基于ARM核嵌入式微處理器的以太網(wǎng)應(yīng)用

1 引言

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)得到廣闊的發(fā)展空間，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，嵌入式技術(shù)的發(fā)展和普及更為引人注目，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制、通信類和消費(fèi)類產(chǎn)品發(fā)展的方向，在通信領(lǐng)域，眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如VOIP，WirelessLAN，ADSL等都包含有大量嵌入式技術(shù)的成份，廣播電視在向數(shù)字化的趨勢(shì)發(fā)展，DVB，DAB技術(shù)也逐漸在全面推廣起來(lái)，個(gè)人消費(fèi)類產(chǎn)品，如PDA、數(shù)碼ARM以太網(wǎng)應(yīng)用相機(jī)、MP3播放器等產(chǎn)品都離不開嵌入式技術(shù)的支持，嵌入式技術(shù)在ATM、可視電話、汽車的ABS等產(chǎn)品中也都有大量的應(yīng)用，此外，軍事領(lǐng)域之中也處處可見嵌入式技術(shù)的身影，如單兵信息終端，便攜式保密機(jī)，戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)等，可以說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘rm以太網(wǎng)應(yīng)用生活以至國(guó)家安全防御體系之中。

嵌入式技術(shù)發(fā)展的核心是嵌入式微控制芯片技術(shù)的ARM以太網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展，當(dāng)今微控制芯片功能變得越來(lái)越強(qiáng)，種類更為繁多，如MIPS，PowerPC，X86，ARM，PIC等，但這些嵌入式處理器受到價(jià)格以及兼容性等因素要求的限制，應(yīng)用狀況有所不同，MIPS和PowerPC處理器市場(chǎng)定位較高，對(duì)于成本敏感的應(yīng)用并不合適，而x86系列處理器要與8068、286、386等保持兼容性，使用相同的指令集，從而限制了CPU系統(tǒng)性能的提高，當(dāng)今嵌入式領(lǐng)域中使用ARM以太網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛的是基于ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器，其占據(jù)了80％以上的32位嵌入式處理器市場(chǎng)份額，從發(fā)展之初至今，ARM公司已經(jīng)推出ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10，SecurCore以及Intel的Strong ARM和Xscale等一系列的產(chǎn)品。這些不同版本的處理器內(nèi)核，雖一脈相承，但應(yīng)用背景ARM以太網(wǎng)應(yīng)用不同，例如，ARM7系列處理器針對(duì)功耗和陳本要求比較苛刻的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的；而arm9系列處理器主要應(yīng)用于下一代的無(wú)線設(shè)備；SecurCore則是專為安全設(shè)備而定制的［1］。

技術(shù)的發(fā)展要與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，才能體現(xiàn)出技術(shù)ARM以太網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)步的價(jià)值，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展正如日中天，基于ARM核嵌入式微處理器的以太網(wǎng)的嵌入式控制實(shí)現(xiàn)也正在國(guó)內(nèi)外如火如荼的展開，以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)操作、可靠傳輸、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等方面的卓越性能及其便于安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單、不受通信距離限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外很多arm以太網(wǎng)應(yīng)用監(jiān)控、控制領(lǐng)域的研究人員廣泛關(guān)注，并在實(shí)際應(yīng)用中展露出顯著的優(yōu)勢(shì)。

2 ARM處理器體系arm以太網(wǎng)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)

迄今為止，ARM體系一共定義了6個(gè)版本，版本號(hào)為1－6，從版本1到版本6，ARM體系的指令集功能不斷增強(qiáng)，同時(shí)，各版本中還有一些變種，這些變種定義了該版本指令集ARM以太網(wǎng)應(yīng)用中不同的功能。如支持Thumb指令集、支持長(zhǎng)乘法指令集、增量型DSP指令集、JAVA加速器、媒體功能擴(kuò)展指令等。這些變種的指令都是針對(duì)不同的應(yīng)用而產(chǎn)生的，ARM處理器系列中的各種處理器，由于采用的實(shí)現(xiàn)技術(shù)各不相同，性能差別很大，應(yīng)用的場(chǎng)合也有所不同，這必然引出應(yīng)用程序代碼的可重用性問題，例如：一段在SAMSUNG公司的ARM處理器上運(yùn)行良好的代碼，如果把處理器換成了ATMEL公司的ARM處理器，是否也可以穩(wěn)定可靠地ARM以太網(wǎng)應(yīng)用工作呢？答案就是只要處理器支持相同的arm體系版本，基于他們的應(yīng)用軟件將是兼容的。

ARM處理器目前包括下面幾個(gè)系列的處理器ARM以太網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)品：ARM7系列、ARM9系列，ARM9E系列、ARM10系列，SecurCore系列，Intel的Xscale和StrongARM，ARM9系列處理器是新近推出且性能比較穩(wěn)定的一個(gè)系列，包括ARM920T，ART922T，ARM940T三種類型，適用不同需求的市場(chǎng)，本課題所選用的S3C2410X嵌入式處理器就是以arm920T為核心的。

ARM9系列處理器主要特點(diǎn)如下：支持32位ARM指令集arm以太網(wǎng)應(yīng)用和16位Thumb指令集；5級(jí)流水線；單一的32位AMBA總線接口；MMU支持Windows CE。Palm OS，Symbian OS，Linux等，MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包括Vxworks；統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache［2］。

在arm存儲(chǔ)系統(tǒng)中，使用內(nèi)存管理單元（MMU）實(shí)現(xiàn)arm以太網(wǎng)應(yīng)用虛擬地址到實(shí)際物理地址的映射。利用MMU，可把SDRAM的地址完全映射到0x0起始的一片連續(xù)地址空間，而把原來(lái)占據(jù)這片空間的FLASH或者ROM映射到其他不相沖突的存儲(chǔ)空間位置。例如，F(xiàn)LASH的地址從0x0000 0000～0x00ff ffff，而SDRAM的地址范圍ARM以太網(wǎng)應(yīng)用是0x3000 0000～Ox3lff ffff，則可把SDRAM地址映射為0x0000 0000～Oxlfff ffff而FLASH的地址可以映射到Ox9000 0000～Ox90ff ffff（此處地址空間為空閑，未被占用）。映射完成后，如果處理器發(fā)生異常，假設(shè)依然為IRQ中斷，PC指針指向Oxl8處的地址，而這個(gè)時(shí)候PC實(shí)際上是從位于物理地址的Ox3000 0018處讀取指令。通過MMU的映射，則可實(shí)現(xiàn)程序完全運(yùn)行在SDRAM之中。在實(shí)際的應(yīng)用中．可能會(huì)把兩片不連續(xù)的物理地址空間分配給SDRAM。而在操作系統(tǒng)中，習(xí)慣于arm以太網(wǎng)應(yīng)用把SDRAM的空間連續(xù)起來(lái)，方便內(nèi)存管理，且應(yīng)用程序申請(qǐng)大塊的內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核也可方便地分配。通過MMU可實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的物理地址空間映射為連續(xù)的虛擬地址空間。操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些比較關(guān)鍵的代碼，一般是不希望被用戶應(yīng)用程序訪問。通過MMU可以控制地址空間的訪問權(quán)限，從而保護(hù)這些代碼不被破壞。