嵌入式linux核心课程 1.ARM裸机全集 1.1.ARM裸机第一部分-ARM那些你得知道的事儿

1.1.ARM裸机第一部分-ARM那些你得知道的事儿

1.1.1. ARM的成长史

ARM发展的里程碑1

1. ARM的前身为艾康电脑（Acorn），于1978年，于英国剑桥创立。
2. 在1980年代晚期，苹果电脑开始与艾康电脑合作开发新版的ARM核心。
3. 1985年开发出全球第一款商用RISC处理器，即ARM1.
4. 1990年艾康电脑财务危机，受苹果和VLSI的投资，分割出独立子公司Advanced RISC Machines (ARM) ，ARM公司正式成立面世。

ARM发展的里程碑2

• 1991年，ARM推出第一款嵌入式RISC处理器，即ARM6
• 1993年，发布ARM7
• 1997年，发布ARM9TDMI
• 1999年，发布ARM9E
• 2001年，发布ARMv6架构
• 2002年，发布ARM11微架构
• 2004年，发布ARMv7架构的Cortex系列处理器，同时推出Cortex-M3
• 2005年，发布Cortex-A8处理器
• 2007年，发布Cortex-M1和Cortex-A9
• 2009年，实现Cortex-A9、发布Cortex-M0
• 2010年，推出Cortex-M4、成立Linaro，推出Cortex-A15 MPcore高性能处理器
• 2011年，推出Cortex-A7，ARMv8发布
• 2012年，开始64位处理器进程
  ·······

1.1.2.ARM的商业模式和生态系统

ARM之前的半导体圈
Intel、AMD、Motorola、Zilog、VIA等自己设计IC、自己生产芯片、自己销售。
ARM的商业模式

• ARM只负责设计IC，并且出卖自己的设计IP（版权）。
• ARM自己不生产芯片，而是把设计IP授权给其他半导体厂商来生产芯片。
• 严格地说，ARM并不是一家半导体厂商。

1.1.3.为什么选三星CPU

为什么选择三星的CPU学习？

• 本身使用广泛、有很好的企业应用基础
• 资料多、积累好，便于学习
• 开发板和方案商多，软硬件平台好找
• 体系很典型，适合用来学习

三星主要的ARM CPU有哪些？

• ARM7 44B0
• ARM9 2440 2410 2416
• ARM11 6410
• A8 S5PV210 S5PC100
• A9 4412 4418

1.1.4.搞清楚ARM各种版本号

ARM的型号命名问题

• ARM7和ARMv7不是一回事
• Cortex-A9比Cortex-A7更先出来
• 型号很乱，初学者分不清哪个是哪个，比较迷茫。

ARM的几种版本号

1. ARM内核版本号 ARMv7(v，代表Version)
2. ARM SoC版本号 Cortex-A8
3. 芯片型号 S5PV210

ARM型号的发展历程

注意

• ARM内核版本号和SoC版本号是由ARM确定的，而SoC型号是由半导体公司确定的。
• Cortex系列后ARM产品线分割成3个系列，这个是市场细分的需要和选择。
• ARM已经发布了一些64位架构如A53等，主要面向高性能服务器类应用。
• ARM下一步重点发展方向是Cortex-M7，特点是低功耗，主要面向物联网终端。

1.1.5.SoC和CPU的区别&外设概念的引入

SoC和CPU

• SoC = System on Chip
• 芯片的发展方向：从CPU到SoC
• 现在已经没有纯粹的CPU了，都是SoC
• ARM出卖的内核其实就是CPU（当然还需要总线），各种外设是半导体厂商自己添加的。

外设（Peripheral）

• 外设就是外部
• SoC中外设大部分都跑进去了
• 网卡、音频编解码等个别还经常在外面
• 芯片设计的趋势是更大集成度，近年甚至将音视频编解码、DDR都集成进SoC内做成所谓单芯片解决方案。如海思Hi3518E
• 裸机学习其实就是学习SoC的内核（CPU，表现为汇编指令集）和各种外设（如串口）

1.1.6.主流学习型主芯片介绍

三星

• S3C44B0
• S3C2440、S3C2410
• S3C6410
• S5PV210
• Exynos4412 S5P4418

其他半导体厂商

• Freescale i.MX5系列
• TI Omap系列
• Qualcomm 骁龙系列
• 全志科技A10 A20 A31 A33等
• 行业专用型SoC如华为海思HI3518系列

本课程的平台

• SoC：三星S5PV210
• 开发板：九鼎科技X210
• 裸机实验方法：USB启动下载+SD卡启动
• bootloader支持：uboot、xboot
• 操作系统支持：linux2.6.35、linux3.0.8、android2.3、android4.0.4

1.1.8.嵌入式和单片机的区别

芯片平台

• 主流的单片机平台：51、PIC、STM32、AVR、MSP430等
• 主流的嵌入式平台：ARM、PPC、MIPS

资源、价格、应用领域

• 单片机片上资源有限、价格低、应用领域多为小家电、终端设备等。
• 嵌入式系统片上资源丰富、价格较高、应用领域宽广，譬如智能手机、平板电脑、游戏机、路由器、摄像机、智能电视机、广告机、智能手表、收银机等。

开发模式

• 单片机开发多为裸机，程序规模小，多为单个程序员独立开发。有些复杂产品也会使用高端单片机如STM32之类，并使用RTOS（uCOS、freeRTOS等）。
• 嵌入式开发几乎全部基于嵌入式操作系统，目前使用最多的是linux和Android。

技术特征1
编程语言方面：

• 单片机主要使用C语言（少量用汇编），和标准C略有不同，很少使用结构体、函数指针等C语言高级特性。
• 嵌入式开发较复杂，一般分底层和应用层。底层使用C语言，应用层使用C、C++、Java等语言均有。嵌入式C语言对结构体、数据结构、算法、函数指针（用来实现面向对象）等高级特性使用比较多。

技术特征2

• 软硬件组件方面：单片机多涉及一些简单外设，譬如串口、I2C、ADC、LCD（小屏幕和分辨率）
• 嵌入式系统则涉及更多复杂外设，譬如网络（有线网卡、wifi、蓝牙等）、USB、音视频编解码等。

1.1.9.嵌入式学习和编程语言、英语水平的关系

嵌入式和编程语言

• 嵌入式开发主要使用C语言
• 辅助为汇编语言
• 中间层开发用C++多一些
• 应用层开发用C++、Java、python、tcl/tk、perl等，太多了···

嵌入式学习和英语

• 首先，编程都是用英语写
• 关键的就是关键字
• 看数据手册可以借助桌面词典

嵌入式学习和数电模电

• 嵌入式分嵌入式软件和嵌入式硬件两部分
• 嵌入式软件主要还是软件，硬件辅助
• 数电模电会有帮助，但不是必须

1.1.10.嵌入式系统的构成特点和演进方向

嵌入式系统的特点

• 专用、软硬件可裁剪可配置
• 低功耗、高可靠性、高稳定性
• 软件代码短小精悍
• 代码可固化
• 实时性
• 弱交互性
• 专用开发工具及开发环境
• 专业开发人员

嵌入式系统的组成
硬件：

• 微处理器
• 存储器
• I/O接口、输入输出设备等等

软件：

• 嵌入式操作系统
• BSP board support package板级支持包
• 应用软件

1.1.11.何为交叉编译

两种开发模式

• 非嵌入式开发，A(类)机编写（源代码）、编译得到可执行程序，发布给A(类)机运行。
• 嵌入式开发，A(类)机编写（源代码）、编译得到可执行程序，发布给B(类)机运行。

为何使用交叉编译

• 嵌入式开发的CPU比较简单，本身无法搭建开发环境，有些甚至操作系统都没有。
• 交叉编译可以用高性能机器为低性能机器开发软件（包括裸机软件、系统级和应用级软件）

交叉编译有什么特点

• 必须使用专用的交叉编译工具链。
• 由于可执行程序不能本地运行调试，因此必须配合一定手段（专用调试器、JTAG调试器、USB下载、串口下载、SD启动、网络共享等）将可执行程序加载到目标嵌入式设备上运行及调试。

1.1.12.CPU的设计原理、数据总线和地址总线

CPU和总线示意图

地址总线和数据总线

• CPU通过地址总线寻址，然后通过数据总线与外部设备互换信息。
• 地址总线的位数决定CPU寻址范围；数据总线的位数决定CPU单次通信能交换的信息数量； 总线的速度决定CPU和外设互换信息的速度。

注意

• CPU的地址总线位数和数据总线可以不同（典型代表就是51单片机），但是一般都相同。
• CPU的位数指的是数据总线的位数。
• 32位CPU寻址的范围是4G，所以最多支持4G内存； 数据总线是32位的，所以内存是32位的好，所以编程最好用int···

1.1.13.为何需要Jlink、SD卡等辅助设备

嵌入式开发特点

• 交叉编译，不便于本机运行调试程序。
• 嵌入式系统需要bootloader来启动，而bootloader必须首先存在于可启动介质中，这个过程需要专用工具。
• 嵌入式系统无法通过纯软件实现单步调试，因此必须借助专用的调试器。

Jlink的作用

• 下载可执行程序到目标机。
• 在目标机上实现单步调试，便于开发bootloader。

SD卡的作用
作为启动介质。工作方式是：事先用读卡器将SD卡连接到开发机（一般是Windows电脑），通过写卡软件将交叉编译得到的可执行程序镜像烧录到SD卡，然后将SD卡插入 嵌入式目标机卡槽，设置正确的启动方式启动，则系统可以从SD卡中烧录的镜像处启动。

USB转串口线的作用

• 串口本身用来做嵌入式目标机的调试输出，主要目的是用来监视及调试软件。
• 因为现在大部分个人电脑（大部分台式机和几乎全部的笔记本电脑）都未配置DB9串口，因此工作中一般直接使用USB转串口线来连接PC和开发板。

其他开发辅助工具

• USB OTG线
• DB9串口线
• 交叉网线

注：文章来源于《朱老师物联网大讲堂-----嵌入式linux核心课程》
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