ARM嵌入式Linux系统开发从入门到精通（共十二章）.pdf_P16-P20

火龙果·整理大子天大euml.org.cn 随着芯片技术的不断发展，嵌入式处理器的主频也越来越高，通常主频都在4OMHz以上，有的甚至高达500MHz。多处理器、多核处理器平台也逐渐应用在嵌入式领域，不过现在大量使用的还是32位单处理器组成的平台。一个典型的硬件平台如图1.2所示2]。时钟 SDRAM SDRAM 控制器复位处理器核中断控外部总线 Flash 制器控制器其他外设图1.2嵌入式硬件平台基本组成结构嵌入式软件平台主要由嵌入式操作系统与应用软件组成。目前流行的嵌入式操作系统可以分为两类：一类是从运行在个人电脑上的操作系统向下移植到嵌入式系统中，形成的嵌入式操作系统，如微软公司的Windows CE,SUN公司的Java系统，朗讯科技公司的Inferno, 嵌入式Liuw等。这类系统经过个人电脑或高性能计算机等产品的长期运行考验，技术日趋成熟，其相关的标准和软件开发方式己被用户普遍接受，同时积累了丰富的开发工具和应用软件资源。另一类是实时操作系统，如WindRiver公司的VxWorks,ISI的pSOS,QNX 系统软件公司的QNX,ATI的Nucleus,.中国科学院凯思集团的Hopen嵌入式操作系统等，这类产品在操作系统的结构和实现上都针对所面向的应用领域，对实时性高可靠性等进行了精巧的设计，而且提供了独立而完备的系统开发和测试工具，较多地应用在军用产品和工业控制等领域中。目前常见的嵌入式系统有：Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、 uCOS-II、VxWorks、.pSOS、Nucleus、ThreadX、Rtems、QNX、NTEGRITY、OSE、C Executive 等。嵌入式操作系统的发展也必将带动新一轮科技竞争。应用程序运行在嵌入式操作系统之上，一般情况下应用程序和操作系统是分开的。当处理器上带有MMU(Memory Management Unit,存储器管理单元)，它可以从硬件上将应用程序和操作系统分开编译和管理，Liuⅸ、WiCE就是这种分离机制。这样做的好处就是系统安全性更高，可维护性更强，更有利于各功能模块的划分。很多情况下在没有MMU的处理器，如ARM7TDMI,经常应用程序和操作系统是编译在一起运行的，对于开发人员来说，操作系统更像一个函数库。 1.2ARM介绍 ARM是Advanced RISC Machines(高级精简指令系统处理器)的缩写，它既是一种微

随着芯片技术的不断发展，嵌入式处理器的主频也越来越高，通常主频都在 40M Hz 以上，有的甚至高达 500MHz。多处理器、多核处理器平台也逐渐应用在嵌入式领域，不过现在大量使用的还是 32 位单处理器组成的平台。一个典型的硬件平台如图 1.2 所示[2]。图 1.2 嵌入式硬件平台基本组成结构嵌入式软件平台主要由嵌入式操作系统与应用软件组成。目前流行的嵌入式操作系统可以分为两类：一类是从运行在个人电脑上的操作系统向下移植到嵌入式系统中，形成的嵌入式操作系统，如微软公司的 Windows CE，SUN 公司的 Java 系统，朗讯科技公司的 Inferno，嵌入式 Linux 等。这类系统经过个人电脑或高性能计算机等产品的长期运行考验，技术日趋成熟，其相关的标准和软件开发方式已被用户普遍接受，同时积累了丰富的开发工具和应用软件资源。另一类是实时操作系统，如 WindRiver 公司的 VxWorks，ISI 的 pSOS，QNX 系统软件公司的 QNX，ATI 的 Nucleus，中国科学院凯思集团的 Hopen 嵌入式操作系统等，这类产品在操作系统的结构和实现上都针对所面向的应用领域，对实时性高可靠性等进行了精巧的设计，而且提供了独立而完备的系统开发和测试工具，较多地应用在军用产品和工业控制等领域中。目前常见的嵌入式系统有:Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、 uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive 等。嵌入式操作系统的发展也必将带动新一轮科技竞争。应用程序运行在嵌入式操作系统之上，一般情况下应用程序和操作系统是分开的。当处理器上带有 MMU(Memory Management Unit，存储器管理单元)，它可以从硬件上将应用程序和操作系统分开编译和管理，Linux、WinCE 就是这种分离机制。这样做的好处就是系统安全性更高，可维护性更强，更有利于各功能模块的划分。很多情况下在没有 MMU 的处理器，如 ARM7TDMI，经常应用程序和操作系统是编译在一起运行的，对于开发人员来说，操作系统更像一个函数库。 1.2 ARM 介绍 ARM 是 Advanced RISC Machines（高级精简指令系统处理器）的缩写，它既是一种微时钟复位中断控制器处理器核 SDRAM 控制器外部总线控制器 SDRAM 其他外设 Flash

处理器知识产权(P)核，也是一个公司的名称。在上节中对AM公司有了大概的介绍，这里就不再赘述，以下将介绍ARM处理器。 1.2.1ARM处理器介绍 ARM处理器已经成功广泛地应用于无线通信、工业控制、消费类电子、网络产品等领域，并且保持持续增长的势头。目前，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。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点： 1.体积小、低功耗、低成本、高性能： 2.支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件： 3.大量使用寄存器，指令执行速度更快： 4. 大多数数据操作都在寄存器中完成： 5. 寻址方式灵活简单，执行效率高： 6.指令长度固定。 ARM微处理器目前包括下面几个系列，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。 ◇ARM7系列：一般包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ 几种内核。ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器之一，主要应用工业控制、nternet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。TDMⅡ的基本含义为： T:支持l6为压缩指令集Thumb: D:支持片上Debug: M:内嵌硬件乘法器(Multiplier) I:嵌入式ICE,支持片上断点和调试点 ◆ARM9系列：包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。其中本书中介绍的S3C2410就是ARM9系列的ARM920T类型。 ARM9具有以下特点： ·5级流水线，指令执行效率更高。 ● 提供1.1 MIPS/MHz的哈佛结构。支持32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。 ● 支持32位元的高速AMBA汇流排界面。 ● 全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。 ●支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力。 ◆ARM9E系列：包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型。主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。 ◇ARM10E系列：包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型。主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。 ◆SecurCore系列：包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200 和SecurCore SC2l0四种类型，主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域

处理器知识产权（IP）核，也是一个公司的名称。在上节中对 ARM 公司有了大概的介绍，这里就不再赘述，以下将介绍 ARM 处理器。 1.2.1 ARM 处理器介绍 ARM 处理器已经成功广泛地应用于无线通信、工业控制、消费类电子、网络产品等领域，并且保持持续增长的势头。目前，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。采用 RISC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点： 1. 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2. 支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件； 3. 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4. 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5. 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6. 指令长度固定。 ARM 微处理器目前包括下面几个系列，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。 ² ARM7 系列：一般包括 ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ 几种内核。ARM7TDMI 是目前使用最广泛的 32 位嵌入式 RISC 处理器之一，主要应用工业控制、Internet 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。TDMI 的基本含义为： T：支持 16 为压缩指令集 Thumb； D：支持片上 Debug； M：内嵌硬件乘法器（Multiplier） I：嵌入式 ICE，支持片上断点和调试点 ² ARM9 系列：包含 ARM920T、ARM922T 和 ARM940T 三种类型，主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。其中本书中介绍的 S3C2410 就是 ARM9 系列的 ARM920T 类型。 ARM9 具有以下特点： l 5 级流水线，指令执行效率更高。 l 提供 1.1MIPS/MHz 的哈佛结构。 l 支持 32 位元 ARM 指令集和 16 位元 Thumb 指令集。 l 支持 32 位元的高速 AMBA 汇流排界面。 l 全性能的 MMU，支持 Windows CE、Linux、Palm OS 等多种主流嵌入式操作系统。 l 支持数据 Cache 和指令 Cache，具有更高的指令和数据处理能力。 ² ARM9E 系列：包含 ARM926EJ-S、ARM946E-S 和 ARM966E-S 三种类型。主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。 ² ARM10E 系列：包含 ARM1020E、ARM1022E 和 ARM1026EJ-S 三种类型。主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。 ² SecurCore 系列：包含 SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200 和 SecurCore SC210 四种类型，主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域

◇Intel的Xscale:Xscale处理器是基于ARMv5TE架构的解決方案，是一款全性能、高成本效益比、低功耗的处理器。它支持16位的Thumb指令和DSP 指令集，已使用在许多移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 ◇Intel的StrongARM:StrongARM SA-l100处理器是采用ARM架构高度整合的 32位元RISC微处理器。它融合了Intel公司的设计和处理技术以及ARM架构的电源效率，采用在软件上相容ARMv4架构、同時采用具有ntel技术优点的架构。Intel StrongARM处理器是便携型通讯产品和消費类电子产品的理想选择，己成功应用于多家公司的掌上电脑系列[3]。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARMI0为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。Intel的Xscale和StrongARM也是应用非常广泛的嵌入式处理器系列。 1.2.2ARM处理器的选型基于ARM为内核的处理器已经越来越多，并且种类繁多，在选择开发基于ARM的嵌入式系统时，首要任务就是选择ARM微处理器。下面讲述在选择ARM微处理器的一般准则[3]. 1.ARM微处理器内核的选择 >如果使用Windows CE或标准Linux等操作系统，就需要选择ARM720T以上带有MMU功能的ARM晶片。 >ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都带有MMU 功能。 >而ARM7IDMI则沒有MMU,不支持Windows CE和标准Linux,但目前有 uCLinux等不需要MMU支持的操作系统可执行ARM7TDMI硬件平台。 2.系统的工作频率 >系统的工作频率在很大程度上決定了ARM微处理器的处理能力。 >ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9 MIPS/MHz,常见的ARM7晶片系统主时钟为20MHz-133MHz。 >ARM9系列微处理器的典型处理速度为1.1 MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz,ARM10最高可以达到700MHz。 3.晶片内部存储体的容量 >大多数的ARM微处理器晶片内部存储体的容量都不太大。 >如ATMEL的AT91F40162就具有最高2MB的晶片内部存储空间。 4.晶片內部周围电路选择 >如USB接口、IS接口、IIC接口、LCD控制器、键盘接口、RTC、ADC和 DAC、DSP等，设计者应该分析系统的需求，尽可能采用晶片内部周围电路完成所需的功能，这样既可以简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。除了上面介绍的四个方面准则之外，还有许多其它的因素考虑，比如价格、兼容性等等。总之，根据设计的需求选择一款适合自己系统的ARM处理器是非常重要的。 1.2.3S3C2410微处理器介绍 S3C2410是三星电子开发的一种32位RISC微处理器，它是基于ARM920T内核开发

² Intel 的 Xscale：Xscale 处理器是基于 ARMv5TE 架构的解決方案，是一款全性能、高成本效益比、低功耗的处理器。它支持 16 位的 Thumb 指令和 DSP 指令集，已使用在许多移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 ² Intel 的 StrongARM：StrongARM SA-1100 处理器是采用 ARM 架构高度整合的 32 位元 RISC 微处理器。它融合了 Intel 公司的设计和处理技术以及 ARM 架构的电源效率，采用在软件上相容 ARMv4 架构、同時采用具有 Intel 技术优点的架构。Intel StrongARM 处理器是便携型通讯产品和消費类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列[3]。其中，ARM7、ARM9、ARM9E 和 ARM10 为 4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore 系列专门为安全要求较高的应用而设计。Intel 的 Xscale 和 StrongARM 也是应用非常广泛的嵌入式处理器系列。 1.2.2 ARM 处理器的选型基于 ARM 为内核的处理器已经越来越多，并且种类繁多，在选择开发基于 ARM 的嵌入式系统时，首要任务就是选择 ARM 微处理器。下面讲述在选择 ARM 微处理器的一般准则[3]。 1. ARM 微处理器内核的选择 Ø 如果使用 Windows CE 或标准 Linux 等操作系统，就需要选择 ARM720T 以上带有 MMU 功能的 ARM 晶片。 Ø ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM 都带有 MMU 功能。 Ø 而 ARM7TDMI 则沒有 MMU，不支持 Windows CE 和标准 Linux，但目前有 uCLinux 等不需要 MMU 支持的操作系统可执行 ARM7TDMI 硬件平台。 2. 系统的工作频率 Ø 系统的工作频率在很大程度上決定了 ARM 微处理器的处理能力。 Ø ARM7 系列微处理器的典型处理速度为 0.9MIPS/MHz，常见的 ARM7 晶片系统主时钟为 20MHz-133MHz。 Ø ARM9 系列微处理器的典型处理速度为 1.1MIPS/MHz，常见的 ARM9 的系统主时钟为 100MHz-233MHz，ARM10 最高可以达到 700MHz。 3. 晶片內部存储体的容量 Ø 大多数的 ARM 微处理器晶片內部存储体的容量都不太大。 Ø 如 ATMEL 的 AT91F40162 就具有最高 2MB 的晶片內部存储空间。 4. 晶片內部周围电路选择 Ø 如 USB 接口、IIS 接口、IIC 接口、LCD 控制器、键盘接口、RTC、ADC 和 DAC、DSP 等，设计者应该分析系统的需求，尽可能采用晶片內部周围电路完成所需的功能，这样既可以简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。除了上面介绍的四个方面准则之外，还有许多其它的因素考虑，比如价格、兼容性等等。总之，根据设计的需求选择一款适合自己系统的 ARM 处理器是非常重要的。 1.2.3 S3C2410 微处理器介绍 S3C2410 是三星电子开发的一种 32 位 RISC 微处理器，它是基于 ARM920T 内核开发

的。S3C2410 是面向低价格、低功耗和高性能的手持设备和小型设备而设计。S3C2410 的具体特点有以下[4]： l 系统管理 Ø 支持小端/大端方式 Ø 地址空间：128M 字节每一个 Bank（总共 1G 字节） Ø 每个 BANK 可编程为 8/16/32 位数据总线 Ø BANK0 到 BANK6 采用固定起始地址和大小 Ø BANK7 具有可编程的 BANK 起始地址和大小 Ø 共 8 个存储器 BANK Ø 前 6 个存储器 BANK 用于 ROM、SRAM 和其他 Ø 另外两个存储器 BANK 用于 ROM、SRAM 和同步 DRAM Ø 支持等待信号用以延长总线周期 Ø 支持掉电时的 SDRAM 自刷新模式 Ø 支持不同类型的 ROM 引导（NOR/NAND Flash、EEPROM 和其他）。 l S3C2410 的 SoC 芯片集成单元 Ø 内部 1.8V，存储器 3.3V，外部 I/O3.3V，16KB 数据 CACHE，16KB 指令 CACHE， MMU Ø 内置外部存储器控制器（SDRAM 控制和芯片选择逻辑） Ø LCD 控制器，一个 LCD 专用 DMA Ø 4 个带外部请求线的 DMA Ø 3 个通用异步串行端口（IrDA1.0, 16-Byte Tx FIFO, and 16-Byte Rx FIFO），2 通道 SPI Ø 一个多主 I 2C 总线，一个 I 2 S 总线控制器 Ø SD 主接口版本 1.0 和多媒体卡协议版本 2.11 兼容 Ø 两个 USB HOST，一个 USB DEVICE（VER1.1） Ø 4 个 PWM 定时器和一个内部定时器 Ø 看门狗定时器 Ø 117 个通用 I/O Ø 24 个外部中断 Ø 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电 Ø 8 通道 10 位 ADC 和触摸屏接口 Ø 带日历功能的实时时钟 Ø 芯片内置 PLL Ø 设计用于手持设备和通用嵌入式系统 Ø 16/32 位 RISC 体系结构，使用 ARM920T CPU 核的强大指令集 Ø 带 MMU 的先进的体系结构支持 WinCE、EPOC32、Linux Ø 指令缓存（CACHE）、数据缓存、写缓冲和物理地址 TAG RAM，减小了对主存储器带宽和性能的影响 Ø ARM920T CPU 核支持 ARM 调试的体系结构 Ø 内部先进的位控制器总线（AMBA）（AMBA2.0，AHB/APB）其中，S3C2410 的芯片结构图 1.3 所示：