嵌入式ARM系統(tǒng)原理與實例開發(fā)第二版課件

1、嵌入式ARM系統(tǒng)原理與實例開發(fā)北京大學出版社出版楊宗德編著2007年7月8/9/20221北京大學出版社出版12ARM處理器概述 ARM硬件體系結(jié)構(gòu) 3ARM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第2章嵌入式ARM處理器與開發(fā)工具 4開發(fā)工具與開發(fā)流程介紹 8/9/20222北京大學出版社出版ARM Ltd成立于1990年11月前身為 Acorn計算機公司Advance RISC Machine(ARM)主要設(shè)計ARM系列RISC處理器內(nèi)核授權(quán)ARM內(nèi)核給生產(chǎn)和銷售半導(dǎo)體的合作伙伴ARM 公司不生產(chǎn)芯片IP(Intelligence Property)另外也提供基于ARM架構(gòu)的開發(fā)設(shè)計技術(shù)軟件工具, 評估板, 調(diào)試

2、工具,應(yīng)用軟件,總線架構(gòu), 外圍設(shè)備單元，等等8/9/20223北京大學出版社出版ARM授權(quán)費IPARM 創(chuàng)造和設(shè)計IPPartner產(chǎn)品，例如：芯片Partner把ARM IP 和其他 IP 集成進產(chǎn)品OEM Customer版權(quán)費單價OEM 用來自ARM Partner的芯片設(shè)計制造最終用戶產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展 / 市場格局ARM的業(yè)務(wù)模型8/9/20224北京大學出版社出版命名的含義標志含義說明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TThumb-2：ARMv6TD片上調(diào)試M支持長乘法32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位IEmbed

3、ded ICEEDSP指令增加了DSP算法處理器指令：16位乘加指令，飽和的帶符號數(shù)的加減法，雙字數(shù)據(jù)操作，cache預(yù)取指令JJava加速器Jazelle提高java代碼的運行速度S可綜合提供VHDL或Verilog語言設(shè)計文件8/9/20225北京大學出版社出版12ARM處理器概述 ARM硬件體系結(jié)構(gòu) 3ARM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第2章嵌入式ARM處理器與開發(fā)工具 4開發(fā)工具與開發(fā)流程介紹 8/9/20226北京大學出版社出版馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)28/9/20227北京大學出版社出版哈佛體系結(jié)

4、構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)8/9/20228北京大學出版社出版CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單 8/9/20229北京大學出版社出版ARM處理器的指令三級流

5、水線 8/9/202210北京大學出版社出版ARM處理器的指令五級流水線8/9/202211北京大學出版社出版12ARM處理器概述 ARM硬件體系結(jié)構(gòu) 3ARM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第2章嵌入式ARM處理器與開發(fā)工具 4開發(fā)工具與開發(fā)流程介紹 8/9/202212北京大學出版社出版ARM710 結(jié)構(gòu)框圖 8/9/202213北京大學出版社出版ARM7功能圖 8/9/202214北京大學出版社出版ARM920功能結(jié)構(gòu)圖 8/9/202215北京大學出版社出版S3C2410內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 8/9/202216北京大學出版社出版Intel PXA270應(yīng)用系統(tǒng)框圖 示例8/9/202217北京大學出版社出版1

6、2ARM處理器概述 ARM硬件體系結(jié)構(gòu) 3ARM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第2章嵌入式ARM處理器與開發(fā)工具 4開發(fā)工具與開發(fā)流程介紹 8/9/202218北京大學出版社出版嵌入式軟件開發(fā)的特點和技術(shù)挑戰(zhàn)嵌入式軟件開發(fā)需要軟硬件開發(fā)環(huán)境和工具 嵌入式軟硬件必須協(xié)同設(shè)計 需要新的任務(wù)設(shè)計方法 開發(fā)過程完成后，系統(tǒng)應(yīng)用程序代碼需要固化到系統(tǒng)中并進行功能、性能和可靠性測試 技術(shù)挑戰(zhàn)：軟件的要求更高，開發(fā)工作量和難度更大，需要較大的知識集合 8/9/202219北京大學出版社出版嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境1）交叉開發(fā)環(huán)境 交叉開發(fā)軟件一般為一個整合編輯、編譯、匯編、鏈接、調(diào)試、工程管理及函數(shù)庫等功能模塊的集成開發(fā)環(huán)境I

7、DE（Intergrated Development Environment）。所謂交叉是指在一種CPU及其環(huán)境上開發(fā)另一種CPU及其環(huán)境上運行的程序。 8/9/202220北京大學出版社出版嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境2）軟件模擬環(huán)境 軟件模擬環(huán)境也稱為指令集模擬器ISS(Instruction Set Simulator) 軟件模擬不可能完全代替真正的硬件環(huán)境，這種模擬調(diào)試只能作為一種初步調(diào)試，主要是用作用戶程序的模擬運行，用來檢查語法、程序的結(jié)構(gòu)等簡單錯誤，用戶最終還必須在真實的硬件環(huán)境中實際運行調(diào)試，完成整個應(yīng)用的開發(fā)。 8/9/202221北京大學出版社出版嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境3)評估電路板 一

8、般用來作為開發(fā)者使用的開發(fā)平臺、學習板、實驗板，它們可以作為應(yīng)用目標板出來之前的軟件測試、硬件調(diào)試的電路板 8/9/202222北京大學出版社出版嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)的基本流程基于交叉開發(fā)環(huán)境的嵌人式應(yīng)用軟件開發(fā)主要分如下幾個步驟：開發(fā)環(huán)境的建立、源代碼編輯階段、交叉編譯和鏈接、重定位和下載、聯(lián)機調(diào)試幾個基本階段。開發(fā)環(huán)境建立 源文件編輯階段編譯 鏈接 下載 調(diào)試 8/9/202223北京大學出版社出版嵌入式軟件開發(fā)的可移植性和可重用性 在確保軟件的正確性、實時性的前提下，必須關(guān)注軟件的可移植性和可重用性。嵌入式軟件與通用軟件的不同在于嵌入式應(yīng)用軟件高度依賴于目標應(yīng)用的軟硬件環(huán)境，軟件的部分任務(wù)

9、功能函數(shù)由和處理器密切相關(guān)的匯編語言完成，可移植性差。一個運行良好的嵌入式軟件或其中的部分子程序可能在今后的開發(fā)中被應(yīng)用于類似的應(yīng)用領(lǐng)域。原有的代碼已被反復(fù)應(yīng)用和維護，具有更好的穩(wěn)定性。在原有的代碼上進行移植將會減少開發(fā)的周期、提高開發(fā)效率、節(jié)約開發(fā)成本 8/9/202224北京大學出版社出版嵌入式軟件開發(fā)的可移植性和可重用性 采用下面的方法可以提高應(yīng)用軟件的可移植性和可重用性。 多用高級語言少用或者不用匯編語言 將不可移植部分局域化 提高代碼的可重用性（標準化接口） 8/9/202225北京大學出版社出版嵌入式開發(fā)的考慮要素復(fù)雜計算與資源緊缺用戶界面的選擇實時性多任務(wù)多速率制造成本功耗成品的

10、體積8/9/202226北京大學出版社出版嵌入式開發(fā)的基本流程系統(tǒng)定義與需求分析 系統(tǒng)設(shè)計方案的初步確立 初步設(shè)計方案性價比評估與方案評審論證 完善初步方案、初步方案實施 軟硬件集成測試 系統(tǒng)功能性能測試及可靠性測試 8/9/202227北京大學出版社出版常用嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)工具 面向硬件的開發(fā)工具如ADS嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)如GCC面向特定操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)工具 8/9/202228北京大學出版社出版底層開發(fā) 使用ADS軟件開發(fā)流程及調(diào)試方式圖 8/9/202229北京大學出版社出版嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)GCC系列工具嵌入式操作系統(tǒng)多用C/C+開發(fā)，因此，要編譯操作系統(tǒng)內(nèi)容，一般都使用GCC系列

11、工具。GCC可以用來編譯uClinux、Linux、 ECOS、uC/OS-II等操作系統(tǒng)。 8/9/202230北京大學出版社出版面向特定操作系統(tǒng)的應(yīng)用工具 WinCE應(yīng)用軟件開發(fā)：如果選用的操作系統(tǒng)為WinCE，則應(yīng)用軟件需要選擇WinCE的Embeded VC開發(fā)環(huán)境。Symbian應(yīng)用程序開發(fā)：如果開發(fā)Symbian手機應(yīng)用程序，則Symbian應(yīng)用程序開發(fā)選擇的是Symbian的C/C+集成開發(fā)環(huán)境。Linux應(yīng)用程序開發(fā)：如果開發(fā)的是Linux應(yīng)用程序，則選擇的開發(fā)工具是Linux程序開發(fā)工具（GCC/G+/GDB/Makefile）。 8/9/202231北京大學出版社出版Lin

12、ux交叉編譯調(diào)試環(huán)境開發(fā)程序過程 8/9/202232北京大學出版社出版Linux交叉編譯調(diào)試環(huán)境開發(fā)程序過程（1）程序首先在宿主機（安裝與應(yīng)用目標板同樣內(nèi)核的Linux操作系統(tǒng)）編輯編譯，生成可執(zhí)行文件。（2）通過網(wǎng)絡(luò)共享方式將該程序共享給目標板，因為此處是開發(fā)Linux應(yīng)用程序，目標板已經(jīng)移植了Linux操作系統(tǒng)，因此，可以充分利用Linux操作系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡(luò)功能，通過共享的方式的原因一方面是減少下載程序的時間，另一方面也是因為目標板資源有很，盡可能少占用目標板資源的考慮。（3）通過Linux操作系統(tǒng)遠程登陸方式登陸到目標板Linux，并在目標板上運行交叉調(diào)試服務(wù)器，然后在目標板上運行共享

13、到目標板的Linux應(yīng)用程序。（4）通過交叉調(diào)用器終端訪問目標板的交叉調(diào)試服務(wù)器，將該程序的運行結(jié)果反饋到宿主機上，查看運行結(jié)果是否正確。8/9/202233北京大學出版社出版ADS1.2軟件環(huán)境開發(fā)流程 8/9/202234北京大學出版社出版ARM命令參數(shù)說明 (1.armasm匯編編譯指令,)此命令用來編譯匯編程序，其命令格式：armasm 選項 -o 目標文件 源文件參數(shù)選項說明如下：-Errors錯誤文件名 ;指定一個錯誤輸出文件-I目錄 ,目錄 ;指定源文件搜索目錄-PreDefine預(yù)定義宏 ;指定預(yù)定義的宏-NOCache ;編譯源代碼時禁止使用Cache進行優(yōu)化-MaxCach

14、e ;編譯源代碼時使用Cache進行優(yōu)化-NOWarn;關(guān)閉所有的警告信息-G ;輸出調(diào)試表-keep ;在目標文件中保存本地符號表-LIttleend ;生成小端（Little-endian）ARM代碼-BIgend ;生成大端（Big-endian）ARM代碼-CPU ;設(shè)立目標板ARM核類型,如: arm920t-16 ;建立16位的thumb指令-32 ;建立32位的ARM指令編譯一個匯編文件命令示例如下：c:armasm -LIttleend -cpu ARM920T -32 test.s8/9/202235北京大學出版社出版2.armcc/armcppC/C+編譯器armcc用來編

15、譯C程序，armcpp用來編譯C+程序，其命令格式如下：1. 命令：armcc 選項 源文件1 源文件2 . 源文件n這兩個命令的選項說明如下：-c ;編譯但是不連接-D;指定一個編譯時使用的預(yù)定義宏常量-E ;僅僅對C源文件做預(yù)處理-g ;產(chǎn)生調(diào)試信息表-I ;指頭文件的搜索路徑-o;指定一個輸出的目標文件-O0/1/2 ;指定源代碼的優(yōu)化級別-S ;輸出匯編代碼來代替目標文件-CPU ;設(shè)立目標板ARM核類型，如arm920t編譯一個C程序命令示例如下：c:armcc -c -O1 -cpu ARM920T test.c8/9/202236北京大學出版社出版3.armlink鏈接器此命令用

16、來鏈接目標文件，其命令格式如下：armlink 選項 輸入文件此命令選項參數(shù)說明如下：-partial ;合并目標文件-Output 文件 ;指定輸出文件名-scatter 文件 ;按照指定的文件為可執(zhí)行文件建立內(nèi)存映射-ro-base 地址值 ;只讀代碼段的起始地址-rw-base 地址值;RW/ZI段的起始地址示例c:armlink -partial bdmain.o bdport.o bdserial.o bdmmu.o bdisr.o -o testd.oc:armlink bd.o bdinit.o -scatter bdscf.scf -o test.axf8/9/202237北京大學出版社出版4.f