上海交大ARM培訓(xùn)教材基于ARM的嵌入式開發(fā)技術(shù)

1、基于ARM的嵌入式開發(fā)技術(shù)作者：皮永輝 深圳旋極歷通科技有限公司2003-92003年珠海ARM嵌入式開發(fā)/軟件測試技術(shù)研討會(huì)2內(nèi)容提要關(guān)于ARM嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程基于ARM的開發(fā)技術(shù)與環(huán)境ARM的SOC開發(fā)3關(guān)于ARMARM=Advanced RISC MachineRISC 的典型代表32位處理器技術(shù)嵌入式領(lǐng)域的主力軍ARM的產(chǎn)品ARM處理器內(nèi)核，以IP的形式提供給IC生產(chǎn)廠家硬核軟核ARM開發(fā)工具、SOC開發(fā)工具、評估板等ARM公司不生產(chǎn)芯片4ARM的特點(diǎn)（1）ARM微處理器的主要特點(diǎn)系列化：ARM7, ARM9, ARM10, 獨(dú)特的指令系統(tǒng)32位架構(gòu)，定長。32位ARM指令16位T

2、humb指令大部分為單周期指令條件執(zhí)行Load/Store流水線結(jié)構(gòu)ARM7：3級流水線ARM9：5級流水線高性能、低功耗 5ARM的特點(diǎn)（2）ARM微處理器的主要特點(diǎn)支持JTAG調(diào)試7種工作模式User : 用戶模式，非特權(quán)FIQ : 快速中斷IRQ : 普通中斷Supervisor 管理模式Abort : 存取異常模式Undef : 未定義指令模式System : 系統(tǒng)模式2種工作狀態(tài)ARMThumb支持ARM/Thumb的交互工作6ARM的應(yīng)用7關(guān)于嵌入式系統(tǒng)典型的嵌入式系統(tǒng)的一般由以下幾部分組成嵌入式微處理器外圍硬件設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用程序嵌入式系統(tǒng)的典型特征專用硬件軟件8嵌入式系統(tǒng)

3、的開發(fā)流程確定產(chǎn)品需求選擇主要芯片確定編程語言選擇開發(fā)環(huán)境RTOS的使用選擇開發(fā)方案設(shè)計(jì)與調(diào)試測試測試工具與其他輔助設(shè)備產(chǎn)品9嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)與調(diào)試設(shè)計(jì)生產(chǎn)編譯器鏈接器調(diào)試器IDE操作系統(tǒng)軟件測試評估板仿真器邏輯分析儀邊界掃描測試儀編程器10開發(fā)環(huán)境什么是嵌入式開發(fā)環(huán)境：源程序編譯器目標(biāo)文件鏈接器可重定位程序定位器可執(zhí)行文件編譯器/匯編器/鏈接定位器調(diào)試器/仿真器主機(jī)（Host）及其工作平臺(tái)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（可選）目標(biāo)評估系統(tǒng)（可選）測試工具（軟件/硬件/協(xié)議等，可選）其他輔助設(shè)備（可選） 典型的開發(fā)環(huán)境11ARM的編譯器（1）ADS1.2ARM公司出品IDE環(huán)境，包括ARM/Thumb匯編器

4、：armasmANSI C 編譯器 - armcc 和 tccISO / Embedded C+ 編譯器 - armcpp and tcpp鏈接器 armlinkWindows 集成開發(fā)環(huán)境 CodeWarrior格式轉(zhuǎn)換器 fromelf庫管理器 - armar調(diào)試器模擬調(diào)試器：ARMulatorJTAG調(diào)試：AXD（與Multi-ICE配合）支持所有ARM內(nèi)核，最新版本：RealView2.012ARM的編譯器（2）EW-ARM瑞典IRA公司出品著名的嵌入式工具提供商，以提供編譯器/協(xié)議棧/統(tǒng)一建模工具著稱主要產(chǎn)品：Embeded Workbench（EW）、Make APP、Visual

5、 State等EW-ARM：針對ARM的集成開發(fā)環(huán)境：C/C+編譯器C-SPY 模擬調(diào)試器ROM-Monitor多種級別代碼優(yōu)化方法，滿足用戶在速度、文件大小方面的要求內(nèi)建ARM特性優(yōu)化器支持多種斷點(diǎn)模式支持Nucleus, VxWorks等RTOSGreenhillsGNU13嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（1）嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試有四種基本方法： 模擬調(diào)試（Simulator）軟件調(diào)試（Debugger）BDM/JTAG調(diào)試（BDM/JTAG Debugger）全仿真調(diào)試（Emulator）14嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（2）模擬調(diào)試（Simulator） 調(diào)試工具和待調(diào)試的嵌入式軟件都在主機(jī)上運(yùn)行，由主機(jī)提供一個(gè)模

6、擬的目標(biāo)運(yùn)行環(huán)境，可以進(jìn)行語法和邏輯上的調(diào)試。優(yōu)點(diǎn)：簡單方便，不需要目標(biāo)板，成本低缺點(diǎn)：功能非常有限，無法實(shí)時(shí)調(diào)試大多數(shù)調(diào)試工具都提供Simulator功能15嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（3）軟件調(diào)試（Debugger） 主機(jī)和目標(biāo)板通過某種接口（通常是串口）連接，主機(jī)上提供調(diào)試界面，待調(diào)試軟件下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。 這種方式的先決條件是要在Host和Target之間建立起通信聯(lián)系（目標(biāo)板上稱為監(jiān)控程序Monitor）優(yōu)點(diǎn)：純軟件，價(jià)格較低，簡單，軟件調(diào)試能力較強(qiáng)缺點(diǎn)：需要事先燒制Monitor（往往需多次試驗(yàn)才能成功）且目標(biāo)板工作正常，功能有限，特別是硬件調(diào)試能力較差。PCTargetMonitor串口

7、16嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（4）BDM/JTAG調(diào)試 這種方式有一個(gè)硬件調(diào)試體。該硬件調(diào)試體與目標(biāo)板通過BDM、JTAG等調(diào)試接口相連，與主機(jī)通過串口、并口、網(wǎng)口或USB口相連。待調(diào)試軟件通過BDM/JTAG調(diào)試器下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)：方便、簡單，無須制作Monitor，軟硬件均可調(diào)試缺點(diǎn)：需要目標(biāo)板，且目標(biāo)板工作基本正常（至少M(fèi)CU工作正常），僅適用于有調(diào)試接口的芯片TargetPC接口BDM/JTAG Debugger17嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試（5）全仿真調(diào)試（Emulator） 這種方式用仿真器完全取代目標(biāo)板上的MCU，因而目標(biāo)系統(tǒng)對開發(fā)者來說完全是透明的、可控的。仿真器與目標(biāo)板通過仿真頭連接，

8、與主機(jī)有串口、并口、網(wǎng)口或USB口等連接方式。由于仿真器自成體系，調(diào)試時(shí)既可以連接目標(biāo)板，也可以不連接目標(biāo)板（Stand alone）。優(yōu)點(diǎn)：功能非常強(qiáng)大，軟硬件均可做到完全實(shí)時(shí)在線調(diào)試缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴。18ARM的調(diào)試方式模擬調(diào)試ADS1.2：ARMulatorTrace32：SimulatorEW-ARM：C-spy軟件調(diào)試ADS1.2：Angel（串口）JTAG調(diào)試ARM：Multi-ICETrace32-ICD for ARMHitex：Tanto for ARM全仿真調(diào)試Trace32-FIRE/ICE19Trace32-ICD的特點(diǎn)（1）德國Lauterbach公司出品TRACE32

9、-ICD是基于集成在片內(nèi)的調(diào)試和跟蹤邏輯的在線調(diào)試工具。這些接口包括：BDM：背景調(diào)試模式，主要由Motorola使用JTAG：邊界掃描，用于測試和調(diào)試OCDS：在片調(diào)試支持，由Infineon公司定義NEXUS： IEEE-ISTO 5001標(biāo)準(zhǔn)所定義的調(diào)試接口模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)自己的需求配置通用性仿真工具，只需更換仿真頭，就可以調(diào)試其他CPU20Trace32-ICD的特點(diǎn)（2）強(qiáng)大、靈活的調(diào)試手段豐富的斷點(diǎn)類型強(qiáng)大的運(yùn)行控制統(tǒng)一的命令集，支持批處理高效靈活的腳本語言Practice支持RTOS調(diào)試支持FLASH在線編程支持嵌入式軟件測試支持多CPU調(diào)試和多內(nèi)核調(diào)試個(gè)性化界面，用戶可自

10、行設(shè)計(jì)菜單、按鍵等21其它ARM調(diào)試工具（1）Multi-ICEARM公司出品與ADS配套使用支持不同的ARM內(nèi)核另有Multi-trace模塊可選22其它ARM調(diào)試工具（2）TANTO（=Test and Analysis Tool）德國Hitex公司出品， ARM、PowerPC等JTAG/BDM調(diào)試工具模塊化結(jié)構(gòu)：主基模塊TB（Tanto Base）端口追蹤模塊PT（Port Trace）總線鏈接模塊BL（Bus Link）總線追蹤模塊BT（Bus Trace）仿真頭PL（Port Link）主機(jī)連接方式：串口/USB/網(wǎng)口統(tǒng)一的調(diào)試界面，支持C/C+，支持RTOS調(diào)試開放的體系結(jié)構(gòu)，兼

11、容性好23評估板的好處目標(biāo)評估系統(tǒng)（Evaluation board）芯片廠家在推銷自己的MCU時(shí)，常常會(huì)推出針對該芯片的評估板。評估板將MCU所的功能充分展示出來（可能還帶有部分軟件），用戶可直接使用，并借鑒其設(shè)計(jì)方法。使用評估板可大大加快硬件開發(fā)和軟件調(diào)試的進(jìn)程。目前旋極公司提供ARM7、ARM9和DragonBall的評估板24選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS對于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)考慮使用RTOSRTOS的作用：提供API（應(yīng)用編程接口）：操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序員提供可供調(diào)用的API，允許程序員致力于應(yīng)用程序的開發(fā) 簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)：實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)比非實(shí)時(shí)系統(tǒng)更難設(shè)計(jì). 使用實(shí)時(shí)多任務(wù)的內(nèi)核能簡化系統(tǒng)設(shè)

12、計(jì)，可將復(fù)雜的應(yīng)用程序分為幾個(gè)不同的任務(wù)，由內(nèi)核去對他們協(xié)調(diào)處理旋極公司提供如下支持ARM的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：NucleusOSE25RTOS簡介（1）Nucleus美國ATI公司出品微內(nèi)核技術(shù)模塊化結(jié)構(gòu)，可隨意裁剪提供完全源代碼無產(chǎn)品版稅（Royalties Free）無BSP開發(fā)，可移植性強(qiáng)豐富的開發(fā)手段支持絕大多數(shù)嵌入式微處理器，包括ARM Board Hardware BSP RTOS ApplicationNucleus26RTOS簡介（2）OSE瑞典Enea公司出品支持復(fù)雜的分布式系統(tǒng)極強(qiáng)的處理能力強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力支持軟硬件熱交換嚴(yán)格的安全認(rèn)證強(qiáng)大的第三方支持先進(jìn)的消息傳遞機(jī)制富有特色的

13、鏈接管理（Link Handler）支持絕大多數(shù)嵌入式微處理器，包括ARM27嵌入式系統(tǒng)的測試（1）嵌入式技術(shù)的發(fā)展催生了很多新技術(shù)，新技術(shù)帶來了一系列新的問題：新技術(shù)IC設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜引腳封裝小型化引腳數(shù)量急劇增加PCB走線越來越細(xì)可編程部件在線編程新市場縮小產(chǎn)品尺寸增加產(chǎn)品功能提高時(shí)鐘速率縮短產(chǎn)品上市時(shí)間28“老革命遇上新問題”PCB兩面焊，埋入式過孔和走線缺少物理入口，象SMT和BGA引腳測試非常困難測試夾具難以測試原型組件小尺寸PCB無法預(yù)留測試點(diǎn)許多CPLD和FLASH無法使 用插座編程每選一新的可編程器件，工 程師就要學(xué)新的編程方法嵌入式系統(tǒng)的測試（2）傳統(tǒng)測試/調(diào)試方法29嵌入式

14、系統(tǒng)的測試（3）新技術(shù)，新方法使用邊界掃描測試技術(shù)可以有效地解決這些問題！邊界掃描來源于IEEE Std 1149.1,是由聯(lián)合測試行動(dòng)小組（Joint Test Action Group)制定的一種測試邏輯，所以又稱JTAG標(biāo)準(zhǔn)。JTAG作為集成電路的一部分，可以完成以下功能： 測試器件間的相互連線； 測試集成電路本身； 在線編程CPLD、FPGA、FLASH； JTAG仿真調(diào)試Corelis公司的ScanPlus邊界掃描測試儀30嵌入式系統(tǒng)的測試（4）ScanPLUS邊界掃描測試儀美國Corelis出品由硬件和軟件兩部分組成31嵌入式系統(tǒng)的測試（5）ScanPLUS的組成軟件 ScanPl

15、us Runner：檢測執(zhí)行、控制JTAG 控制器 進(jìn)行檢測工作的控制部分；ScanPlus TPG：產(chǎn)生線路檢測文件；ScanPlus ADO：高級診斷部分；ScanPlus Debugger：可以對線路板故障部分進(jìn) 行在線細(xì)化、逐步和定制的測試，以找 出故障原因，并提供詳細(xì)的真值表；ScanPlus Merge：可以進(jìn)行整合測試，可以對母 板及其帶有的多塊子板進(jìn)行整合測試， 以節(jié)省測試時(shí)間和手續(xù)；32嵌入式系統(tǒng)的測試（6）ScanPLUS的組成軟件ScanPlus Runner：可以進(jìn)行CPLD的在線編程；ScanPlus Flash Generator：Flash在線編程數(shù)據(jù)文件 的產(chǎn)生

16、部分；ScanPlus Flash Programmer：Flash在線編程執(zhí)行部分 33嵌入式系統(tǒng)的測試（7）ScanPLUS的組成硬件JTAG Controller：JTAG 控制器功能：將ScanPlus Runner生成的檢測序列按照與計(jì)算機(jī)的連接協(xié)議轉(zhuǎn)化成JTAG檢測數(shù)據(jù)鏈，通過JTAG連接線傳送給目標(biāo)板。34嵌入式系統(tǒng)的測試（8）ScanPLUS工作原理35SOC與ARM（1）SOC概念SOC=System On Chip，即在片系統(tǒng)，或系統(tǒng)集成芯片SOC就是在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。這一技術(shù)的得以實(shí)現(xiàn)主要是由于現(xiàn)今EDA 技術(shù)的推廣，VLSI設(shè)計(jì)的普及化，以及新的設(shè)計(jì)理念(

17、基于IP的設(shè)計(jì))的誕生。36SOC與ARM（2）SOC實(shí)現(xiàn)通常是采用基于IP的設(shè)計(jì)方法用戶首先定義出整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)通過調(diào)用IP或現(xiàn)成的 VLSI 設(shè)計(jì)庫中的器件，在計(jì)算機(jī)中模擬實(shí)現(xiàn)仿真調(diào)試將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。除個(gè)別無法集成的器件外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的大部分均可集成到一塊，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。仿真調(diào)試方法計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的SOC開發(fā)調(diào)試環(huán)境37SOC與ARM（3）SOC優(yōu)勢可以大幅縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積；減少外設(shè)與微處理器之間的電路板連線，避免信號傳遞時(shí)的噪聲干擾，從而大大減小硬件開發(fā)的難度；由于SOC一般采用的都是低電壓內(nèi)核，可以大大降低系統(tǒng)的功耗；由于SOC的實(shí)現(xiàn)通常是采用基于IP的模塊化設(shè)計(jì)思想，因此大大降低了軟件開發(fā)的難度；38SOC與ARM（4）Integrator簡介Integrator是ARM公司提供的用于SOC(System On Chip)設(shè)計(jì)的集成開發(fā)環(huán)境將ARM公司的各種ARM內(nèi)核及其相關(guān)技術(shù)通過靈活而又高效的開發(fā)平臺(tái)提供給用戶。提高設(shè)計(jì)效率縮短上市時(shí)間降低開發(fā)成本Integrator將軟件和硬件IP集成在一起ARM不僅提供內(nèi)核IP，也提供各種外設(shè)IP（PrimeCell）及其相關(guān)驅(qū)動(dòng)使用可編程器件方便得到與最終系統(tǒng)極為相近的早期原型39SOC