1、长沙师范专科学校电子信息工程 系 计算机应用 专业 级毕业论文（设计）题目: ARM 启动过程分析及应用研究姓名：宋政艳 学号：2009540830139指导教师（签名）： 年 月 日前 言自从电子技术发展起来之后，ARM 因其体积小、低功耗、低成本高性能的优势，正以惊人的速度向前发展，在工业控制，浪费类电子产品和成像安全产品、无线网络与通讯等领域得到了广泛应用，极大地改进了这些行业的生产效率、提高了生产力、除此之外，ARM 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，ARM 技术在许多不同领域的地位日益巩固。本文以嵌入式系统设计作为具体的研究对象，选取 ARM 微处理
2、器作为嵌入和式设计的核心，系统地介绍了 ARM 和嵌入式操作系统、工作原理和启动过程分析。目 录前 言 .第一章 ARM 概述 .11.1 ARM 简介 .11.1.1 RISC 结构特性 .21.1.2 常用 ARM 处理器系列 .31.2 ARM 微处理器的应用领域及特点 .71.2.1 ARM 微处理器的应用领域 .71.2.2 ARM 处理器的特点 .8第二章 ARM9 简述 .82.1 ARM9 简介 .92.2 ARM9 体系结构 .92.2.1 ARM 工作状态 .92.2.2 ARM9 处理器的主要结构及其特点 .10第三章 ARM9 分析启动 .113.1 ARM9 启动过程
3、 .11第四章 总结 .151第一章 ARM 概述1.1 ARM 简介ARM（Advanced RISC Machines），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。1991 年 ARM 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 ARM 技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的 ARM 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 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75%以上的市场份额，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM
4、公司是专门从事基于 RISC 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，由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从 ARM 公司购买其设计的 ARM 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，从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权，因此既使得 ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，从而使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。21.1.1 RISC 结构特性ARM 内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，它是一
5、个小门数的计算机，其指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机（CISC）要简单得多，其目标就是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效地的指令集。RISC 的设计重点在于降低处理器中指令执行部件的硬件复杂度，这是因为软件比硬件更容易提供更大的灵活性和更高的智能化，因此 ARM 具备了非常典型的 RISC 结构特性：（1）具有大量的通用寄存器；（2）通过装载/保存（load-store）结构使用独立的 load 和store 指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送，处理器只处理寄存器中的数据，从而可以避免多次访问存储器；（3）寻址方式非常简单，所有装载/保存的地址都只由寄存器内容和指
6、令域决定；（4）使用统一和固定长度的指令格式。此外，ARM 体系结构还提供：（1）每一条数据处理指令都可以同时包含算术逻辑单元（ALU）的运算和移位处理，以实现对 ALU 和移位器的最大利用；（2）使用地址自动增加和自动减少的寻址方式优化程序中的循环处理；（3）load/store 指令可以批量传输数据，从而实现了最大数3据吞吐量；（4）大多数 ARM 指令是可“条件执行”的，也就是说只有当某个特定条件满足时指令才会被执行。通过使用条件执行，可以减少指令的数目，从而改善程序的执行效率和提高代码密度。这些在基本 RISC 结构上增强的特性使 ARM 处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺
7、寸方面取得良好的平衡。从 1985 年 ARM1 诞生至今，ARM 指令集体系结构发生了巨大的改变，还在不断地完善和发展。为了清楚地表达每个 ARM 应用实例所使用的指令集，ARM 公司定义了 7 种主要的 ARM 指令集体系结构版本，以版本号 V1V7 表示。1.1.2 常用 ARM 处理器系列ARM 公司开发了很多系列的 ARM 处理器核，应用比较多的是ARM7 系列、ARM9 系列、ARM10 系列、ARM11 系列、Intel 的 Xscale系列和 MPCore 系列，还有针对低端 8 位 MCU 市场最新推出的CortexM3 系列，其具有 32 位 CPU 的性能、8 位 MCU
8、 的价格。1CortexTM-M3 处理器ARM CortexTM-M3 处理器是一个面向低成本，小管脚数目以及低功耗应用，并且具有极高运算能力和中断响应能力的一个处理器内核。其问世于 2006 年，第一个推向市场的是美国 LuminaryMicro 半导体公司的 LM3S 系列 ARM。CortexTM-M3 处理器采用了纯 Thumb2 指令的执行方式，使得这4个具有 32 位高性能的 ARM 内核能够实现 8 位和 16 位处理器级数的代码存储密度，非常适用于那些只需几 K 存储器的 MCU 市场。在增强代码密度的同时，该处理器内核是 ARM 所设计的内核中最小的一个，其核心的门数只有
9、33K，在包含了必要的外设之后的门数也只为 60K。这使它的封装更为小型，成本更加低廉。在实现这些的同时，它还提供性能优异的中断能力，通过其独特的寄存器管理并以硬件处理各种异常和中断的方式，最大程度的提高了中断响应和中断切换的速度。 2CortexTM-R4 处理器CortexTM-R4 处理器是首款基于 ARM v7 架构的高级嵌入式处理器，其目标主要为产量巨大的高级嵌入式应用方案，如硬盘，喷墨式打印机，以及汽车安全系统等等。CortexTM-R4 处理器在节省成本与功耗上为开发者们带来了关键性的突破，在与其他处理器相近的芯片面积上提供了更为优越的性。CortexTM-R4 采用了 90 纳
10、米生产工艺，最高运行频率可达 400MHz，该内核整体设计的侧重点在于效率和可配置性。3CortexTM-R4F 处理器CortexTM-R4F 处理器在 CortexTM-R4 处理器的基础上加入了代码错误校正（ECC）技术、浮点运算单元（FPU）以及 DMA 综合配置的能力，增强了处理器在存储器保护单元，缓存，紧密耦合存储器，DMA 访问以及调试方面的能力。4CortexTM-A8 处理器CortexTM-A8 是 ARM 公司所开发的基于 ARMv7 架构的首款应用级5处理器，同时也是 ARM 所开发的同类处理器中性能最好、能效最高的处理器。CortexTM-A8 是 ARM 公司首个超
11、量处理器，其特色是运用了可增加代码密度和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力的 NEONTM 技术、以及能够支持 JAVA 和其他文字代码语言（byte-code language）的提前和即时编译的 Jazelle RCT（Run-time Compilation Target 运行时编译目标代码）技术。ARM 最新的 Artisan Advantage-CE 库以其先进的泄漏控制技术使CortexTM-A8 处理器实现了优异的速度和能效。5ARM7 系列ARM7TDMI 是 ARM 公司 1995 年推出的第一个处理器内核，是目前用量最多的一个内核。ARM7 系列包括 ARM7TD
12、MI、ARM7TDMIS、带有高速缓存处理器宏单元的 ARM720T 和扩充了 Jazelle 的ARM7EJS。该系列处理器提供 Thumb 16 位压缩指令集和EmbeddedICE JTAG 软件调试方式，适合应用于更大规模的 SoC 设计中。其中 ARM720T 高速缓存处理宏单元还提供 8KB 缓存、读缓冲和具有内存管理功能的高性能处理器，支持 Linux 和 Windows CE 等操作系统。6ARM9 系列ARM9 系列于 1997 年问世，ARM9 系列有 ARM9TDMI、ARM920T 和带有高速缓存处理器宏单元的 ARM940T。所有的 ARM9 系列处理器都具有 Thu
13、mb 压缩指令集和基于 EmbeddedICE JTAG 的软件调试方式。ARM9 系列兼容 ARM7 系列，而且能够比 ARM7 进行更加灵活的设计。67ARM10 系列ARM10 发布于 1999 年，ARM10 系列包括 ARM1020E 和 ARM1022E 微处理器核。其核心在于使用向量浮点（VFP）单元 VFP10 提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户界面的 2D 和 3D 图形引擎应用夯实基础，如视频游戏机和高性能打印机等。8ARM11 系列ARM1136JS 发布于 2003 年，是针对高性能和高能效的应用而设计的。ARM1136JS 是第
14、一个执行 ARMv6 架构指令的处理器，它集成了一条具有独立的 load-store 和算术流水线的 8 级流水线。ARMv6 指令包含了针对媒体处理的单指令多数据流（SIMD）扩展，采用特殊的设计以改善视频处理性能。ARM1136JFS 就是为了进行快速浮点运算，而在 ARM1136JS增加了向量浮点单元。9XscaleXscale 处理器将 Intel 处理器技术和 ARM 体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。并提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持 16 位 Thumb 指令和集成数字信号处理（DSP）指令。71.2 ARM 微处理器的应用领域及
15、特点1.2.1 ARM 微处理器的应用领域到目前为止，ARM 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。（1）工业控制领域：作为 32 位的 RISC 架构，基于 ARM 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份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8 位/16 位微控制器提出了挑战。（2）无线通信领域：目前已有 85%以上的无线通信设备采用了ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本的特点，在该领域的地位日益巩固。（3）网络应用：随着宽带技术的推广，采用 ARM 技术的 ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对 DSP 的应用领域提出了挑战。（4）消费类电子产品：ARM 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。（5）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 ARM 技术。手机中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。除此以外，ARM 微处理器及技术还应用到许多其他领域，并会在将来取得更加广泛的应用。
