ARM嵌入式系統(tǒng)的問題總結(jié)分析

1、ARM«入式系統(tǒng)的問題總結(jié)分析摘要：本文是作者關(guān)于嵌入式系統(tǒng)一些基本問題的思考和總結(jié)。 主要是從嵌入式處理器與硬件、ARMfe理器的優(yōu)勢(shì)、嵌入式軟 件、嵌入式系統(tǒng)教學(xué)等方面進(jìn)行了一些梳理，談了一些個(gè)人的 觀點(diǎn)。引言由于各種新型微處理器的出現(xiàn)和應(yīng)用的不斷深化， 嵌入式系統(tǒng)在后PC時(shí)代得到了空前的發(fā)展。隨著時(shí)間的推移和 技術(shù)的進(jìn)步，在工業(yè)控制和新興的手持式應(yīng)用等領(lǐng)域，用戶體 驗(yàn)成為產(chǎn)品成功的關(guān)鍵因素之一，越來越多的產(chǎn)品需要良好的 用戶界面、互聯(lián)功能以及摘要：本文是作者關(guān)于嵌入式系統(tǒng)一些基本問題的思考和總結(jié)。主要是從嵌入式處理器與硬件、ARMt理器的優(yōu)勢(shì)、嵌入式軟件、嵌入式系統(tǒng)教學(xué)等方面進(jìn)

2、行了一些梳理，談了一些個(gè) 人的觀點(diǎn)。引言由于各種新型微處理器的出現(xiàn)和應(yīng)用的不斷深化，嵌入式系統(tǒng) 在后PC時(shí)代得到了空前的發(fā)展。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn) 步，在工業(yè)控制和新興的手持式應(yīng)用等領(lǐng)域，用戶體驗(yàn)成為產(chǎn) 品成功的關(guān)鍵因素之一，越來越多的產(chǎn)品需要良好的用戶界 面、互聯(lián)功能以及較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，這對(duì)嵌入式處理器硬 件、軟件、教學(xué)等提出了新的要求。1 嵌入式處理器與硬件在處理器方面，目前大量的中、低端嵌入式應(yīng)用，主要使用8/16位單片機(jī)。在國(guó)內(nèi)，由于歷史的原因，主要是以MCS5核為主的許多不同型號(hào)單片機(jī)，主要廠商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。還有一些近幾年發(fā)展較快的新型

3、單片機(jī)，如 PIC、AVR MSP43源歹U等。這些單片機(jī)各有特點(diǎn)，但從目前的 發(fā)展角度來看，單片機(jī)針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域的個(gè)性化發(fā)展愈發(fā)明顯，典型的例子就是 TI公司的MSP4301列16位單片機(jī)、ST 公司的STM8膝列8位單片機(jī)和STM32底列32位超低功耗單 片機(jī)。在嵌入式中的高端應(yīng)用領(lǐng)域，像工業(yè)控制、POSM、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、圖像處理、手機(jī)、 PD瞪，目前主要使用 ARM MIPSPowerPC DS博1664位處理器，以32位處理器為主。各種 類型的處理器都有其一定的應(yīng)用針對(duì)性。例如，DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中用到的常用運(yùn)算、算法做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要用于 實(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域，如實(shí)時(shí)音視頻處理、電機(jī)

4、控制等。MIPS處理器性能很好，但功耗較大，適合于有交流電源供電的固定應(yīng) 用，如固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)頂盒等。ARMt理器性能高，功耗低，適合于用電池供電的便攜、手持式設(shè)備。由于近幾年便 攜、手持式嵌入式應(yīng)用的高速發(fā)展，ARMt理器的增長(zhǎng)速度和市場(chǎng)占有率也快速提升，成為目前 32位應(yīng)用中的主力產(chǎn)品。 由于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的廣泛性，嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)涉及的 知識(shí)面很廣，從模擬到數(shù)字、低頻到高頻、小信號(hào)到大功率， 以及復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)和 PC暇計(jì)，還要考慮軟硬件資源的 合理分配，不僅要有廣而扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，更需要豐富的實(shí)踐 經(jīng)驗(yàn)。只有對(duì)大大小小各種應(yīng)用系統(tǒng)反復(fù)實(shí)戰(zhàn)演練，了解新技 術(shù)、新器件，使用過多

5、種多樣的處理器和模擬/數(shù)字器件，才能逐步積累，聚沙成塔，對(duì)一個(gè)新的應(yīng)用系統(tǒng)給出快速、合理的 硬件方案與設(shè)計(jì)。2 ARM處理器的優(yōu)勢(shì)對(duì)于如今大量出現(xiàn)的32位嵌入式應(yīng)用，以筆者之見，ARM&理 器的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。2.1 高性能、低功耗、低價(jià)格把ARMfe理器的性能拿來和一些著名的通用處理器（如 Pentium）相比是不合適的，因?yàn)樗麄兏髯葬槍?duì)的應(yīng)用需求是不 同的。Pentium處理器采用多條指令流水線的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，追 求通用應(yīng)用目標(biāo)下的超強(qiáng)性能，功耗大，可以用散熱器加風(fēng)扇 散熱。ARM十對(duì)嵌入式應(yīng)用，在滿足性能要求的前提下，力求 最低的功率消耗。ARM吉構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能兼顧到性能、功

6、耗、代 碼密度、價(jià)格等幾個(gè)方面，而且做得比較均衡。在性能 /功耗比 （MIPS/VV方面,ARM處理器具有業(yè)界領(lǐng)先的性能?；贏RMS的芯片價(jià)格也很低，目前 ARM CortexM的芯片價(jià)格可低至10元 人民幣左右。2.2 豐富的可選擇芯片ARMR是一個(gè)核，AR/司自己不生產(chǎn)芯片，采用授權(quán)方式給半 導(dǎo)體生產(chǎn)商。目前，全球幾乎所有的半導(dǎo)體廠家都向ARg司購(gòu)買了各種ARM亥，配上多種不同的控制器（如 LCD空制器、SDRA螳制器、DMA空制器等)和外設(shè)、接口，生產(chǎn)各種基于 ARM亥的芯片。目前，基于 ARM亥的各種處理器型號(hào)有好幾百 種，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，常見的有 ST、TI、NXP Atmel、Sa

7、msung OKI、Sharp、Hynix、Crystal 等廠家的芯片。用戶 可以根據(jù)各自的應(yīng)用需求，從性能、功能等方面考察，在許多 具體型號(hào)中選擇最合適的芯片來設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用系統(tǒng)。由于 ARM亥采用向上兼容的指令系統(tǒng)，用戶開發(fā)的軟件可以非常方 便地移植到更高的 ARM平臺(tái)。2.3 廣泛的第三方支持以如今的技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)處理器并非難事，但要使這個(gè)處理器 得到大家認(rèn)可，并取得市場(chǎng)成功卻是非常困難的，其中涉及許 多技術(shù)與非技術(shù)的因素和環(huán)節(jié)，還包括時(shí)機(jī)、運(yùn)氣。因?yàn)楝F(xiàn)在 許多產(chǎn)品的開發(fā)，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的處理器加幾百條指令、語(yǔ)句 就可以解決的。要用到 32位處理器，一般都要有編譯器、高效 的開發(fā)工具(仿

8、真器及調(diào)試環(huán)境)、操作系統(tǒng)、協(xié)議棧等，這 些東西都不是一個(gè)芯片生產(chǎn)商可以解決的，而需要許多第三方 的支持。這就像一粒種子，需要土壤、空氣、水等環(huán)境才能發(fā) 芬、成長(zhǎng)。這也是我們的一些“中國(guó)芯”該反思之處。ARMS過近20年的培育、發(fā)展，得到了廣泛的第三方合作伙伴 支持。目前，除通用編譯器 GCC ARMT自己的高效編譯、調(diào)試 環(huán)境(MDK Keil )，全球約有50家以上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS軟件廠商和30家以上的EDA工具制造商，還有很多高 效率的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)試工具的廠商，對(duì)ARMI供了很好的支持。用戶采用ARM&理器開發(fā)產(chǎn)品，既可以獲得廣泛的支持，也便 于和同行交流，加快開發(fā)進(jìn)度，縮

9、短產(chǎn)品的上市時(shí)間。2.4 完整的產(chǎn)品線和發(fā)展規(guī)劃ARM亥根據(jù)不同應(yīng)用需求對(duì)處理器的性能要求，有一個(gè)從ARM7 ARM傕U ARM10 ARM11 以及新定義的 CortexM/R/A 系列 完整的產(chǎn)品線。前幾年應(yīng)用較多的主要是基于V4架構(gòu)的ARM7TDMI ARM720T ARM920核的一些處理器芯片，如 NXP的 LPC2000系歹h ST的STR7/9系歹I、Atmel的AT91系列和 Samsung的S3c系列。近兩年，ARM Cortex系列以更好的性 能、更低的價(jià)格得到快速推廣，典型的就是基于CortexM3的STM3源列。ARM CortexM/R/A系列分別針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

10、M系列主要面 向傳統(tǒng)微控制器（MCU單片機(jī)）應(yīng)用，這類應(yīng)用面很廣，要求 處理器有豐富的外設(shè)，并且各方面比較均衡；R系列強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，主要用于實(shí)時(shí)控制，如汽車引擎；A系列面向高性能、低功耗應(yīng)用系統(tǒng)，如智能手機(jī)。選用ARMfe理器進(jìn)行開發(fā)，技術(shù)積累性較強(qiáng)，生命周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)重用度高，不易被淘汰。用戶 在選擇ARMt理器時(shí)，可以針對(duì)應(yīng)用需求，從大量的ARMS片中選用滿足性能、功能要求的產(chǎn)品，以獲得較好的性價(jià)比。3 ARM嵌入式系統(tǒng)的軟件由于嵌入式系統(tǒng)的差異性很大，對(duì)不同的應(yīng)用需求，必須選擇 不同的軟件設(shè)計(jì)方法、開發(fā)平臺(tái)和系統(tǒng)工具。對(duì)于一些不需要復(fù)雜圖形用戶界面、通信協(xié)議和復(fù)雜文件操作（如同時(shí)打開多個(gè)文件

11、）的應(yīng)用，如果選用CortexM3核的處理器就已可以滿足要求，任務(wù)數(shù)不多，任務(wù)之間的關(guān)系也不復(fù) 雜，則不一定需要移植復(fù)雜的操作系統(tǒng)。這樣一方面可以降低 系統(tǒng)硬件開銷，也可以獲得更好的實(shí)時(shí)性和執(zhí)行速度。不過， 這樣的軟件開發(fā)方法需要開發(fā)人員有較好的程序設(shè)計(jì)思想，對(duì) 所用器件有深入的了解，并掌握其編程控制方法。若引入一個(gè) 簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)，如μC/O§可以簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)，但開發(fā)者 最好熟悉其內(nèi)核結(jié)構(gòu)，并有使用經(jīng)驗(yàn)，否則可能會(huì)需要更多的 系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試時(shí)間。如果選擇了帶存儲(chǔ)器管理單元（MMU的ARMfe理器（如 ARM920T CortexA8等），這種應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用、實(shí)時(shí)性、

12、 開發(fā)環(huán)境等因素，移植一個(gè)功能較強(qiáng)的操作系統(tǒng)一般情況下會(huì) 比較合適，如Linux、WinCE甚至新的Android等。這種系統(tǒng) 的開發(fā)難度主要是在 OS的移植以及硬件驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)上。當(dāng) 這二步工作完成后，主要的軟件開發(fā)工作已和在PC機(jī)上開發(fā)沒有多大區(qū)別，可以按照一般的軟件工程方法來進(jìn)行，要注意的 只是與ARMM件平臺(tái)相關(guān)的軟件優(yōu)化問題。由于嵌入式系統(tǒng)硬件資源的有限性，嵌入式軟件與其他應(yīng)用軟 件的主要區(qū)別，在于嵌入式軟件要有較高的效率，包括執(zhí)行速 度和存儲(chǔ)空間，盡管這二者經(jīng)常是相互矛盾的。目前一般要求 更多的是速度優(yōu)化。要編寫出高效的ARM®序，需要開發(fā)人員熟悉ARM勺體系結(jié)構(gòu)，包括

13、內(nèi)核結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、 Cache與存 儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)等，還要有好的程序設(shè)計(jì)思想，以及對(duì)一些常用函數(shù)、算法的深刻理解。這個(gè)過程也是AR幅統(tǒng)開發(fā)從低級(jí)到高級(jí)的進(jìn)階之路。目前，由于應(yīng)用系統(tǒng)越來越復(fù)雜，嵌入式軟件的移植性和重用 性也得到了人們的高度重視，因?yàn)樗苯佑绊懙角度胧杰浖?開發(fā)效率和質(zhì)量。選擇一種通用的開發(fā)環(huán)境和高級(jí)編程語(yǔ)言， 使開發(fā)的嵌入式軟件可以方便地移植到不同的硬件平臺(tái)，是實(shí) 現(xiàn)軟件重用的基礎(chǔ)。目前在 ARM入式系統(tǒng)開發(fā)中，ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM較好的開發(fā)平臺(tái)， C/C+ 語(yǔ)言是應(yīng)用最廣泛的編程語(yǔ)言，并具有廣泛的庫(kù)函數(shù)、程序支 持，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，仍將在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中占 重要地位。4 嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)如今，嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)熱門領(lǐng)域，其教學(xué)問題也頗受高校 的關(guān)注。教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)社會(huì)需要的人，由于嵌入式系 統(tǒng)的廣泛性、差異性，社會(huì)對(duì)從事嵌入系統(tǒng)開發(fā)人員的要求也 有很大的不同，既需要從事簡(jiǎn)單 8/16位單片機(jī)開發(fā)的人員，也 需要從