arm啟動過程分析及應用研究畢業(yè)論文

1、<p>　　題目: ARM啟動過程分析及應用研究</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　自從電子技術發(fā)展起來之后，ARM因其體積小、低功耗、低成本高性能的優(yōu)勢，正以驚人的速度向前發(fā)展，在工業(yè)控制，浪費類電子產品和成像安全產品、無線網絡與通訊等領域得到了廣泛應用，極大地改進了這些行業(yè)的生產效率、提高了生產力、除此之外，ARM微處理

2、器及技術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，ARM技術在許多不同領域的地位日益鞏固。</p><p>　　本文以嵌入式系統(tǒng)設計作為具體的研究對象，選取ARM微處理器作為嵌入和式設計的核心，系統(tǒng)地介紹了ARM和嵌入式操作系統(tǒng)、工作原理和啟動過程分析。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>

3、　　前 言</b></p><p>　　第一章 ARM 概述1</p><p>　　1.1 ARM簡介1</p><p>　　1.1.1 RISC結構特性2</p><p>　　1.1.2 常用ARM處理器系列3</p><p>　　1.2 ARM微處理器的應用領域及特點7<

4、/p><p>　　1.2.1 ARM 微處理器的應用領域7</p><p>　　1.2.2ARM處理器的特點8</p><p>　　第二章 ARM9簡述8</p><p>　　2.1 ARM9簡介9</p><p>　　2.2 ARM9體系結構9</p><p>　　2.2.1

5、 ARM工作狀態(tài)9</p><p>　　2.2.2ARM9處理器的主要結構及其特點10</p><p>　　第三章 ARM9分析啟動11</p><p>　　3.1ARM9啟動過程11</p><p>　　第四章 總結15</p><p>　　第一章 ARM 概述</p><p&

6、gt;　　1.1 ARM簡介</p><p>　　ARM（Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。</p><p>　　1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術知識產權（IP）核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子

7、產品、通信系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產品市場，基于ARM技術的微處理器應用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。</p><p>　　ARM公司是專門從事基于RISC技術芯片設計開發(fā)的公司，作為知識產權供應商，它本身不直接從事芯片生產，靠轉讓設計許可，由合作公司生產各具特色的芯片，世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不

8、同的應用領域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權，因此既使得ARM技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，從而使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。</p><p>　　1.1.1 RISC結構特性</p><p>　　ARM內核采用精簡指令集計算機（RISC）體系結

9、構，它是一個小門數(shù)的計算機，其指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機（CISC）要簡單得多，其目標就是設計出一套能在高時鐘頻率下單周期執(zhí)行，簡單而有效地的指令集。RISC的設計重點在于降低處理器中指令執(zhí)行部件的硬件復雜度，這是因為軟件比硬件更容易提供更大的靈活性和更高的智能化，因此ARM具備了非常典型的RISC結構特性：    （1）具有大量的通用寄存器；    （2）通

10、過裝載/保存（load-store）結構使用獨立的load和store指令完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲器之間的傳送，處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)，從而可以避免多次訪問存儲器；    （3）尋址方式非常簡單，所有裝載/保存的地址都只由寄存器內容和指令域決定；    （4）使用統(tǒng)一和固定長度的指令格式。     此外，ARM體系結構還提供：

11、    （1）每一條數(shù)據(jù)處理指令都可以同時包含算術邏輯單元（ALU）的運算和移位處理，以實現(xiàn)對ALU和移位器的最大利用；    （2）使用地址自動增加和自動減少的尋址方式優(yōu)化程序中的循環(huán)處理；    （3）load/store</p><p>　　1.1.2 常用ARM處理器系列</p><p&g

12、t;　　ARM公司開發(fā)了很多系列的ARM處理器核，應用比較多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列、ARM11系列、Intel的Xscale系列和MPCore系列，還有針對低端8位MCU市場最新推出的Cortex－M3系列，其具有32位CPU的性能、8位MCU的價格。1．CortexTM-M3處理器  ARM CortexTM-M3處理器是一個面向低成本，小管腳數(shù)目以及低功耗應用，并且具有極高運算能力和中

13、斷響應能力的一個處理器內核。其問世于2006年，第一個推向市場的是美國LuminaryMicro半導體公司的LM3S系列ARM。   CortexTM-M3處理器采用了純Thumb2指令的執(zhí)行方式，使得這個具有32位高性能的ARM內核能夠實現(xiàn)8位和16位處理器級數(shù)的代碼存儲密度，非常適用于那些只需幾K存儲器的MCU市場。在增強代碼密度的同時，該處理器內核是ARM所設計的內核中最小的一個，其核心的門數(shù)只有33K，在包

14、含了必要的外設之后的門數(shù)也只為60K。這使它的封裝更為小型，成本更加低廉。在實現(xiàn)這些的同時，它還提供性能優(yōu)異的中斷能力，通過其獨特的寄存器管理并以硬件處理各種異常和中斷</p><p>　　3．CortexTM-R4F處理器   CortexTM-R4F處理器在CortexTM-R4處理器的基礎上加入了代碼錯誤校正（ECC）技術、浮點運算單元（FPU）以及DMA綜合配置的能力，增強了處理器在

15、存儲器保護單元，緩存，緊密耦合存儲器，DMA訪問以及調試方面的能力。4．CortexTM-A8處理器  CortexTM-A8是ARM公司所開發(fā)的基于ARMv7架構的首款應用級處理器，同時也是ARM所開發(fā)的同類處理器中性能最好、能效最高的處理器。CortexTM-A8是ARM公司首個超量處理器，其特色是運用了可增加代碼密度和加強性能的技術、可支持多媒體以及信號處理能力的NEONTM技術、以及能夠支持JAVA和其他文字代碼

16、語言（byte-code language）的提前和即時編譯的Jazelle® RCT（Run-time Compilation Target 運行時編譯目標代碼）技術。ARM最新的Artisan® Advantage-CE庫以其先進的泄漏控制技術使CortexTM-A8處理器實現(xiàn)了優(yōu)異的速度和能效。5．ARM7系列  ARM7TDMI是ARM公司1995年</p><p&

17、gt;　　1.2 ARM微處理器的應用領域及特點</p><p>　　1.2.1 ARM 微處理器的應用領域</p><p>　　到目前為止，ARM微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域。</p><p>　?。?）工業(yè)控制領域：作為32位的RISC架構，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份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，

18、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)。</p><p>　?。?）無線通信領域：目前已有85%以上的無線通信設備采用了ARM技術， ARM以其高性能和低成本的特點，在該領域的地位日益鞏固。</p><p>　?。?）網絡應用：隨著寬帶技術的推廣，采用ARM技術的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進行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對

19、DSP的應用領域提出了挑戰(zhàn)。</p><p>　?。?）消費類電子產品：ARM技術在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。</p><p>　　（5）成像和安全產品：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。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術。</p><p>　　除此以外，ARM微處理器及技術還應用到許多其他領域，并會在將

20、來取得更加廣泛的應用。</p><p><b>　　ARM處理器的特點</b></p><p>　　采用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點。</p><p>　?。?）體積小、低功耗、低成本、高性能；</p><p>　?。?）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件；&

21、lt;/p><p>　?。?）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；</p><p>　?。?）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；</p><p>　?。?）尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；</p><p>　?。?）指令長度固定。</p><p>　　第二章 ARM9簡述</p><p>　　2.1

22、ARM9簡介</p><p>　　ARM9系列處理器是英國ARM公司設計的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。以手機應用為例，2G手機只需提供語音及簡單的文字短信功能，而目前的2．5G和未來的3G手機除了提供這兩項功能外，還必須提供各種其他的應用功能。</p><p>　　主要包括：(1)無線網絡設備：手機上網、電子郵件及其他定位服務等功能；(2)PDA功能：

23、含有用戶操作系統(tǒng)(Windows CE、Symbian OS、Linux等)及其他功能；(3)高性能功能：音頻播放器、視頻電話、手機游戲等。在2．5G和3G的應用中ARM9已經全面替代了ARM7。因為ARM9的新特性能夠滿足各種新需求的同時減少產品研發(fā)時間并降低研發(fā)費用</p><p>　　新一代的ARM9處理器，通過全新的設計，采用了更多的晶體管，能夠達到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是

24、通過增加時鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實現(xiàn)的。</p><p>　　2.2 ARM9體系結構</p><p>　　2.2.1 ARM工作狀態(tài)</p><p>　　從編程者角度看ARM9有兩種工作狀態(tài)，并且可相互切換</p><p>　　ARM狀態(tài) ， 處理執(zhí)行32位的ARM指令 字對齊</p><p>　　Thumb

25、狀態(tài)，處理執(zhí)行16位的Thumb指令 半字對齊</p><p>　　如果在1K的存儲空間中，可以放32條ARM指令，就可以放64條Thumb指令，因此在存放Thunb指令時，代碼密度高</p><p>　　ARM9處理器的主要結構及其特點</p><p><b>　　ARM9是哈佛結構</b></p><p>　　(1

26、)32 b定點RISC處理器，改進型ARM／Thumb代碼交織，增強性乘法器設計，支持實時(real-time)調試；</p><p>　　(2)片內指令和數(shù)據(jù)SRAM，而且指令和數(shù)據(jù)的存儲器容量可調；</p><p>　　(3)片內指令和數(shù)據(jù)高速緩沖器(Cache)容量從4 KB～l MB：</p><p>　　(4)設置保護單元(Protoction Unit)

27、，非常適合嵌入式應用中對存儲器進行分段和保護；</p><p>　　(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設提供統(tǒng)一的地址和數(shù)據(jù)總線；</p><p>　　(6)支持外部協(xié)處理器，指令和數(shù)據(jù)總線有簡單的握手信令支持；</p><p>　　(7)支持標準基本邏輯單元掃描測試方法；</p><p>　　(8)支持BIST(Built-in-se

28、lf-test)；</p><p>　　(9)支持嵌入式跟蹤宏單元，支持實時跟蹤指令和數(shù)據(jù)。</p><p>　　第三章 ARM9分析啟動</p><p><b>　　ARM9啟動過程</b></p><p>　　在ARM設計開發(fā)中，啟動代碼的編寫是一個極重要的過程。然而啟動代碼隨具體的目標系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)有所區(qū)別，但通

29、常包含以下部分：</p><p>　　·向量表定義    ·地址重映射及中斷向量表的轉移    ·堆棧初始化    ·設置系統(tǒng)時鐘頻率    ·中斷寄存器的初始化    ·進入

30、C應用程序</p><p>　　下面就結合PHILIPS的LPC2119的啟動代碼來分析與說明ARM7處理器的啟動代碼的編寫。1.1向量表定義</p><p>　　ARM芯片上電或復位后，系統(tǒng)進入管理模式、ARM狀態(tài)、PC(R15寄存器)指向0x00000000地址處。中斷向量表為每一個中斷設置1個字的存儲空間，存放一條跳轉指令，通過這條指令使PC指針指向相應的中斷服務程序入口，繼而執(zhí)

31、行相應的中斷處理程序。LPC2119的中斷向量表和其它基于ARM核的芯片中斷向量表較類似，只要注意LPC2119要使向量表所有數(shù)據(jù)32位累加和為零(0x00000000－0x0000001C的8個字的機器碼累加), 才能使用戶的程序脫機運行。LPC2119的中斷向量表如圖1所示。</p><p>　　1.2 地址重映射及中斷向量表的轉移</p><p>　　ARM7處理器在復位后從地址0讀

32、取第一條指令并執(zhí)行，因此系統(tǒng)上電后地址0必須是非易失的ROM/FLASH，這樣才能保證處理器有正確可用的指令。為了加快對中斷的處理以及實現(xiàn)在不同操作系統(tǒng)模式下對中斷的處理，這就需要重新映射中斷向量表、Bootblock和SRAM空間的一小部分。ARM具有非常靈活的存儲器地址分配特性。ARM處理器的地址重映射機制有兩種情況：</p><p>　　①由專門的寄存器完成重映射(Remap),只需對相應的Remap寄存器

33、相應位設置即可?！　、跊]有專門的Remap控制寄存器需要重新改寫用于控制存儲器起始地址的塊(Bank)寄存器來實現(xiàn)Remap。在LPC2119上的重映射，可以通過存儲器映射控制器來實現(xiàn)。實現(xiàn)REMAP操作的程序實現(xiàn)如下： </p><p>　　MOV R8,#0x40000000；           

34、 /設置新向量表起始地址/LDR R9,=Interrupt_Vector_Table；             /讀原向量表源地址/LDMIA R9!,(R0-R7)；            &

35、#160;  /復制中斷向量表及中斷處理程序的入口地址到RAM中（64字節(jié)）/STMIA R8!,(R0-R7)LDMIA R9!,(R0-R7)STMIA R8!,(R0-R7)LDR R8，=MEMMAP ；           /REMMAP操作/MOV R9，#0x02STR R9, [R8]1.3 堆棧初

36、始化</p><p>　　啟動代碼中各模式堆?？臻g的設置是為中斷處理和程序跳轉時服務的。當系統(tǒng)響應中斷或程序跳轉時，需要將當前處理器的狀態(tài)和部分重要參數(shù)保存在一段存儲空間中，所以對每個模式都要進行堆棧初始化工作，給每個模式的SP定義一個堆?；刂泛投褩５娜萘俊６褩５某跏蓟袃煞N方法：第一種方法是結合ADS開發(fā)套件中的分散加載文件來定義堆棧。第二種方法是最簡單也是最常用的一種就是直接進入對應的處理器模式，為SP寄存

37、器指定相應的值。下面給出了用第二種方法初始化管理模式和中斷模式堆棧的程序：MSR CPSR_c, #0xD3 ；           /切換到管理模式，并初始化管理模式的堆棧/LDR SP, Stack_SvcMSR CPSR_c, #0xD2 ；       &

38、#160;    /切換到IRQ模式，并初始化IRQ模式的堆棧/LDR SP, Stack_Irq…1.4 系統(tǒng)部分時鐘初始化</p><p>　　時鐘是芯片各部分正常工作的基礎，應該在進入main()函數(shù)前設置。部分ARM7片子內部集成有PLL(鎖相環(huán))電路，用戶可以用低頻率的晶振通過PLL電路獲得一個較高頻率的時鐘。LPC2119內部的PLL電路接受的輸入時鐘頻率范圍為1

39、0～25MHz，輸入頻率通過一個電流控制振蕩器（CCO）倍增到范圍10～60MHz。同時為了使高速的ARM處理器與低速的外設正常通訊和降低功耗(降低外設運行速度使功耗降低)，LPC2119又集成了一個額外的分頻器。PLL的激活是由PLLCON寄存器控制。PLL倍頻器和分頻器的值由PLLCFG寄存器控制。對PLLCON或PLLCFG寄存器的更改必須遵循嚴格的順序，否則所作更改是無法生效的（在連續(xù)的VPB周期內向PLLFEED寄存器寫入0x

40、AA、0x55，在此期間中斷必須是被禁止的。）1.5 中斷初始化</p><p>　　ARM7的向量中斷控制器(Vectored Interrupt Controller)可以將中斷編程為3類：FIQ、向量IRQ、非向量IRQ。FIQ中斷請求的優(yōu)先級最高，其次是IRQ中斷請求，非向量IRQ的優(yōu)先級最低。VIC具有32個中斷請求輸入，但在LPC2219中只占用了17個中斷輸入。對于這17個中斷源的IRQ/FIQ選

41、擇，由VICIntSelect寄存器控制，當對應位設置位1時，則此中斷為FIQ中斷，否則為IRQ中斷。若再將IRQ中斷設置到向量控制寄存器(VICVectCntIn)中，則此中斷為向量IRQ中斷，否則為非向量IRQ中斷。FIQ中斷是專門用來處理那些需要及時響應的特殊事件，盡可能地只給FIQ分配一個中斷源。</p><p>　　1.6 進入C應用程序</p><p>　　至此，系統(tǒng)各部分的初

42、始化基本完成，可以直接從啟動代碼轉入到應用程序的main()函數(shù)入口。從啟動代碼轉入到應用程序的實例代碼如下：</p><p>　　IMPORT mainLDR R0，=mainBX R0</p><p><b>　　第四章 總結</b></p><p>　　論文的寫作是一個長期的過程，需要不斷的進行精心的修改，不斷地去研究各方面的文獻，

43、認真總結。歷經了這么久的努力，終于完成了畢業(yè)論文。在這次畢業(yè)論文的寫作的過程中，我擁有了無數(shù)難忘的感動和收獲。</p><p>　　寫作畢業(yè)論文是我們每個大學生必須經歷的一段過程，也是我們畢業(yè)前的一段寶貴的回憶。當我們看到自己的努力有收獲的時候，總是會有那么一點點自豪和激動。任何事情都是這樣子，需要我們腳踏實地的去做，一步一個腳印的完成，認真嚴謹，有了好的態(tài)度才能做好一件事情，一開始都覺得畢業(yè)論文是一個很困難的任

44、務，大家都難免會有一點畏懼之情，但是經過長時間的努力和積累，經過不斷地查找資料后總結，我們都很好的按老師的要求完成了畢業(yè)論文的寫作，這種收獲的喜悅相信每個人都能夠體會到。這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升，相信對我未來的學習和工作有很大的幫助。 在這次畢業(yè)論文中同學之間互相幫助，共同商量相關專業(yè)問題,這種交流對于即將面臨畢業(yè)的我們來說是一次很有意義的經歷,大學四年都一起走過了,在最后我們可以聚在一起討論學習,研究專業(yè)問

45、題,進而更好的了解我們每個人的興趣之所在,明確我們的人生理想,進而在今后的生活和工作中更好的發(fā)揮自己的優(yōu)勢,學好自己的專業(yè),成為一個對于社會有用 的人. </p><p>　　在此更要感謝我的專業(yè)老師，是您的細心指導和關懷，使我能夠順利的完成畢業(yè)論文。老師對于學生總是默默的付出,盡管很多時候我們自己并沒有特別重視論文的寫作,沒有按時完成老師的任務,但是老師還是能夠主動的和我們聯(lián)系,告訴我們應該怎么樣修改論文,怎