備簡單的任務切換功能。這種開發(fā)方式常用于沒有MMU （Memory Management Unit）模塊的ARM7系列芯片中。沒有操作系統(tǒng)的開發(fā)流程見圖1。 圖1 沒有操作系統(tǒng)時開發(fā)流程ARM 開發(fā)基礎知識 20100125 3.2 有操作系統(tǒng) 當有操作系統(tǒng)時（后均以 linux 為例），開發(fā)流程將完全不同。 對于沒有操作系統(tǒng)的空的開發(fā)板， 要進行 Bootloader， 操作系統(tǒng)和 rootfs 的燒寫， 步驟如下： 1、Bootloader 下載到芯片 Flash 中 2、使用交叉編譯環(huán)境生成目標板的 linux 操作系統(tǒng)鏡像和根文件系統(tǒng)鏡像 3、Windows PC 機通過串口連接目標板，運行超級終端或 SecureCRT 連接目標板