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罹白
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1 ARM 体系结构及基于 ARM 的嵌入式开发费浙平 ARM 中国议程 ARM 简介 ARM 在嵌入式产品中的应用 ARM 的体系结构嵌入式系统开发嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 2

2 知识产权公司 SOC 片上系统 begin if (!DBGENintD) CoreWrFlgNS = 2'b00; else 知识产权 IP + AMBA = ARM7TDMI Thumb OAK DSP 3 ARM 知识产权无处不在 4

M1 M1 M2 M2 M3 M3 High-speed 64-bit multi-layer architecture Bridge Bridge S1 S1 S2 S2 S3 S3 M4 M4 M5 M5 Arb iter Arb iter S3 S3 S4 S4 S5 S5 S6 S6 Lo wer sp eed, 32-b it, single- layer subsystem ARM

全球技术网络 130+ 半导体和系统合作伙伴 70+ 操作系统合作伙伴 35+ 技术共享合作伙伴 2002 年 ARM 在上海成立全资子公司 : 安谋咨询 ( 上海 ) 有限公司 http://www.arm.com/chinese Info-china@arm.

3 M1 M1 M2 M2 M3 M3 High-speed 64-bit multi-layer architecture Bridge Bridge S1 S1 S2 S2 S3 S3 M4 M4 M5 M5 Arb iter Arb iter S3 S3 S4 S4 S5 S5 S6 S6 Lo wer sp eed, 32-b it, single- layer subsystem ARM 近况世界上最大的半导体 IP 公司伦敦证交所 : ARM; 纳斯达克 : ARMHY 总部, 剑桥 ; 分部位于 8 个国家和地区 6 个研发中心, 740+ 员工引领 RISC 和嵌入式计算技术潮流 1991 年率先推出 RISC 内核授权 ARM 内核的设计给各大半导体公司 ARM 自己不生产芯片合作伙伴已付运 20 亿个 ARM 内核微处理器 2002 年贡献约 79% 市场份额全球技术网络 130+ 半导体和系统合作伙伴 70+ 操作系统合作伙伴 35+ 技术共享合作伙伴 2002 年 ARM 在上海成立全资子公司 : 安谋咨询 ( 上海 ) 有限公司 Info-china@arm.com 5 ARM Complete IP Portfolio 知识产权 : 产品规划和路线图 CPUs 从 ARMv4T 到 ARMv6 结构体系 ARM 系统级 IP 和设计方法 AMBA PrimeCell, MBX, Reference methodologies 软件 IP Media engines - Move, Swerve 3D 先进技术 Java, security, multiprocessor 软件开发工具 RealView - 开发工具和平台 AMB A Interconnect AMB A Intercon nect AMB A Interconnect AMB A Intercon nect 6

4 从IP到产品的各种授权大学 7 ARM Connected Community 50家 2 过长超数继续增中国公司员成 - 仍在越多的来 -越 8

5 成功的 ARM 中国合作伙伴项目中国无晶圆厂半导体公司中兴集成购买 ARM922T CPU 授权, 用于网络系统芯片上海华虹集成电路购买 ARM SC100 CPU 授权, 用于 Java 智能卡大唐购买 ARM946E CPU 授权, 用于 SCDMA 基带芯片上海复旦微电子购买 ARM7TDMI CPU 授权, 用于多媒体芯片上海杰得微电子购买 ARM926 CPU Prime Starter Kit 授权, 用于多媒体芯片晶原代工厂中芯国际 (0.18u, ARM7TDMI, ARM922T) 大学及政府机构东南大学 : ARM7TDMI 上海集成电路设计研究中心 (ICC): ARM7TDMI 上海交通大学 : ARM922T 北京工业大学 : ARM7TDMI 香港科技园 :ARM7TDMI ARM RealView 开发工具中国分销商香港科汇宏盛分部北京旋极 (ATC) ARM Approved Design Centre 众华 SoC 主要的中国原设备制造商 (OEM) 均支持 ARM 结构 RTOS 公司普天慧信, 科银京成北京凯思昊鹏中科红旗, 世纪科泰等应用上海汉峰等 9 ARM 大学计划大学计划的形式和内容 IP research license Tools and boards University bundle: Multi-ICE + ADS 硬件开发平台 :Integrator, Versatile 支持关于 ARM 的科研和教学培训资料 ( 实验课程 ) 在 ARM 网站上搜索 educational 与国内学校的合作 22 所大学与科研机构第一个 ARM 芯片已由东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心设计流片成功 10

6 大学计划内的主要产品用户硬件 ARM 内核开发板 11 ARM在嵌入式产品中的应用何谓嵌入式运用嵌入式控制指系统由输入/输出 I/O 中断嵌入式计算数据处理通话和数据传输等控制方案组成 12

7 嵌入式控制和计算机的芯片使用量比较 ( 个 ) 4,500 4,000 嵌入式产品拥有璀璨的明天 3,500 3,000 Millions of Units 2,500 2,000 1,500 1, PC/WS Embedded Source: Semico Research Corp MCU 销售量总计 $M $30,000 $25, 位产品的销额高于 8 位产品 $20,000 $15,000 $10,000 $5,000 $ Bit + 16-Bit 8-Bit 4-Bit Source: Semico Research Corp

8 不同体系结构的 CPU 在高端嵌入式控制 1,400 1,200 1, Millions of units ARM 68K MIPS SH-7XXX PowerPC 80X86 SPARC ST 嵌入式应用产品的开发应用软件调试应用软件开发 RealView Developer Suite + RealView ISS RealView Developer Suite RealView Developer Suite + 软件调试芯片 RealView ICE + RealView Trace 软件调试 - 模型 RealView Developer Suite + RealView ICE 初始化调试固件开发模型仿真 RealView Integrator Boards RealView Developer Suite + RealView Model Library RealView Developer Suite 16

9 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构结构特点 (ARM7 和 ARM9) 编程模型指令集嵌入式系统开发嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 17 What is ARM? 教育培训设计服务成功的产品应用先进的制造工艺可集成性庞大的开发者社区高效易用的指令集优秀的速度功耗特性大量的芯片供应强大的 EDA 工具支持长期的发展规划杰出的硬件架构开放的互连体系结构多方的开发工具和平台丰富的外围 IP 资源丰富的 OS 支持众多的应用软件资源 18

10 ARM 体系结构的演变发展 version V6 ARM1136J(F) V5TE V5TEJ ARM1020 XScale TM ARM1022E ARM9E ARM926EJ ARM1026EJ V4 V4T StrongARM ARM720T ARM7TDMI ARM920T time StrongARM, XScale 是英特尔持的有商标 19 ARM 架构 (Architecture) Architecture v4t v5te v5tej v6 特性集 THUMB TM DSP Jazelle TM Media 不断创新以提升性能 THUMB TM : 35% 代码压缩 DSP 扩充 : 定点 DSP 的高性能 Jazelle TM : Java 性能显著提高, 最高到 8 倍 Media 扩充 : 音频 / 视频性能显著提高, 最高到 4 倍向下兼容以保护软件投入 20

11 ARM processor s name ARM 926EJ-S Family number 7: ARM7 9: ARM9 10: ARM10 11: ARM11 Memory system 2: Cache, MMU, Process ID 4: Cache, MPU 6: Write buffer, no cache Memory size 0: Cache size (4-128KB) 2: Reduced cache size 6: TCM Synthesizable Extensions E: DSP extension J: Jazelle extension T: Thumb support ARM920T = ARM9 + Thumb + MMU + 16K/16K cache 21 Why Do We Need ARM Processors? Processors for Open Platforms Processors with MMU support for WinCE, Linux, Symbian and Palm-OS Wireless, Consumer, Imaging Processors for embedded real-time systems Storage, Automotive, Industrial, Networking Market Segments have Different Requirements Processors for secure applications SmartCard, SIM 22

12 ARM CPU Roadmap 0.13u Samsung ARM10 Application Processors Performance DMIPS XScale ARM1176JZF-S 480 ARM1136JF-S 440 ARM1156T2F-S ARM1026EJ-S 280 ARM926EJ-S ARM946E SC210 Secure ARM720T SC110 ARM7TDMI Embedded Control More about ARM7 and ARM9 24

13 ARM7TDMI Processor Core 冯诺依曼架构三级流水线快速中断响应性能指标 : 0.9 Dhrystone MIPs/MHz EmbeddedICE-RT 调试逻辑 No memory management No cache CPI = 1.9 世界上使用最广泛的 32 位嵌入式内核主要应用领域 : 个人音频设备手机和移动通信终端 Modems, xdsl, Cable Modems ATM and Ethernet 网络设备打印机数码相机 PDA 机顶盒 25 指令流水线 ARM7 内核使用 3 级流水线, 以提高指令流传递给处理器的速度使得某些操作达到并行处理的效果, 比单纯的串行处理要好 ARM Thumb PC PC FETCH 从存储器读取指令 PC - 4 PC-2 DECODE 译码 PC - 8 PC - 4 EXECUTE 读寄存器移位和算术逻辑运算写寄存器 PC 指向处于指令读取级的指令地址, 而不是处于执行级的指令地址 26

14 优秀的流水线结构 Cycle Operation ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSB Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Fetch Execute Decode Fetch Execute Decode Fetch 本例中 6 个时钟周期内一共完成了 6 条指令全部对寄存器进行操作 ( 单周期执行 ) 指令周期数 (CPI) = 1 27 流水线执行举例 :LDR Cycle Operation ADD SUB LDR MOV AND ORR Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Data Writeback Fetch Decode Execute Fetch Decode Fetch 本例中 6 个时钟周期内一共完成了 4 条指令指令周期数 (CPI) =

15 ARM9TDMI Harvard 架构提升了有效的存储器带宽指令存储器接口数据存储器接口同时访问指令和数据存储器 5 级流水线性能改进提升 CPI 至 ~1.5 提高时钟频率 29 ARM9TDMI 流水线 ARM7TDMI Instruction Fetch Thumb ARM decompress ARM decode Reg Select Reg Read Shift ALU Reg Write FETCH DECODE EXECUTE ARM9TDMI Instruction Fetch ARM or Thumb Inst Decode Reg Decode Reg Read Shift + ALU Memory Access Reg Write FETCH DECODE EXECUTE MEMORY WRITE 30

16 LDR 内部周期 1 Cycle Operation ADD R1, R1, R2 SUB R3, R4, R1 LDR R4, [R7] ORR R8, R3, R4 AND R6, R3, R1 EOR R3, R1, R2 F - Fetch F D - Decode D E F D E W F D E M F D I E F I D E F D W E - Execute I - Interlock W Write-back W W W E W M - Memory 本例中 7 个时钟周期完成 6 条指令 CPI 等于 1.2 Interlock: LDR 后面的指令马上要用到LDR 的结果寄存器导致插入一个内部周期 31 ARM926EJ Jazelle, DSP 增强的带cache和紧密偶合存储器的应用处理器 MMU Symbian, Linux, WinCE,Palm 指令和数据 caches 指令和数据 TCM 接口独立的指令和数据 AHB 总线 ETM MHz* on TSMC 0.13µm ARM9E适合于DSP/control 混合的各种应用无线平台 - PDA 和手机存储设备和侍服控制 - HDD & DVD 语音编解码 - 支持多种标准视频/音频解码网络应用 - G VoIP 汽车控制应用调制解调器 32

17 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构结构特点 (ARM7 和 ARM9) 编程模型指令集嵌入式系统开发嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 33 数据宽度和指令集 ARM 是 32 位的架构体系. 在 ARM 应用中约定 : Byte 指 8 位 Halfword 指 16 位 Word 指 32 位多数 ARM 内核支持两套指令集 32 位的 ARM 指令集 16 位的 Thumb 指令集包含 Jazelle 技术的内核还可以执行 Java 的 8 位指令 34

18 寄存器 ARM 一共有 37 个 32 位的寄存器 1 个 PC 寄存器 1 个 CPSR( 当前状态寄存器 ) 5 个 SPSR( 状态保存寄存器 ) 30 个通用寄存器当前的处理器模式决定了可以访问到的寄存器组. 以下是对所有模式都有的寄存器一组特定的 r0-r12 寄存器一个特定的 r13 ( 堆栈指针, sp) 和 r14 ( 连接寄存器, lr) PC 寄存器 r15 当前状态寄存器 cpsr 特权模式 (System 模式除外 ) 独有的特定的 spsr ( 状态保留寄存器 ) 35 处理器模式 ARM 一共有 7 种执行模式 : User: 非特权级模式, 多数应用程序使用的模式 FIQ: 进入快速中断响应时 IRQ: 进入一般中断响应时 Supervisor: 复位后的缺省模式, 或进入软件中断响应时 Abort: 遇到存储器访问出错时 Undef: 遇到未定义指令时 System: 特权级的 User 模式 36

19 寄存器组织 Current Visible Registers IRQ FIQ Abort User Undef SVC Mode r0 r1 r2 r3 r3 r4 r5 r6 r7 r7 r8 r9 r10 r11 r11 r12 r13 (sp) r14 (lr) r15 r15 (pc) (pc) cpsr spsr User FIQ IRQ SVC Undef Abort r8 r9 r10 r11 r12 r13 (sp) r14 (lr) r8 r9 r10 r11 r11 r12 r13 (sp) r14 (lr) spsr spsr Banked out Registers r13 (sp) r14 (lr) spsr spsr r13 (sp) r13 (sp) r13 r13 (sp) (sp) r14 (lr) r14 (lr) r14 r14 (lr) (lr) spsr spsr spsr spsr spsr 37 状态寄存器 31 N Z C V Q 条件标识位 N = 结果为负 Z = 结果为零 C = 进位 V = 溢出 Q 标识位 J 只在 5TE/J 系列中有效指示 sticky overflow 的发生 U n d e f i n e d 中断使能位 I = 1: 禁止 IRQ. F = 1: 禁止 FIQ. T 标识位 I F T f s x c mode 只在 xt 系列内核中有效 T = 0: 处理器处于 ARM 状态 T = 1: 处理器处于 Thumb 状态 J 标识位仅在 5TEJ 系列中有效 J = 1: 处理器处于 Jazelle 状态模式位指示当前处理器模式 38

20 PC 寄存器 (r15) 当处理器处于 ARM 状态时 : 所有指令都是 32 位长度所有指令存储必须 word 对齐 pc[31:2] 有效, [1:0] 未定义当处理器处于 Thumb 状态时 : 所有指令都是 16 位长度所有指令存储必须 halfword 对齐 pc[31:1] 位有效, 最低位未定义当处理器处于 Jazelle 状态时 : 所有指令都是 8 位长度处理器一次执行 1 个 word 的读取指令获得 4 条 Java 指令注意在指令中访问 PC 寄存器的值不是当前指令地址 39 Endian Configuration ARM 可以通过配置支持两种 endian r0 = 0x r1 = 0x100 STR r0, [r1] Byte Lane Memory R2 = 0x LDRB r2, [r1] R2 = 0x11 Little endian Big endian 40

21 Memory map 所有存储器外设寄存器输入 / 输出端口都是统一编址的必须有适当的启动 ROM/Flash 其他地址空间的分配没有任何限制 Registers 4 GB RAM ROM Boot ROM 0x 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构结构特点 (ARM7 和 ARM9) 编程模型指令集嵌入式系统开发嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 42

22 ARM 指令所有指令都是 32 位的指令能够条件执行使用 load / store 结构数据处理类指令 SUB r0,r1,#5 ADD r2,r3,r3,lsl #2 ANDS r4,r4,#0x20 ADDEQ r5,r5,r6 存储器访问指令 LDR r0,[r1],#4 STRNEB r2,[r3,r4] LDRSH r5,[r6,#8]! STMFD sp!,{r0,r2-r7,r10} 43 Thumb 指令 Thumb 是一套 16 位指令系统优化代码密度 : 对 C 代码的编译结果, 仅是 ARM 的 ~65% 在窄宽度数据总线存储情况下提高性能功能上是 ARM 指令的子集内核有两种执行状态 -ARM 和 Thumb, 使用 BX 指令进行切换在 Thumb 状态下 BX Rn 在 ARM 状态下 BX<condition> Rn BX ARM / Thumb 选择 0 - ARM 状态 1 - Thumb 状态目标地址 44

23 ARM 和 Thumb 性能比较 Dhrystone 2.1 / ARM Thumb 位 16 位 16 位 32 位 stack Memory width (zero wait state) 45 协处理器指令握手信号 ARM core Coprocessor X Coprocessor Y F D E F D E F D E 数据总线最多可定义 16 个协处理器扩展了 ARM 指令集 ARM 把协处理器作为内部功能块来使用, 不增加额外的存储器地址映射 ( 例如把 cp15 用作 cache 控制器 ) 46

SOFTWARE 88 (uses VFP if present) DYNAMIC CASE VFP HW SOFTWARE 5% SW 47 Quiz - GCD 求最大公约数充分使用条件执行的特点 Start AREA gcd, CODE ENTRY r0 = r1?

24 Jazelle 带 Jazelle 的 ARM 内核能够执行 8 位的 Java 代码 95% 的代码由硬件执行完成 ( 典型情况 ) 通常的 JVM: 1.0 Caffeinemarks/MHz ARM9EJ: 5.5 Caffeinemarks/MHz 显著的功耗节省 <12K 门的硬件增加 (ARM9EJ-S 比之 ARM9E-S) ARM JTEK (Java Technology Enabling Kit) 提供代码支持 HARDWARE 139 HARDWARE 95% STATIC CASE VFP HW SW SOFTWARE 88 (uses VFP if present) DYNAMIC CASE VFP HW SOFTWARE 5% SW 47 Quiz - GCD 求最大公约数充分使用条件执行的特点 Start AREA gcd, CODE ENTRY r0 = r1? Yes Stop start start stop MOV r0, r0, #9 #9 MOV r1, r1, #15 #15 ; your code here CMP r0, r1 SUBLT r1, r1, r0 SUBGT B stop r0, r0, r1 BNE END start Yes r0 = r0 - r1 No r0 > r1? No r1 = r1 - r0 stop B END stop 你只需要使用 CMP SUB B 指令充分使用条件执行 : LT GT EQ NE 48

25 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发系统设计开发过程 Semihosting 初始化过程异常处理 ARM/Thumb 交互工作代码优化嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 49 Memory remap ROM or RAM at 0x0? Peripherals RO ARM Memory Controller Reset Handler Heap RW & ZI Request address = 0x0 Real memory mapping? Stack Exception Handlers Vector Table 50

26 ROM or RAM at 0x0? 需要一个有效的指令在 0x0 0x18000 ROM at 0x0 ROM/RAM Remapping 0x18000 RAM ROM 0x x10000 Reset Handler 0x4000 0x4000 ROM 0x0000 Reset Handler Vectors Aliased RAM ROM 0x0000 Reset Handler Vectors 51 ROM/RAM 重定向 (remap solution 1) 0x x18000 ROM ROM 0x10000 Reset Handler Reset Handler Reset Handler 0x x4000 Aliased ROM 0x0000 Reset Handler Branch to real ROM Reset Handler Remove alias Vectors 0x4000 RAM 0x 复位时,ROM 通常定位到 0x0; 2. 跳转到实际的 ROM 地址 :0x0 -> 0x10004; 3. 这时, 把 0x0 的 ROM 替换为 RAM, 把中断向量表拷贝到 0 4. 关键是从 ROM 到 RAM 的数据转移 52

27 ROM/RAM 重定向 (remap solution 2) 0x xxxxxx RAM ROM 0x10000 Vectors Reset Handler 0xxxxxx Copy Remap 0x4000 0x4000 ROM 0x0000 Reset Handler Execute Reset Handler Execute Vectors RAM 0x 复位时,ROM 通常定位到 0x0; 2. 向 RAM 拷贝数据 ; 3. 执行 reamp, 把 RAM 放置到 0; 4. 关键是从 ROM 到 RAM 的数据转移和 remap 前后程序流程的衔接 53 存储器映射例子 0x x Flash 0x x bit RAM 0x x4000 Fast 32 bit RAM 0x0000 Peripherals RO Reset Handler Heap RW & ZI Stack Exception Handlers Vector Table 外设控制寄存器的地址映射直接在 FLASH 运行的代码大小 16 位 RAM 被用来保存数据和 HEAP 区一些需要快速响应的代码和数据可放在快速的 RAM 区 54

28 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发系统设计开发过程 Semihosting 初始化过程异常处理 ARM/Thumb 交互工作代码优化嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 55 嵌入式开发过程 hello world 移植 PC 软件独立的嵌入式应用 PC 软件开发移植测试产品发布当程序员开始开发一个基于 ARM 应用的时候, 你可以使用 ARM 的 ADS 编写类似于 HELLO WORLD 的程序, 使用 ARMulator 或者在评估板上来调试, 但当你把他移植到独立的嵌入式应用设备中时, 下面这些问题就成为我们首要考虑的 : 硬件环境中所使用的 C 库函数目标板上的存储器资源应用程序的初始化 56

29 默认的标准 C 库 ANSI C 应用程序调用的 C 库函数 eg: printf() C Library input/ output error handling stack & heap setup other 设备驱动层使用 semihosting SWI s eg: _sys_write() Debug Agent Semihosting Support 调试工具环境 C 库函数功能是支持 PC 软件的, 而目标板上的可执行软件则依赖相关的硬件资源 ; 在 ARM 体系中, 我们可以采用 semihosting 通过相应的驱动来进行调试 57 重定向 C 库函数 (1) 使用适合目标板硬件运行的驱动来替换标准 C 库函数中的设备驱动 Eg: printf( ) 可打印到 LCD 上, 而不是打印到调试器的控制台上 ANSI C ANSI C C Library input/ output Retarget input/ output User Code Debug Agent Semihosting Support Target Hardware 58

30 重定向 C 库函数 (2) 要重定向 C 库函数, 简单的办法是使用你自己的可执行代码代替原来使用 semihosting SWI 的库函数, 从而来满足你的系统要求比如说,printf() 系列函数 (sprintf() 除外 ) 都会调用 fputc() 在默认情况下 fputc() 的执行使用了 semihosting SWI 可以用下面的函数来代替 : extern void sendchar(char *ch); int fputc(int ch, FILE *f) { /* e.g. write a character to an LCD */ char tempch = ch; sendchar(&tempch); return ch; } printf() fput() _sys_wite() 输出设备其他函数其他函数 59 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发系统设计开发过程 Semihosting 初始化过程异常处理 ARM/Thumb 交互工作代码优化嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 60

31 Semihosting Application Code : printf( hello\n ); : Library Code : SWI : SWI Handler Communication with debugger running on host 代码在目标 ARM 上运行, 但是底层的 I/O 由主机提供通过 SWI 机制实现对主机的访问 SWI 接口可以通过 ARMulator, Angel 或 Multi-ICE Semihosted 程序可以在所有的目标 ARM 上运行而不需要移植使用着这项功能需要调试工具正确连接 hello 61 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发系统设计开发过程 Semihosting 初始化过程异常处理 ARM/Thumb 交互工作代码优化嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 62

32 初始化内容中断向量表 (vector table) 始终在 0 地址处开始, 保证在 remap 前后都存在初始化存储器系统 Memory access interface: type, timing, etc. 初始化堆栈为指定的模式分别设置 SP, 注意模式改变次序初始化有特殊要求的端口设备初始化应用程序执行环境全局变量区, 动态存储器分配区改变处理器模式包括中断使能控制呼叫应用程序跳转至主函数入口部分次序可调整 63 中断向量表 AREA Vectors, CODE, READONLY IMPORT Reset_Handler ; import other exception handlers ENTRY B Reset_Handler B Undefined_Handler B SWI_Handler B Prefetch_Handler B Data_Handler B. ; Reserved vector B IRQ_Handler B FIQ_Handler END 0x1C B 0x18 B 中断处理函数 FIQ_Handler() IRQ_Handler() 0x14 (Reserved) 0x10 B DataAbt_Handler() 使用时需要定位在 0X00 或 0xFFFF0000 0x0C 0x08 0x04 B B B PreAbt_Handler() SWI_Handler() Undef_Handler() 0x00 B Reset_Handler() 64

33 堆栈初始化通过转变处理器模式, 设置对应的 SP 寄存器 MRS R0, CPSR ; CPSR -> R0 BIC R0, R0, #MODEMASK ; 安全起见, 屏蔽模式位以外的其它位 ORR R1, R0, #IRQMODE ; 把设置模式位设置成需要的模式 MSR CPSR_cxsf, R1 ; 转到 IRQ 模式 LDR SP, =UndefStack ; 设置 SP_irq ORR R1,R0,#FIQMODE MSR CPSR_cxsf, R1 ; FIQMode LDR SP, =FIQStack ORR R1, R0, #SVCMODE MSR CPSR_cxsf, R1 ; SVCMode LDR SP, =SVCStack Note: 不要进入 User 模式! UndefStack FIQStack SVCStack Supervisor 多种特权模式变化进入用户程序运行模式 65 应用环境初始化 Flash RAM Image$$RW$$Base RW RO ZI RW RO Image$$ZI$$Limit Image$$ZI$$Base Image$$RW$$Base 通过 main( ) 进行通过访问连接器输出的符号进行 Image$$RO$$Limit Image$$RW$$Base Image$$ZI$$Base Image$$ZI$$Limit 66

34 初始化步骤 C Library main copy code and data zero uninitialized data User Code reset handler initialize stack pointers configure MMU/MPU setup cache/enable TCM Image Entry Point rt_entry initialize library functions call top-level constructors (C++) Exit from application user_initial_stackheap( ) set up stack & heap $Sub$$main( ) enable caches & interrupts main( ) tells linker to link in library initialization code 67 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发系统设计开发过程 Semihosting 初始化过程异常处理 ARM/Thumb 交互工作代码优化嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 68

35 异常优先级异常在当前指令执行完成之后才被响应多个异常可以在同一时间产生异常指定了优先级和固定的服务顺序 : Reset Data Abort FIQ IRQ Prefetch Abort SWI Undefined instruction 69 异常处理异常处理当异常产生时, ARM core: 拷贝 CPSR 到 SPSR_<mode> 设置适当的 CPSR 位 : 改变处理器状态进入 ARM 状态改变处理器模式进入相应的异常模式设置中断禁止位禁止相应中断保存返回地址到 LR_<mode> 设置 PC 到相应的异常向量返回时, 异常处理需要 : 从 SPSR_<mode> 恢复 CPSR 从 LR_<mode> 恢复 PC 这些操作只能在 ARM 态执行. 0x1C 0x18 0x14 0x10 0x0C 0x08 0x04 0x00 FIQ IRQ (Reserved) Data Abort Prefetch Abort Software Interrupt Undefined Instruction Reset Vector Table Vector table can be at 0xFFFF0000 on ARM720T and on ARM9/10 family devices 70

36 异常返回指令异常返回 : 使用一数据处理指令 : 相应的指令取决于什么样的异常带 S 位把 PC 作为目标寄存器在特权模式下, 这些操作不仅更新 PC, 而且拷贝 SPSR 到 CPSR 从 SWI 和 Undef 异常返回 MOVS pc,lr 从 FIQ, IRQ 和预取异常 (Prefect Abort) 返回 SUBS pc,lr,#4 从数据异常 (Data Abort) 返回 SUBS pc,lr,#8 如果 LR 之前被压栈的话使用 LDM ^ LDMFD sp!,{pc}^ 71 ARM or Thumb? Thumb / ARM 混合应用程序 FIQ IRQ (Reserved) Data Abort Prefetch Abort Software Interrupt Undefined Instruction Reset ARM Code ARM Code Thumb Code 72

37 中断分支处理 ARM 有两级外部中断 FIQ,IRQ. 可是大多数的基于 ARM 的系统有 >2 个的中断源因此需要一个中断控制器 ( 通常是地址映射的 ) 来控制中断是怎样传递给 ARM 的在许多系统中, 一些中断的优先级比其它中断的优先级高, 他们要抢先正在处理的低优先级中断 Note: 通常中断处理程序总是应该包含清除中断源的代码 nirq ARM 读控制器寄存器并找到 IRQ/FIQ 中断源多种外设中断源地址映射中断控制器 nfiq ARM ARM 写外设寄存器清相应中断源 73 FIQ vs IRQ FIQ 和 IRQ 提供了非常基本的优先级级别在下边两种情况下,FIQs 有高于 IRQs 的优先级 : 当多个中断产生时,FIQ 高于 IRQ. 处理 FIQ 时禁止 IRQs. IRQs 将不会被响应直到 FIQ 处理完成. FIQs 的设计使中断处理尽可能地快. FIQ 向量位于中断向量表的最末. 为了使中断处理程序可从中断向量处连续执行 FIQ 模式有 5 个额外的私有寄存器 (r8-r12) 中断处理必须保护其使用的非私有寄存器可以有多个 FIQ 中断源, 但是考虑到系统性能应避免嵌套 74

38 C 语言简单中断处理程序在 C 中可以在函数定义时使用关键词 irq 来写一个简单的中断处理程序. 这将导致 : 函数所有用到的寄存器被保护如果可能, 任何远程调用所使用的其他寄存器也被保护函数退出使用正确的返回指令 ( 修正 pc = lr-4 并从 spsr 恢复 cpsr) irq 仅仅可在 armcc 中使用. 可是被 irq 函数调用的子程序可以用 tcc 编译. 确保 IRQ 的堆栈指针已经设置! 75 C 中断处理示例 irq void IRQHandler (void) { volatile unsigned int *source = (unsigned int *)0x ; if (*source == 1) // which interrupt was it int_handler_1(); // process the interrupt // insert checks for other interrupt sources here *(source+1) = 0; // clear the interrupt } Output without irq Output with irq STMFD sp!,{r4,lr} STMFD sp!,{r0-r4,r12,lr} MOV r4,#0x MOV r4,#0x LDR r0,[r4,#0] LDR r0,[r4,#0] CMP r0,#1 CMP r0,#1 BLEQ int_handler_1 BLEQ int_handler_1 MOV r0,#0 MOV r0,#0 dfg STR r0,[r4,#4] STR r0,[r4,#4] LDMFD sp!,{r4,pc} LDMFD sp!,{r0-r4,r12,lr} SUBS pc,lr,#4 76

39 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发系统设计开发过程 Semihosting 初始化过程异常处理 ARM/Thumb 交互工作代码优化嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 77 交互需求 Thumb 的代码密度和在窄存储器上性能, 使得它用在很多有大量 C 代码的系统上比较理想然而在很多应用中还是需要在 ARM/Thumb 两种状态之间切换 : 在宽的存储器上 ARM 代码能提供很好的性能在一个应用中, 速度是关键的部分用 ARM 代码实现是不错的选择一些函数只能用 ARM 指令实现, e.g. 存取 CPSR ( 使能 / 禁止中断和状态的改变 ) 协处理器操作异常处理异常处理时自动进入 ARM 状态, 但系统要求主程序用 Thumb 代码实现自动从 ARM 状态启动独立的 Thumb 程序也需要一个 ARM 的汇编程序头来切换, 并调用 Thumb 程序 78

40 交互指令交互的实现采用跳转交换指令 (BX) 在 Thumb 状态 BX Rn 在 ARM 状态 ( 支持 Thumb 的内核 ) BX< 条件 > Rn 不能通过改变 CPSR 的 T-bit 来实现交互这将通过拷贝 Rn 到 PC 来实现在 4GB 空间内的一个绝对跳转其中 Rn 的 Bit-0 表明切换到何种状态 0: 目标状态 ARM Rn 目的地址 1: 目标状态 Thumb BX ARM / Thumb 选择位 PC 79 交互子程序任何包含使用交互调用函数的 C 模块的编译必须使用 -apcs /interwork 命令行选项编译器将使用 BX 实现函数返回来替代 MOV PC,LR 连接器生成一小段代码 ( veneers ) 来完成状态切换当发现交互调用时自动加入目标文件使用 armlink -info veneers 可以看到加入的 veneers 的大小 func1 : BL : : BX 连接程序生成 veneer func2 : BX (compiled for interworking) 80

41 交互调用最好使用交互选项 build 所有的程序非交互的 Thumb 代码不可调用非交互的 ARM 代码允许 Thumb-Thumb 调用允许非交互的调用交互的允许 ARM-ARM 调用交互的 Thumb 代码允许 ARM/Thumb 调用交互的 ARM 代码 81 Architecture v5t Interworking ARM v5t 架构增加了对交互工作的支持消除了对 veneers 的需求兼容 ARM V4T 架构的代码改进内容包括新的 BLX 指令修正了加载 PC 的动作 82

42 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发系统设计开发过程 Semihosting 初始化过程异常处理 ARM/Thumb 交互工作代码优化嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 83 变量类型全局和静态变量保留在 RAM 里需使用 loads/stores 访问外部存储器局部变量通常放在寄存器中, 用来快速且高效的处理如果编译器的寄存器分配算法认为超过现有的寄存器数量, 将把变量压入堆栈中 int f(void); int g(void); int errs; // f() 和 g() 不访问全局变量 errs // 全局变量 void test1(void) { errs += f(); errs += g(); } void test2(void) { int localerrs = errs; localerrs += f(); localerrs += g(); errs = localerrs; } // 定义冗余的局部变量 84

43 变量大小对局部变量, 用 word-sized (int) 代替 halfword 和 byte 避免使用额外的移位操作, 确保 32 位的数据正确出现在寄存器里 int wordsize(int a) wordsize { 0x : MOV r0,r0,lsl #1 return (a*2); 0x : MOV pc,lr } short halfsize(short b) halfsize { 0x : MOV r0,r0,lsl #17 return (b*2); 0x00000c : MOV r0,r0,asr #16 } 0x : MOV pc,lr char bytesize(char c) bytesize { 0x : MOV r0,r0,lsl #25 return (c*2); 0x : MOV r0,r0,lsr #24 } 0x00001c : MOV pc,lr 85 参数传递开始四个字长度的参数直接使用寄存器的 R0-R3 来传递 ( 快速且高效 ) 更多的信息可参看 ATPCS 如果需要更多的参数, 将使用堆栈 ( 需要额外的指令和慢速的存储器操作 ) 所以通常限制参数的个数, 使它为 4 或更少如果不可避免, 把常用的参数放在前 4 个 extern void strcopy(char *d, const char *s); int main(void) { const char *src = Source ; char dest[10];... strcopy(dest, src);... } AREA StrCopy, CODE, READONLY EXPORT strcopy strcopy LDRB R2, [R1], #1 STRB R2, [R0], #1 CMP R2, #0 BNE strcopy MOV PC, LR END 86

44 循环条件设置在循环条件设置中, 用减到 0 代替加到某个值由 SUBS 指令代替了 ADD/CMP 指令对比如, 用 for (loop = total; loop!= 0; loop--) 来代替 for (loop = 1; loop <= total; loop++) 循环值只在开始时使用一次代码要小, 且使用更少的寄存器 int fact1(int limit) { for (i = 1; i <= limit; i++) { fact = fact * i; } } int fact2(int limit) { for (i = limit; i!= 0; i--) { fact = fact * i; } } fact1 0x000010: MUL R2,R1,R2 0x000014: ADD R1,R1,#1 0x000018: CMP R1,R0 0x00001c: BLE 0x10 0x : MOV PC, LR fact2 0x000010: MUL R0,R1,R0 0x000014: SUBS R1,R1,#1 0x000018: BNE 0x10 87 指针的对齐必须非常小心指针的对齐可能导致程序的失败 #include <string.h> int *a = (int *)0x1000; int *b = (int *)0x2000; char *c = (char *)0x3001; packed int *d; void foo (void) { memcpy (b,a,12); memcpy (c,a,12); b = (int *)c; memcpy (b,a,12); d = ( packed int *)c; memcpy ((void *)d,a,12); } STMFD LDR LDR LDR LDMIA STMIA LDR LDR MOV BL LDR STR LDR LDMIA STMIA LDR LDR MOV STR LDR BL LDMFD r13!,{r4,r14} r4,0x58 r1,[r4,#0] r0,[r4,#4] r1,{r2,r3,r12} r0,{r2,r3,r12} r0,[r4,#8] r1,[r4,#0] r2,#0xc rt_memcpy r0,[r4,#8] r0,[r4,#4] r1,[r4,#0] r1,{r2,r3,r12} r0,{r2,r3,r12} r0,[r4,#8] r1,0x5c r2,#0xc r0,[r1,#0] r1,[r4,#0] rt_memcpy r13!,{r4,pc} memcpy inline d memcpy called memcpy inline d unsafely memcpy called safely 88

45 基地址指针的优化 extern int a; extern int b; void foo (int x, int y) { a = x; b = y; } a 和 b 在模块外部定义 LDR r2, [pc,#12] STR r0, [r2,#0] LDR r3, [pc,#8] STR r1, [r3,#0] MOV pc, lr DCD address of a DCD address of b b a int a; int b; void foo (int x, int y) { a = x; b = y; } a 和 b 在模块内部定义 LDR r2, [pc,#8] STR r0, [r2,#0] STR r1, [r2,#4] MOV pc, lr DCD base address of a and b 注意 : 在用 -o0 时无效 89 外部全局变量变量访问 : 地址的产生 data.c code.c Assembler output int a; int b; extern int a; extern int b; int main(void) { return a+b; } main LDR r0,0x000080c ac LDR r1,0x000080c b0 LDR r0,[r0,#0] b4 LDR r1,[r1,#0] b8 ADD r0,r0,r bc MOV pc,lr c0 DCD 0x000083d c4 DCD 0x000083d8 struct data { int a; int b; }mystruct; extern struct data mystruct; int main(void) { return mystruct.a+mystruct.b; } main LDR r0,0x000080bc ac LDR r1,[r0,#0] b0 LDR r0,[r0,#4] b4 ADD r0,r1,r b8 MOV pc,lr bc DCD 0x000083cc 90

Cycles 例子输出 (ARM940T) AMBA (ASB) 只有地址周期 91 关于代码优化代码优化涉及编程风格算法

46 性能分析例子输出 (ARM7TDMI) Reference Point(s) Number of instructions Core Cycles Seq Cycles Non-Seq Cycles Internal Cycles Copro Cycles Total Cycles 例子输出 (ARM940T) AMBA (ASB) 只有地址周期 91 关于代码优化代码优化涉及编程风格算法针对特定平台的优化等等主要目的是提高执行效率减少存储器开销减小功耗 ARM 网站在线文档提供高效程序的开发指南但是, 对于代码优化最最重要的因素, 是 : 选择一个好的编译工具 92

47 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发嵌入式系统调试问题与挑战解决方案 ADS 使用介绍 Q & A 93 问题没有外部可见的片上 ASIC 总线 ARM External Bus Interface RAM ROM ICE 版本必须在全速系统速度下运行随着处理器速度的增加,ICE 越来越难. 每一个芯片同时必须提供 ICE 工具 Internal Memory Serial Ports Display Control Timer 实时跟踪需要确定的带宽接口需要地址总线, 数据总线和控制信号对于 ARM7TDMI, 有 80 多个引脚很多 ASICs 使用相同的处理器核 ICE 必须为每一个 ASIC 定做?? 94

48 基本的调试需求运行控制设置数据访问断点设置指令断点代码的单步执行异常捕捉状态控制处理器状态读写寄存器值系统状态系统内存访问下载代码执行历史执行跟踪信息内存访问历史 95 更高的调试要求更复杂的系统, 带来更多的调试问题! 多内核调试 DSP awareness OS awareness Sys Cntrl Timer W Dog ARM7TDMI Version 5 GPIO UART GPIO SCI RTC SSP ARM926 Caches TCMs Challengeable!! Multi-Layer AHB CLCD Version 7 DSP Version 4.NET DMAC SMC 96

RealView ICE JTAG Port ARM CPU Macrocell Execution Unit BREAKPT

49 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发嵌入式系统调试问题与挑战解决方案 ADS 使用介绍 Q & A 97 RealView 实时调试解决方案 SoC RealView Debugger RealView Trace RealView ICE JTAG Port ARM CPU Macrocell Execution Unit BREAKPT TAP EmbeddedICE Control Address Data ETM Trace Port Memory RMTarget 98

调试系统架构 ELF / DWARF2 image Host running debugger

running within debugger Debug monitor running on

toolchain ARM SDT ADS, Multi-ICE, Multi-Trace

50 调试系统架构 ELF / DWARF2 image Host running debugger Angel ARMulator Emulator Instruction Set Simulator running within debugger Debug monitor running on target board On-chip debug extensions 99 ARM toolchain ARM SDT ADS, Multi-ICE, Multi-Trace RealView Developer Suite, RealView-ICE, RealView-Trace 第三方工具 GNU GCC, GDB 100

51 议程 ARM 简介 ARM 的体系结构嵌入式系统开发嵌入式系统调试 ADS 使用介绍 Q & A 101 ADS 的组件 ARM Developer Suite v1.2 Project manager: CodeWarrior Debugger: AXD Compilation tools: armcc, tcc, armlink ISS: ARMulator Online documents (DynaText,PDF) 安装及申请 license 从 ARM 申请光盘从 ARM 得到一个序列号从 license.arm.com 申请 license Register Longin Serial number and hostid Node Locked; 有效期 6 个月 102

52 工程管理及编译 IDE:CodeWarrior Makefile BAT file 编译选项设置编译连接 103 编译设置等效的命令行设置 104

53 编译输出 105 选择调试目标 ARMulator Multi-ICE 106

54 AXD 调试界面 File tree Source line Memory Register Variable 107 学习资源学校 ARM 大学计划在线资源邮件组, 讨论组,BBS 培训 ATC: 旋极第三方培训参考书研讨会, 展览国内众多的设计培训服务提供公司 108

55 众多的中文版 ARM 图书 109

ARM JTAG实时仿真器安装使用指南

ARM JTAG实时仿真器安装使用指南 ARM JTAG Version 1.31 2003. 11. 12 ARM JTAG ARM JTAG.3 ARM 2.1.4 2.2.4 ARM JTAG 3.1 18 3.2 18 3.2.1 Multi-ICE Server.18 3.2.2 ADS..21 ARM JTAG 4.1 Multi-ICE Server 33 4.1.1 Multi-ICE Server..... 33 4.1.2