基于ARM的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：本文簡單介紹了arm系列處理的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特性。針對目前應(yīng)廣泛的arm7，詳細(xì)介紹了相應(yīng)的軟件工具和硬件工具以及操作系統(tǒng)，并構(gòu)建了一個(gè)pda方案來說明其實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：arm soc pda

一、引言

作為soc（system on chip)的典型應(yīng)用，和持電話、機(jī)頂盒、數(shù)碼像機(jī)、gps、個(gè)為數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設(shè)備等產(chǎn)品的市場需求越來越大。目前，基于arm的處理器以其高速度、低功耗等諸多優(yōu)異的性能而成為上述各類產(chǎn)品中選用較多的處理器。

二、arm內(nèi)核

arm內(nèi)核分為arm7、arm9、arm10以及strongarm等幾類。其中每一類又根據(jù)其各自包含的功能模塊而分成多種構(gòu)成（見表1）

在arm內(nèi)核中有四個(gè)功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的不同要求來配置生產(chǎn)。這四個(gè)模塊分別用t、d、m和i來表示。

t：表示thumb，該內(nèi)核可從16位指令集擴(kuò)充到32位arm指令集。

d：表示debug，該內(nèi)核中放置了用于調(diào)試的結(jié)構(gòu)，通常它為一個(gè)邊界掃描鏈jtag，可使cpu進(jìn)入調(diào)試模式，從而可方便地進(jìn)行斷點(diǎn)設(shè)置、單步調(diào)試。

m：表示multiplier，是8位乘法器。

i：表示embeddedice logic,用于實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)觀測及變量觀測的邏輯電路部分，其中的tap控制器可接入到邊界掃描鏈。

arm7

arm7采用armv4t（newman)結(jié)構(gòu)，分為三級流水，空間統(tǒng)一的指令與數(shù)據(jù)cache，平均功耗為0.6mw/mhz，時(shí)鐘速度為66mhz，每條指令平均執(zhí)行1.9個(gè)時(shí)鐘周期。其中的arm710，arm720和arm740為內(nèi)帶cache的arm核。

arm9

arm9 采用armv4t（harvard)結(jié)構(gòu)，五級流水處理以及分離的cache結(jié)構(gòu)，平均功耗為0.7mw/mhz。時(shí)鐘速度為120mhz- 200mhz，每條指令平均執(zhí)行1.5個(gè)時(shí)鐘周期。與arm7系列相似，其中的arm920、arm940和arm9e為含cache的cpu核。性能為 132mips（120mhz時(shí)鐘，3.3v供）或220mips（200mhz時(shí)鐘）。

arm10

arm10采用armv5t結(jié)構(gòu)，六級流水處理，指令與數(shù)據(jù)分離的cache結(jié)構(gòu)。平均功耗為1000mw，時(shí)鐘速度為300mhz，每條指令平均執(zhí)行1.2個(gè)周期，其中arm1020為帶cache的版本。

arm10tdmi：與所有arm核在二進(jìn)制級代碼兼容，內(nèi)帶高速32x16mac，預(yù)留dsp協(xié)處理器接口。其中的vfp10（矢量浮點(diǎn)單元）為七級流水結(jié)構(gòu)。

arm1020t： arm10tdmi+32ki&d caches+mmu結(jié)構(gòu)，300mhz時(shí)鐘，功耗為1w（2.0v供電）或00mw（1.5v供電）。指令cache和數(shù)據(jù)cache分別為32k，寬度為64bits。能夠技術(shù)多種商用操作系統(tǒng)。適用于下一代高性能手持式因特網(wǎng)設(shè)備及數(shù)字式消費(fèi)類應(yīng)用。

strongarm

strongarm處理器采用armv4t的五級流水結(jié)構(gòu)。目前有sa110、sa1100以及sa1110等三個(gè)版本（見表2）。

三、arm7系列開發(fā)工具及開發(fā)環(huán)境

1.軟件開發(fā)工具

green hills tools：green hills的arm軟件工具包能夠支持arm6、arm7、arm7m、arm7tm、arm7tdmi、arm7500fe、arm8、arm9、 arm10以及strongarm等系列處理器。它由編譯器、交叉工具包、集成開發(fā)環(huán)境和調(diào)試接口等組成。

compiler：高優(yōu)化性能的c/c++編譯器。

cross tool chain：交叉開發(fā)工具。包括匯編器（assembler)、連接器（linker)、庫函數(shù)以及目標(biāo)代碼格式轉(zhuǎn)換器。

multi：集成開發(fā)環(huán)境。green hills的multi集成環(huán)境綜合了軟件開發(fā)和調(diào)試過程中要用到的各種工具，如源級調(diào)試器、工程管理器、版本控制器、文本編輯器、性能分析器、圖形瀏覽器。運(yùn)行出錯(cuò)檢測器、arm指令集仿真器以及底層調(diào)試接口等。用戶可方便地在multi環(huán)境中利用上述工具來開發(fā)應(yīng)用程序。

servers:底層調(diào)試接口。green hills的servers提供兩類調(diào)試接口供用戶選擇使用。一類用于angel監(jiān)控器、在線仿真器以及epi公司的jeeni jtafg仿真器等；另一類則用于商用操作系統(tǒng)及用戶自己編寫的操作系統(tǒng)。

asdt2.5：sdt2.5是arm公司提供的一大套由c編譯器、連接定位器、c語言調(diào)試器和angel監(jiān)控器組成的開發(fā)軟件包。由于價(jià)格比較適中而應(yīng)用比較廣泛。

2.硬件開發(fā)工具

arm 的硬件開發(fā)工具主要包括兩類仿真器，一是jtag仿真器，二是全功能在線仿真器。前者是利用arm處理器中的調(diào)試模塊的功能，通過其jtag邊界掃描口來與仿真器連接。這種方式的仿真器比較便宜，連接比較方便。但由于僅通過十幾條線來調(diào)試，因而功能有局限。目前arm處理器的jtag仿真器在市場上比較流行的是epi公司的jeeni和majic，著名的德國lauterbach公司有一款通用jtag/bdm/once仿真器trace32-icd也能夠很好的支持arm系列處理器。對于全功能在線仿真器來說，由于其信真頭完全取代目標(biāo)板上的cpu，因而功能非常強(qiáng)大。但這類仿真器為了能夠全速仿真時(shí)鐘速度高于100mhz的處理器，通常必須采用極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工藝，因而其價(jià)格比較昂貴。lauterbach公司的trace32-fire就是這類產(chǎn)品的佼佼者。

jeeni仿真器：這是一種價(jià)位較低的jtag仿真器。它能夠很好地與sdt2.5工具連接。用戶可使用其編譯器和調(diào)試界面。

majic仿真器：與jeeni相比，majic能夠通過100base-t以太網(wǎng)與主機(jī)相連，支持多處理器和低電壓i/o。

trace32 -icd：這是一種通用jtag/bdm/once仿真器，既能夠支持motorola系列的68k、coldfire、mpc5xx/8xx、 mpc82xx，又能夠通過更換模塊來支持arm7系列cpu.同時(shí)也能夠支持siemens的once方式，如tricore、c166等。另外， trace32-icd提供獨(dú)特的risc邏輯追蹤功能。

trace32fire：這是全功能ice，提供強(qiáng)大的調(diào)試和偵錯(cuò)功能。

四、支持arm7的rtos及其系統(tǒng)開發(fā)

目前在國內(nèi)，arm7的應(yīng)用較多，arm9、arm10的使用尚未開始。在引，我們以arm7的應(yīng)用來例來說明arm7系統(tǒng)的構(gòu)成及其os的應(yīng)用。

arm7處理的生產(chǎn)廠商很多，他們僅須向arm公司購買arm7核的license便可進(jìn)行生產(chǎn)。目前常用到的arm7芯片有tmel公司的at91m40400、cirrus logic公司的cl-ps7500fe/ep7211等、hyundai公司的gms30c7201、linkup公司的l7200、samsung公司的ks32c4100/50100等等。另外，ti公司、lsi logic、ns公司、nec公司以及philips公司也生產(chǎn)相應(yīng)的arm7芯片。雖然眾多的廠商提供多種瑾的處理器，但是除外部一些功能模塊外，它們的內(nèi)核是相同的，因而在軟件編程有調(diào)試上是相同的。

在多種商用rtos（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）中，nucleus plus實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是一種帶源代碼的os，目前非常流行。在國內(nèi)也擁有大量的實(shí)際應(yīng)用。nucleus是最早支持arm系列cpu的操作系統(tǒng)之一，它提供內(nèi)核、圖形界而模塊、通訊協(xié)議模塊、文件系統(tǒng)以及嵌入式網(wǎng)上瀏覽器等等完整的解決方案。國內(nèi)許多著名的公司均已選用nucleus在arm平臺上實(shí)現(xiàn)pda、stb、dvd、pos、gps、手機(jī)以及智能終端等。

五、基于arm7的pda方案

arm7系列芯片具有高速、低功耗、集成度高等特點(diǎn)，非常適合用于開發(fā)pda設(shè)備。在此介紹一個(gè)韓國現(xiàn)代電子提供的以gms30c7201芯片為核心的pda方案（見圖1）。

＊操作系統(tǒng)：nucleus plus

＊編譯器：arm sdt / green hill

＊仿真器：jenni / trace32-icd

在這一平臺上，我們選用ati公司的nucleus操作系統(tǒng)及相應(yīng)的文件系統(tǒng)、圖形軟件包、網(wǎng)絡(luò)模塊和瀏覽器來實(shí)現(xiàn)pda的各種功能。現(xiàn)在已經(jīng)完成了大部分的軟件移植工作：mucleus內(nèi)核、文件系統(tǒng)、圖形軟件包、tcp/ip網(wǎng)絡(luò)模塊（使用ppp拔號上網(wǎng)）以及各種片上設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、瀏覽器的移植也即將完成。