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基于a r m 的s d s m 操作系统存储管理技术研究 摘要 s d s m 操作系统( s i n g l ed a t as t o r a g em o d e lo p e r a t i n gs y s t e i n 一单一数据存储模型操 作系统) 结合了传统操作系统、单地址空间操作系统以及永久性操作系统的数据存储模 型的特点，取长补短，发展成一种新型的操作系统，它提出了一种新型的数据存储模型 ( 即仅仅构造一个数据存储模型文件) ，在内核的构建及文件系统数据的存储、寻址 等方面不同于其他操作系统。而且，目前基于a r m 微核的嵌入式处理器已经成为开发 嵌入式产品市场的主流。随着a r m 技术的广泛应用，建立面向a r m 架构的嵌入式操 作系统也就成为当前研究的热点问题。现在已经涌现出了较多的嵌入式操作系统，例如 t o r 2 n a d o 的v x 、o r k 、微软的w i n d o w sc e 、a r ml i n u x 和开放源代码的u c o s 等。 本文主要是在分析了a r m 微处理器体系结构的特点基础上建立开发环境，然后在 已提出的s d s m 操作系统内核基础上，分析s d s m 操作系统的内核体系结构的特点以 及给出了在a r m 平台上对s d s m 操作系统内核建立b o o tl o a d e r 技术方案，并且进一 步分析研究s d s m 操作系统中内存管理的功能、存储管理中定义的数据结构、页框状态 的变迁以及存储管理的功能实现等技术。在a r m 的平台上，根据a r m 微处理器体系 结构的特点分析研究a r m 微处理器的存储管理技术。并且根据其特点进一步研究a r m 对s d s m 操作系统中的存储管理技术的支持，主要包括：在a r m 平台上如何对s d s m 操作系统进行虚地址转换以及进程上下文切换等技术，对s d s m 操作系统的进一步研究 工作在论文结论中也给出了展望。 关键词：单一数据存储模型操作系统，嵌入式处理器，a r m ，页框，虚地址 t h er e s e a r c ho n t e c h n o l o g yo fs t o r a g em a n a g e m e n to fs d s m o p e r a t i n gs y s t e m b a s e do na r m w a n gq i n g m i n ，l i uf u y a n a b s t r a c t s d s mo p e r a t i n gs y s t e m ( s i n g l ed a t as t o r a g em o d e lo p e r a t i n gs y s t e m ) h a sc o m b i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a lo p e r a t i n gs y s t e m ，t h es i n g l ea d d r e s ss p a c eo p e r a t i n gs y s t e m a n dt h ep e r m a n e n to p e r a t i n gs y s t e m , i tu s e sm e r i t so fo t h e ro p e r a t i n gs y s t e m _ , d e v e l o p si n t oa k i n do fn e w - t y l o p e r a t i n gs y s t e m , i tp u t sf o r w a r dak i n do fn e w - t y p ed a t as t o r a g em o d e l ( n a m e l yo n l yc o n s t r u c t sad a t as t o r a g em o d e l s t h ef i l e ) ，d i f f e r e n tf r o mo t h e ro p e r a t i n g s y s t e m si ns u c ha s p e c t sa ss t o r a g e s e e k i n gt h el o c a t i o no ff i l es y s t e ma n dt h ec o n s t r u c t i o no f t h ek e r n e l a n d ，t h ee m b e d d e dp r o c e s s o rb a s e do nt h ea r mh a sa l r e a d yb e c o m et h e m a i n s t r e a mo fd e v e l o p i n gt h ee m b e d d e dp r o d u c ta tp r e s e n t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no f a r m ，t os e tu pt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mb a s e do na r mb e c o m e sp r e s e n tr e s e a r c h f i e l d st o o m o r ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sa l r e a d ye m e r g en o w ，f o re x a m p l ev x w o r k ， w i n d o w sc eo f m i c r o s o f t ，a r ml i n u xa n du c o se r e t h ep a p e rm a i n l ys e t su pd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to nt h eb a s i so ft h ea r m ss y s t e m s t r u c t u r e ，t h e no nt h eb a s i so ft h ek e r n e lo fs d s mo p e r a t i n gs y s t e mp u tf o r w a r d ，t oa n a l y z e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ek e r n e ls t r u c t u r ea n dt h et e c h n o l o g yo fb o o t l o a d e ro ft h ek e r n e lo f t h eo p e r a t i n gs y s t e mo na r m p l a t f o r mi sg i v e nt o o ，a n df u r t h e rt oa n a l y z ea n dr e s e a r c ht h e f u n c t i o no fm e m o r ym a n a g e m e n to ft h eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h et e c h n o l o g yo fd a t as t r u c t u r e ， t h ec h a n g e so fp a g ef l a l - f l es t a t e ，t h ef u n c t i o no fm e m o r ym a n a g e m e n ta n dr e a l i z i n ge t c o n t h ep l a t f o r mo fa r m ，a n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h et e c h n o l o g yo fm e m o r ym a n a g e m e n to f a r m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa r m ss y s t e ms t r u c t u r e ，a n ds t u d y i n gt h es u p p o r tt o t h et e c h n o l o g yo fs t o r a g em a n a g e m e n to ft h eo p e r a t i n gs y s t e mo na r m ，i n c l u d e sm a i n l y ： h o wi si tt ot h et e c h n o l o g yo fv i r t u a la d d r e s st r a u s l a t i o na n dp r o c e s sc o n t e x ts w i t c ho ft h e o p e r a t i n gs y s t e mo na r mp l a t f o r m ，t h ef u l 胁e rr e s e a r c hw o r ko ft h eo p e r a t i n gs y s t e mi s g i v e ni nt h ec o n c l u s i o no f t h et h e s i st o o k e yw o r d s ：s i n g l ed a t as t o r a g em o d e lo p e r a t i n gs y s t e m , e m b e d d e dp r o c e s s o r , a r m ， p a g ef r a n l e ，v i r t u a la d d r e s s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：砒筮叁。日期：丛生2 ：竺2 三 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 亚叁蠡日期：趁= 翌：竺：l 1 。 导师签名：丛主兰日期：型) ：! 中北大学学位论文 1 1 课题背景及意义 1绪论 操作系统是计算机系统的核心软件，优秀的操作系统对计算机技术的发展和普及起 到关键性的作用。目前，针对不同的应用领域存在多种操作系统，它们各有其特点。 计算机存储系统的硬件体系结构是层次性的，从内向外，依次为寄存器、各层c a c h e 、 内存( 内部存储器) 、外存( 外部存储设备) 。在计算机操作系统中，不允许应用程序访 问所有这些存储资源或存储设备，允许应用程序访问的，是利用这些存储资源或存储设 备构造的逻辑上的数据存储模型。例如，操作系统不允许应用程序访问外存，但是允许 应用程序访问基于外存构造的数据存储模型一文件；同样，操作系统不允许应用程序访 问内存，但是允许应用程序访问基于内存构造的数据存储模型一进程虚拟地址空间。应 用程序只能通过访问逻辑上的数据存储模型间接地访问各种存储资源或存储设备。而不 能直接访问各种存储资源或存储设备。 如何利用计算机存储系统中各个存储层次的各种存储资源或存储设备。为应用程 序构造一个合理的数据存储模型，一直是非常活跃的研究领域。从早期的分区式存储 管理、文件系统、虚拟存储管理，到网络文件系统、分布式文件系统、分布共享存储、 单地址空间操作系统、永久性操作系统、数据库管理系统、永久对象系统、分布对象 系统等等，无不是研究或者需要研究如何利用各个存储层次的各种存储资源或存储设 备，为应用程序构造一个合理的数据存储模型的问题。 s d s m 操作系统( 单一数据存储模型操作系统，s i n g l ed a t as t o r a g em o d e lo p e r a t i n g s y s t e m - - s d s m o s ) 结合了传统操作系统、单地址空闯操作系统以及永久性操作系统 的数据存储模型的特点，取长补短，发展成一种新型的操作系统，它提出了一种新型 的数据存储模型，在内核的构建及文件系统数据的存储、寻址等方面不同于其他操作 系统，但是在很多的方面还没有完善。现运用a r m 微处理器对操作系统的支持技术， 在基于a r m 平台上进一步研究s d s m 操作系统的技术可行性。而且，目前基于a r m 微 核的嵌入式处理器已经成为开发嵌入式产品市场主流。随着a r m 技术的广泛应用，建 立面向a r m 构架的嵌入式操作系统也就成为当前研究的热点问题。现在已经涌现出了 中北大学学位论文 较多的嵌入式操作系统，例如t o r 2 n a d o 的v x w o r k 、微软的w i n d o w sc e 、a r ml i n u x 等。如果s d s m 操作系统能够在a r m 微处理器上运行，不仅验证了s d s m 操作系统的可 行性，而且如果再对其进行开发，使其能够应用到实际应用中，那么我国在操作系统 设计上必然有很大的发展。 1 2 操作系统数据存储模型研究现状 操作系统如何构造数据存储模型，构造哪些数据存储模型，是整个计算机系统中如 何构造数据存储模型的关键，不同的数据模型构造方式对于其上层应用中的数据存储模 型的构建有很大影响。在各种操作系统中，一般有两种构造数据存储模型的方式“2 4 “”： ( 1 ) 基于内存构造虚拟地址空间( 逻辑空问) ，基于外存构造文件，为应用程序构造 虚拟地址空间和文件两个数据存储模型。应用程序仅仅在进程虚拟地址空间运 行，通过把文件映射到进程虚拟地址空间实现对文件的直接访问。例如各种版本 的u n i x ，各种版本的w i n d o w s 等为代表的传统操作系统，都采用这种方式构造 数据存储模型。 ( 2 ) 仅仅基于内存构造数据存储模型一虚拟地址空间( 逻辑空间) ，把外存作为实现虚 拟地址空间中数据永久性和存储扩充的后备存储设备，或者把各种外存全部影射 到操作系统构造的虚拟地址空间之中，把文件作为虚拟地址空间中的一段区域。 代表的系统有单地址空间操作系统以及某些永久性操作系统等。 1 2 1传统操作系统数据存储模型 该类型的操作系统基于内存构造虚拟地址空间( 逻辑空间) ，基于外存构造文件， 这是现在各种主流的操作系统( 例如u n i x “、w i n d o w s2 0 0 0 等) 构造数据存储模 型的方法。基于内存构造进程的虚拟地址空间抽象即在内存中构造数据存储模型( 虚 拟地址空间) ，基于外存构造文件抽象，把外存作为实现虚拟地址空间中数据永久性 的后备存储设备。 操作系统为了构造虚拟地址空间抽象，不仅要利用内存，而且要利用外存的对换 区或者对换文件实现存储扩充，利用外存实现数据的永久性存储：为了构造文件抽象， 2 中北大学学位论文 操作系统不仅要利用外存存储文件数据，而且要利用内存中的文件缓冲区来缓冲文件 数据。进程虚拟地址空间以内存为主，辅助以对换区或者对换文件o i , 存) ，随进程 创建而创建，随进程消亡两消亡；文件则以外存为主，辅助以文件缓冲区( 内存) 。 1 2 2 永久性操作系统 永久性操作系统；仅仅基于内存构造数据存储模型虚拟地址空间。在操作系统中 实现永久性数据存储有两种办法：显式永久性数据存储和隐式永久性数据存储。 在显式永久性数据存储的操作系统中，应用程序通过显式地调用读写文件功能调 用，利用外存上的文件保存和恢复数据，从而实现数据的永久性存储。w i n d o w s 、i 肘 等大多数操作系统都是显式永久性数据存储系统。 在隐式永久性数据存储的操作系统中，例如k e y o s ”、e r o s “”等，进程是永久 性的，并不会因为系统关机而终止。系统重新启动以后，关机以前活跃的进程将被系统 恢复为关机时的状态，并从该状态继续运行。在永久性操作系统中虽然也支持文件概念， 由于进程虚拟地址空间已经具有了永久性，程序员进行程序设计时，没有必要在文件中 保存应用程序的永久性数据，即不需要设计数据在文件中的数据结构，也不需要实现数 据在进程虚拟地址空间和文件之问的传输( 读写文件操作) ，或者通过存储映射文件 ( m e m o r ym a pf i l e ) 在进程虚拟地址空闻和文件之间建立起对应关系。 永久性操作系统中的进程虚拟地址空间，既具有外部存储设备的永久性，又具有内 存的直接存储特性。 1 2 3 单地址空间操作系统 单地址空间操作系统仅仅基于内存构造虚拟地址空间。在单地址空间操作系统中， 例如a n g e l ”“1 、o p a l ”等，只有一个系统虚拟地址空间，操作系统使所有应用程序运行 在同一个系统虚拟地址空间中，不同应用程序的数据在系统虚拟地址空间中处于不同的 区域。该虚拟地址空间可以是永久性的，在系统启动时创建，系统关机时消亡，而不象 传统操作系统那样，随着进程创建而创建，随着进程消亡而消亡。特别是，单地址空间 操作系统可以把系统中所有的数据，包括外存上的文件，甚至外存本身，都映射至系统 3 中北大学学位论文 虚拟地址空间中，文件在系统虚拟地址空间中的映射地址是固定的。应用程序通过访问 系统虚拟地址空闻访问文件中的数据。对应用程序面言，文件就是系统虚拟地址空间中 具有永久性存储的一段存储区而已，除了永久性以外和其它存储区域没有任何区别“。“， 因此可以认为：单地址空间操作系统仅仅为用户构造了唯一的一个数据存储模型：系统 虚拟地址空间，该数据存储模型既可以被应用程序直接访问，又支持永久性存储。 1 3 嵌入式系统的研究现状 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统技术具 有非常广阔的应用前景，其应用领域范围非常广包括：工业控制、交通管理、信息家电、 家庭智能管理系统、p o s 网络及电子商务、环境监测、机器人等领域“”。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器。输入输出和软 件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的。在这里对其不加区分， 这也是嵌入式系统和w i n d o w s 系统的最大区别) 。随着信息化、智能化、网络化的发展， 嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空阃。 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前己成为通信和消费类产品的共同 发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开 始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术已在全球大多数国家推 广。数字音频广播( d a b ) 也已进入商品化试播阶段。在个人领域中，嵌入式产品将主要 是作为个人移动的数据处理和通信软件。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，典型芯片制造商生产的芯片型号如： a r m 、s t r o n g a r m 、m i p s 、p o w c r p c 、x 8 6 等嵌入式微处理器。还有用于学习和研发的 各种配套开发包。日前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实 现各种功能的芯片应有尽有。 从软件方面讲，也有相当多的成熟软件系统。从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一 些i t 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发，这其中涌现出 一些著名的嵌入式系统。经过多年发展，目前世界上已经有大批十分成熟的实时嵌入式 操作系统。实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种一商用型和免费型。商 4 中北大学学位论文 用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势。目前主要有l i n u x 和u c o s 。 1 商用型实时嵌入式操作系统“” ( 1 ) v x w o r l 【s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v c r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时嵌入式操作 系统( r t o s ) ，由于具有高性能的系统内核和友好的用户开发环境，在实时嵌入式操作系 统领域占据着一席之地。v x w o r k s 的突出特点是：可靠性、实时住和可裁减性。它是目 前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的操作系统。它支持多种处理器，如 x 8 6 、s u n 、p o w c r p c 等， ( 2 ) w i n d o w se m b e d d e d w i n d o w s e m b e d d e d 产品家族主要用于建立支持具有丰富应用程序和服务的3 2 位嵌 入式系统，从而针对广泛的用户需求提供灵活解决方案。此外，通过支持更快的“产品 上市速度”并降低开发成本，w i n d o w s e m b e x t d e d 产品家族还能保证开发人员立于竞争 前沿。 ( 3 ) p s o s p s o s 原属i s i 公司的产品，但i s i 已经被w i n d r i v e r 公司兼并，现在属于w i n d r i v e l 公司的产品。该系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计， 提供一个完全的多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上具有高性能和高可靠性，可 以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制每一个应用所需的系统。开发者可以利 用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 ( 4 ) p a l m o s p a l mo s 是著名的网络设备制造商3 c o m 旗下的p a l mc o m p u t i n g 掌上电脑公司的 产品，在p d a 市场上占有很大的市场份额。它具有开放的操作系统应用程序接口( a p i ) ， 开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 2 免费型实时操作系统“ ( 1 ) 嵌入式l i n u x 自由免费软件l i n u x 作为候选的嵌入式操作系统，有一些吸引人的优势，它可以移 植到多个有不同结构的c p u 和硬件平台上，具有很好的稳定性、各种性能的升级能力， 5 中北大学学位论文 而且开发更容易。由于嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，因此原来在某 些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，因为要达到上述要求，整个系 统必须是开放的、提供标准的a p i ，并且能够方位地与众多第二方的软硬件沟通。在这 些方向，l i n u x 育着得天独厚的优势。因此它不仅可以充当嵌入式系统的开发平台，其 本身也是嵌入式系统应用开发的好工具。 ( 2 ) i t c o s i i i jc o s 是源码公开的实时嵌入式操作系统，后来推出的pc o s i i 是l ac o s 的升 级版本。l lc ，o s i i 的主要特点如下：公开源代码、可移植性、可固化、可裁剪、占先 式、多任务、稳定性与可靠性等。由于uc ，o s 仅是一个实时内核，它不像其他实时 操作系统那样提供给用户的只是一些a p i 函数接口，有很多往往需要用户自己去完成。 把i ic o s i i 移植到目标硬件平台上只是系统设计上的开始，后面还需要针对实际的应 用需求对uc ，o s i i 进行功能扩展，包括底层的硬件驱动、文件系统、用户图形接( g u i ) 等，从而建立一个实时操作系统r t o s 国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有w i n d r i v e r 、m i c r o s o f t 等 产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如：c o r e t e k 公司的嵌入式软件开发平台 d e l t a s y s t e m ，中科院推出的h o p e n 嵌入式操作系统。 1 4 本文研究内容 本论文研究内容主要包括： ( 1 ) 分析a r m 微处理器体系结构的特点以及建立相应的开发环境： ( 2 ) 根据s d s m 操作系统的体系结构模型，分析s d s m 操作系统内核，并且在a r m 平台上提出了对s d s m 操作系统内核建立b o o t l o a d e r 的技术方案； ( 3 ) 进一步研究s d s m 操作系统的存储管理技术，包括：内存管理的功能、存储管 理的数据结构、页框状态的交迁以及存储管理的功能等技术； ( 4 ) 在a r m 平台上分析a r m 存储管理技术，并研究a r m 对s d s m 操作系统中存 储管理技术的支持，包括a r m 对s d s m 操作系统虚地址转换的支持以及进程 上下文切换等技术。 6 中北大学学位论文 2a r m 体系结构 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是 对一类微处理器的通称。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，它是全球领先的1 6 3 2 位嵌 入式r i s c 微处理器解决方案供应商，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，己遍及工业控制、 消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微 处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入 到我们生活的各个方面“。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，本身不直接从事芯片生 产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商j a a p 断 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路， 从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都 使用a i 湖公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支 持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理 器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的 特点和应用领域“3 。“”1 。 1 a r m 7 系列 2 a r m 9 系列 3 a r m 9 e 系列 4 ，a r m l 0 e 系列 5 s e c u r c o r e 系列 6 i n t e l 的x s c a l e 7 i n t e l 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 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。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的 7 中北大学学位论文 应用而设计。 2 1a r m 9 系列处理器 a r m 9 处理器使用了a r m 9 t d m i 处理器核，其中包括了3 2 位的a r m 指令集和 1 6 位的t h u m b 指令集。其中m m u 部件功能，支持w i n c e ，p a l m o s 、s y m b i a no s 、 l i n u x 等操作系统。a r m 9 系列包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t3 种类型，主 要用于适应不同的市场需求。它采用了5 级流水线( 取指、译码、执行、缓冲数据、回 写) ，a r m 9 处理器能够运行在比a r m 7 更高的时钟频率上，改善了处理器的整体性能， 同时区分开了数据d 和指令i 存储器，减少了在每个时钟周期内必须完成的最大工作， 进而允许使用更高的时钟频率“”。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点： 1 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 2 提供1 1 m i p s 府衄z 的哈佛结构。 3 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 4 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 5 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系 统。 6 m p u 支持实时操作系统。 7 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器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。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用 于不同的应用场合。 一个增强a r m 结构的v 4m m u 解决方案提供了对指令和数据地址的转换及访问权 限的检查。a r m 9 2 0 t 高性能处理器解决方案在芯片复杂度、系统设计以及功耗方面都 作了周密的考虑。a r m9 2 0 t 处理器与a r m 7 t d m i 二进制代码1 0 0 兼容，且与a r m 7 t h u m b 族、s t r o n g a r m 处理器族兼容，为设计者提供了具有高性价比、从6 0 - - 2 0 0m i p s 的软件兼容的系列处理器。图2 1 为a r m 9 2 0 t 的功能框图“”。 8 中北大学学位论文 2 2a r m 存储器系统 图2 1a r m 9 2 0 t 的功能框图 a r m 体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节到三字节 放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字述据，一次 排列。作为3 2 位的微处理器，a r m 体系结构所支持的最大寻址空问为4 ( m ( 2 3 2 字节) 。 a r m 体系结构可用两种方法存储字数据，称为大端格式和小端格式。在大端格式中， 字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中；小端格式与大 端格式相反，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。 1 a r mc a c h e 结构“7 ”“ a r m 的地址线是3 2 位的，所以可以寻址的空间是4 g b 。a r m 架构的处理器一般片 内没有配置r a m 和r o m ，因此，系统所需要的r a m 和r o m 都要通过总线来外接。此外， 一些高端的应用处理器还配置c a c h e 。常用的c a c h e 有指令和数据统一的c a c h e 和指令和 数据分离的i - c a c h e 和d c a c h e 。目前新型的a r m 处理器大多数都采用独立的指令和数据 9 中北大学学位论文 c a c h e 的c a c h e 结构。例如i n t e l 公司的s t r o n g a r m 处理器内含有1 6 k 字节的i - c a c h e 和8 k 字节的d c a c h e 。 2 a r m f o 结构 a r m 架构处理器核内部没有们模块，加功能必须通过a m b a 总线来扩充。a r m 系列的应用处理器以及第三方的应用处理器的加结构一般有三种：存储器映像i o 、直接 存储器存取d m a 、中断m q 和快速中断f i q 。 2 3a r m 指令系统 a r m 微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令 集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，包含了a r m 指令集中最常用的指令。但与等价的a r m 代码相比较， 可节省3 0 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。在我们的程序中， 可以根据应用程序运行的硬件环境来选择合适的指令集。就嵌入式操作系统运行的硬件 环境而言，内存子系统的配置有两个参数：容量和总线宽度。容量表示内存的大小，比 如3 2 m b 。6 4 m b ；总线宽度表示内存的一次读或写操作能够传输的比特数，比如1 6 位， 3 2 位。当运行环境的内存容量非常小时，t h u m b 指令集是最好的选择，因为3 2 位的空间， 能够容纳两条t h u m b 指令，却只能容纳一条a r m 的指令。当运行环境的总线宽度是1 6 位时，t h u m b 指令集的性能要优于a r m 指令集，因为a r m 指令的长度是3 2 位，每取一 条a r m 指令，需要访问两次内存；而t h u m b 指令的长度是1 6 位，每取一条t h u m b 指令， 只需要访问一次内存。一般而言，t h u m b 代码的尺寸是相同功能a r m 代码的6 5 ，而且 t h u m b 代码在1 6 位总线上的性能是a r m 代码的1 6 0 0 6 “”。但t h u m b 指令集毕竟只是a r m 指令集的子集，很多a r m 指令在t h a m b 代码中无法使用，功能上弱于a r m 指令集。由 于a 鼢“平台同时支持a r m 和t h u m b 指令集，我们可以在应用程序中混合使用a r m 和 t h u m b 指令进行程序设计，但这会带来额外的状态切换开销。所以如果内存容量相当， 并且采用3 2 位地址线时，应选择a r m 指令集“。“制。具体地，对于s d s m 操作系统，其 运行的硬件环境是3 2 位地址线，6 4 m b 的f l a s h , 6 4 m b 的s d r a m ，为此，s d s m 操作系统 在a r m 上完全可采用a r m 指令集。 1 0 中北大学学位论文 2 4a r m 程序设计模型 2 4 1a r m 寄存器 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a l 暇) ，这些寄存器包括：3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针，r 1 5 ) ，均为3 2 位的寄存器。6 个状态寄存 器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只使用了其中的一 部分。同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一 组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个通用 寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是 在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式 下有不同的物理寄存器。 2 4 2a r m 处理器工作状态 a r m 微处理器的工作状态一般有两种：a r m 状态和t h u m b 状态，并可在两种状态 之间切换。在a r m 状态下，此时处理器执行3 2 位的字对齐的a r m 指令；在t h u m b 状态 下，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指令。在程序的执行过程中，微处理器 可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器工作状态的转变并不影响处理器的工 作模式和相应寄存器中的内容。a r m 指令集和t h u m b 指令集均有切换处理器状态的指令 b x ，通过指令b x 可在两种工作状态之间切换，此外，在处理器进行异常处理时，把p c 指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器从 t h u m b 切换到a 蹦状态。 2 4 3a r m 处理器模式 处理器模式是a r m 处理器最鲜明的特点之一。a r m 处理器支持七种处理器模式 【峨1 8 , i 町 1 用户模式( u 甜) ： a r m 处理器正常的程序执行状态 2 系统模式( s y s ) ： 运行具有特权的操作系统任务 中北大学学位论文 3 管理模式( s v c ) ：操作系统使用的保护模式 4 外部中断模式( i r q ) ： 用于通用的中断处理 5 快速中断模式( f i q ) ： 用于高速数据传输或通道处理 6 数据访问终止模式( a b t ) ： 当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存 储及存储保护。 7 未定义模式( u n d ) ：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处 理器的软件仿真。 除用户模式之外的其它六种模式都属于特权模式，能够执行所有指令，访问所有资 源。用户模式则是受限模式，访问限制资源的时候必须先按照特殊的规定切换到特权模 式。 2 ，5 开发平台 2 5 1 硬件平台 本课题使用的开发板是北京恒丰锐科公司的三星$ 3 c 2 4 1 0 开发板，它采用了 a r m 9 2 0 t 内核的r i s c 嵌入式微处理器。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元 ( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中，m m u 可以管理内存，高速缓存由独立的1 6 k 地址和1 6 k 数据高速c a c h e 组成。有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 ，c p l 4 用于调 试控制，c p l 5 用于存储系统控制。硬件部分如下： 1 c p u ：采用s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0a r m 9 2 0 tc p u ，集成有串口，s d 卡控制器， u s bh o s t 和u s bd e v i c e 控制器，l c d 控制器，n a n df l a s h 控制器等； 2 存储器：6 4 m s d r a m 、6 4 mn a n df l a s h 、3 2 mi n t e ls t r a t a f l a s h 、s d 卡； 3 接口：一个v g a 接口、一个n 呵输出接口、c s 8 9 0 0 以太网控制器、i d e 接口、 一个u s b 主机接口、一个u s b 设备接口、一个总线扩展接口，2 个串口、j t a g 调试接口、c p l d 编程接口以及扩展的g p r s 和c d m a 专用接口等。 2 ，5 2 软件环境 1 l i n u x 软件环境 1 2 中北大学学位论文 在l i n u x 环境下，我们使用了g c c 编译环境。由于在l i n u x 上编译a r m 上的可执行代 码，所以。在l i n u x 上安装了交叉编译器，我们选择t c r o s s 2 9 5 3 t a r b z 2 交叉编译工具链， 然后进行安装。在l i n u x 下建立目剥c r o s s , 把c r o s s - 2 9 5 3 t a r b z 2 拷贝到此目录，然后进入 c r o s s 目录，执行如下命令： r o o t 1 0 c a l h o s tc r o s s # m k d i r - p u s r l o c a l a r m r o o t 1 0 c a l h o s tc r o s s # t a r j x v f c r o s s - 2 9 5 3 t a r b z 2 r o o t 1 0 c a l h o s tc r o s s # m v 2 9 5 3 u s r l o e a l a r m 呻o t 1 0 c a l h o s tc r o s s # e x p o r tp a t h - - $ p a t h ：u s r l o e a l a r m 2 9 5 3 b i n 以上过程就完成了交叉编译器的安装，安装目录为：u s d l o c a l a r m 。 2 a d s 软件环境 a r ma d s 全称为a r md e v e l o p e rs u i t e 。是a r m 公司推出的新一代a r m 集成开发 工具。现在a d s 的最新版本是1 2 ，它取代了早期的a d s l 1 和a d s l 0 。它除了可以安 装在w i n d o w s 9 5 ，w i n d o w s9 8 ，w i n d o w sn t 4 和w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下还支持 w i n d o w sx p 和w i n d o w sm e 操作系统。a d s 由命令行开发工具、a r m 实时库、g u i 开 发环境( c o d ew a r r i o r 和a x d ) 、实用程序和支持软件组成。 有了这些部件，就可以为 a r m 系列的r i s c 处理器编写和调试自己的开发应用程序。 1 3 中北大学学位论文 3 s d s m 操作系统 s d s m 操作系统( 单一数据存储模型操作系统) 仅仅构造一个数据存储模型( 文件) ， 不再构造传统操作系统中进程虚拟地址空间，把进程虚拟地址空间的的功能合并到文件 之中。即不需要建立进程虚拟地址空间和文件之间的映射关系，应用程序所有访问的数 据都在文件中，把程序运行的虚拟地址空问解释为文件空间，实现指令对文件的直接寻 址。 3 1s d s m 操作系统的特点 s d s m 操作系统综合了各个存储层次为应用程序构造唯一的逻辑上的数据存储模型 ( 文件) ，把物理内存作为应用程序访问外存上文件的缓冲，直接在文件和文件缓冲( 物 理内存) 之问建立和维护地址影射，实现指令直接对文