論ARM嵌入式系統(tǒng)及其信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

1、論ARM嵌入式系統(tǒng)及其信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展摘 要：當(dāng)今信息時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無處不在，而ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用市場份額約占 75%。從嵌入式系統(tǒng)的基本概念入手，分 別從ARM的定義、ARM微處理器、ARM開發(fā)工具及調(diào)試方法來 介紹ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)。接著，討論了 ARM嵌入式系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)性要求，介紹了目前市場上的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）。最后，概括了 ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并預(yù)測 ARM 技術(shù)發(fā)展的前景。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM ;微處理器；1引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的深入發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無處不在。ARM是目前公認(rèn)的業(yè)界領(lǐng)先的 32位嵌入式RISC

2、（精簡指令計(jì)算 機(jī)）微處理器。ARM技術(shù)日益成熟和不斷發(fā)展，正在逐步滲入到我 們生活的各個(gè)方面。本文從實(shí)際出發(fā)，首先介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念，隨之重點(diǎn)闡述了由ARM微處理器構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)（簡稱ARM嵌入式系統(tǒng)）的基礎(chǔ)知識(shí)，最后分析了 ARM技術(shù)的產(chǎn) 業(yè)化發(fā)展過程及發(fā)展趨勢。2嵌入式系統(tǒng)2.1嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的英文叫做EmbeddedSystem,是一種包括硬件和軟件的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但又跟通用 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同。嵌入式系統(tǒng)的定義是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可剪裁，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì) 功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！鼻度胧较到y(tǒng)

3、所用的計(jì)算機(jī)是嵌入到被控對(duì)象中的專用微處理器，但 是功能比通用計(jì)算機(jī)專門化，具有通用計(jì)算機(jī)所不能具備的針對(duì)某 個(gè)方面特別設(shè)計(jì)的、合適的運(yùn)算速度、高可靠性和較低比較成本的 專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2.2嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自底向上包含有3個(gè)部分，如圖1所示。（1）硬件環(huán)境：是整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備。嵌 入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單 元。（2）嵌入式操作系統(tǒng)：完成嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能。具有內(nèi)核較精簡、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián) 等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對(duì)不變性。（3）嵌

4、入式應(yīng)用程序：運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定 功能的嵌入式應(yīng)用。不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式應(yīng)用程序。3 ARM嵌入式系統(tǒng)3.1什么是ARMARM 是Advaneed RISC Machines的縮寫，是微處理器行業(yè)的一家 知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量廉價(jià)、高性能、低功耗的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM技術(shù)有很好的性能和功效，其合作伙伴包括世界許多頂級(jí)的半導(dǎo)體公司。目前，共有30家半導(dǎo)體公司與 ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括In tel、IBM、LG 半導(dǎo)體、NEC、SONY、PHILIPS和國家半導(dǎo)體這樣的大 公司?？梢哉f，ARM不僅僅代表一個(gè)公司，代

5、表了一類微處理器， 代表了一種技術(shù)，還代表了一種新型的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。3.2ARM處理器核系列及應(yīng)用ARM公司開發(fā)了一系列 ARM處理器核。目前最新的系列已經(jīng)是ARM11 了。ARM6及更早的系列已經(jīng)罕見了，ARM7以后的核也不是都獲得廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用最 多的是 ARM7系列、ARM9系列、ARM9E 系列、ARM10系列、 SecurCore系列、Intel 的 StrongARM、XScale系列。ARM7系列：包括 ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、帶有高速緩存處理器宏 單元的ARM720T和擴(kuò)充了 Iazelle的ARM7EJ-S。該系列廣泛應(yīng)用 于多媒體和嵌入式設(shè)備，包括In

6、ternet設(shè)備、絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備以 及移動(dòng)電話、PDA等無線設(shè)備。ARM9系列：包括ARM9TDMI、ARM920T 和帶有高速緩存處理器宏單元的 ARM940T。該系列主要應(yīng)用于弓I擎管理、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī) 頂盒、高端打印機(jī)、PDA、絡(luò)電腦以及帶有 MP3音頻和MPEG4視 頻多媒體格式的智能電話中。ARM9E系列：為綜合處理器，包括 ARM926EJ-S、帶有高速緩存處理宏單元的ARM966E-S/ARM946E-S。該系列強(qiáng)化了數(shù)字信號(hào)處理功能，可應(yīng)用于需要 DSP與微控制器結(jié)合使用的情況，將 Thumb技術(shù)和DSP都擴(kuò)展到 ARM指令集中，并具有 EmbeddedICE-RT

7、邏輯，更好地適應(yīng)了實(shí)時(shí) 系統(tǒng)的開發(fā)需要。ARM10系列：包括ARM1020E和ARM1020E微處理器核。其核心在于使用向量浮點(diǎn)（ VFP）單元 VFP10提供高性能的浮點(diǎn)解決方案，從而極大地提高了處理器的整 型和浮點(diǎn)運(yùn)算性能，為用戶界面的2D和3D圖形引擎應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)，如視頻游戲機(jī)和高性能打印機(jī)等。SecurCore系列：包括SC1O0 SC110 SC200和SC210處理器核。該系列主要針對(duì)新 興的安全市場，以一種全新的安全處理器設(shè)計(jì)為智能卡和其他安全 IC開發(fā)提供獨(dú)特的32位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并具有特定的反偽造方法，從 而有助于防止對(duì)硬件和軟件的盜版。StrongARM系列：StrongARM

8、處理器將Intel處理器技術(shù)和ARM體系結(jié)構(gòu)融為一體， 致力于為手提式通信和消費(fèi)電子類設(shè)備提供理想的解決方案。Xscale系列：提供全性能、高性價(jià)比和低功耗的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP指令。3.3 ARM微處理器的特點(diǎn)采用RISC體系架構(gòu)的ARM 微處理器一般有如下特點(diǎn)：（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；（2 ）支持Thumb（16位）/ARM （32位）雙指令集，能很好的兼容 8位/16位器件；（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；（4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；（5）尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；（6 ）指令長度固定。3.4ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)ARM微處理器

9、在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指 令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為 ARM指令集的功能子集，但與等價(jià)的ARM代碼相比較，可節(jié)省30 % -40 %以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。3.5 ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具及調(diào)試方法ARM處理器產(chǎn)品作為一種高性能、低功耗的處理器產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛的應(yīng) 用，ARM開發(fā)工具也因此得到發(fā)展，除 ARM公司自己推出ARM集成開發(fā)工具外，還有一些公司也研發(fā) ARM開發(fā)工具。目 前市場上有 ARM SDT、ARM ADS、MULTI 2000、Hitools forARM

10、、Embest IDE for ARM 五種集成開發(fā)環(huán)境。這些產(chǎn)品在國內(nèi)有 相對(duì)較暢通的銷售渠道，用戶容易購買。前三種由國外廠商出品， 歷史比較悠久，在全球范圍內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，后兩種由國內(nèi)廠商推 出，具有很高的性價(jià)比。ARM應(yīng)用軟件的開發(fā)工具根據(jù)功能的不同，分別有編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、嵌 入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、函數(shù)庫、評(píng)估板、JTAG仿真器、在線仿真器等，用戶選用ARM處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，選擇合適 的開發(fā)工具可以加快開發(fā)進(jìn)度，節(jié)省開發(fā)成本。因此一套含有編輯 軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、工程管理及函 數(shù)庫的集成開發(fā)環(huán)境（IDE ） 一般來說是必不可少的，至于嵌

11、入式 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、評(píng)估板等其他開發(fā)工具則可以根據(jù)應(yīng)用軟件規(guī)模和 開發(fā)計(jì)劃選用。目前常見的調(diào)試方法有以下幾種。（1）指令集模擬器。部分集成開發(fā)環(huán)境提供了指令集模擬器，可方便用戶在PC機(jī)上完成一部分簡單的調(diào)試工作，但是由于指令集模 擬器與真實(shí)的硬件環(huán)境相差很大，因此即使用戶使用指令集模擬器 調(diào)試通過的程序也有可能無法在真實(shí)的硬件環(huán)境下運(yùn)行，用戶最終 必須在硬件平臺(tái)上完成整個(gè)應(yīng)用的開發(fā)。（2）駐留監(jiān)控軟件。駐留監(jiān)控軟件（Reside nt Mo nitors）是一段運(yùn)行在目標(biāo)板上的程序，集成開發(fā)環(huán)境中的調(diào)試軟件通過以太口、并行端口、 串行端口等通訊端口與駐留監(jiān)控軟件進(jìn)行交互，由調(diào)試軟件發(fā)布命 令通

12、知駐留監(jiān)控軟件控制程序的執(zhí)行、讀寫存儲(chǔ)器、讀寫寄存器、 設(shè)置斷點(diǎn)等。駐留監(jiān)控軟件是一種比較低廉有效的調(diào)試方式，不需要任何其他的硬件調(diào)試和仿真設(shè)備。ARM公司的An gel就是該類軟件，大部分嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也是采用該類軟件進(jìn)行調(diào)試，不同的是在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，駐留監(jiān)控軟件是作為操作 系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)存在的。駐留監(jiān)控軟件的不便之處在于它對(duì)硬件設(shè)備的要求比較高，一般在硬件穩(wěn)定之后才能進(jìn)行應(yīng)用軟件的 開發(fā)，同時(shí)它占用目標(biāo)板上的一部分資源，而且不能對(duì)程序的全速 運(yùn)行進(jìn)行完全仿真，所以對(duì)一些要求嚴(yán)格的情況不是很適合。（3）JTAG仿真器。JTAG仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過ARM芯片的JTAG

13、邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。JTAG仿真器 比較便宜，連接比較方便，通過現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與 ARMCPU核通信，屬于完全非插入式（即不使用片上資源）調(diào)試，它無需 目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口，而這些是駐留監(jiān)控軟件 所必需的。另外，由于 JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行， 仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，許多接口問題，如高頻操作限制、 AC和DC參數(shù)不匹配，電線長度的限制等被最小化了。使用集成開 發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進(jìn)行開發(fā)是目前采用最多的一種調(diào)試方 式。目前國際市場上較流行的兩種 JTAG仿真器：EPI公司的JEENI 和 ARM 公司的 Multi-ICE。（4）在線仿真

14、器。在線仿真器使用仿真頭完全取代目標(biāo)板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為，提供更加深入的調(diào)試功能。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。在線仿真器通常用在ARM的硬件開發(fā)中，在軟件的開發(fā)中較少使用，其價(jià)格高昂也是在線仿 真器難以普及的因素。另外國際市場上較流行的有兩種JTAG 仿真器：EPI公司的JEENI和 ARM 公司的 Multi-ICE。4 ARM嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求4.1嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺(tái)通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口 （API），是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，

15、應(yīng)用程序的 開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上 運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及 和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。42 RTOSRTOS 是英文 Real Time multi-taskingOperation System的縮寫，即實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。它是嵌入式應(yīng)用 軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。目前在中國大多數(shù)嵌入式軟件開發(fā)還是基 于處理器直接編寫，沒有采用商品化的RTOS，不能將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開處理

16、。RTOS最關(guān)鍵的部分是實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它的 基本功能包括任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲(chǔ)器管理、資源管理、事 件管理、系統(tǒng)管理、消息管理、隊(duì)列管理、旗語管理等，這些管理功能是通過內(nèi)核服務(wù)函數(shù)形式交給用戶調(diào)用的，也就是RTOS的API。RTOS的引入，對(duì)嵌入式軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和加速知識(shí)創(chuàng)新是一個(gè) 里程碑。5嵌入式系統(tǒng)的信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展5.1 ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在，嵌入式技術(shù)無處不在，ARM幾乎成為嵌入式技術(shù)的代名詞。作為一種16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式 RISC微處理器，ARM微處理器目前已經(jīng)成 為應(yīng)用廣泛的嵌入式微處理器。 ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已 經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。（1）工業(yè)

17、控制領(lǐng)域：作為 32位的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場 的大部分市場份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展， ARM控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。（2）無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了 ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的 地位日益鞏固。（3）絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外， ARM在語音 及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。（4）消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。（5）成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用 ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了 ARM技術(shù)。 除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在 將來取得更加廣泛的應(yīng)用。5.2嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展市場需求為嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展注入巨大推動(dòng)力。嵌入式系統(tǒng)的 市場是巨大的，市場需求是嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的巨大推動(dòng)力。 據(jù)報(bào)告，10%20%的計(jì)算機(jī)芯片是為臺(tái)式或