《ARM Cortex嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教程》課件第1章

第1章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)簡介1.2嵌入式處理器1.3嵌入式操作系統(tǒng)

1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義

經(jīng)過30多年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工程設(shè)計、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)、商業(yè)文化藝術(shù)、娛樂業(yè)及人們的日常生活等方面，從廚房中的電飯煲、微波爐、電冰箱到客廳里的家庭媒體中心，各種智能化設(shè)備已經(jīng)遍布在我們的周圍。1.1嵌入式系統(tǒng)簡介隨著數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機、通信、消費電子的一體化趨勢日益明顯，這必將培養(yǎng)出一個龐大的嵌入式應(yīng)用市場?，F(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元，它已經(jīng)成為信息技術(shù)(IT)產(chǎn)業(yè)爭奪的重點。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也成為當(dāng)前被關(guān)注、學(xué)習(xí)和研究的熱點。

所謂嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)，實際上是“嵌入式計算機系統(tǒng)”的簡稱，它是相對于通用計算機而言的。有些系統(tǒng)中也有計算機，但它是作為某個專用系統(tǒng)中的一個部件而存在的。像這樣嵌入到更大、更專用的系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)，就稱為嵌入式計算機、嵌入式計算機系統(tǒng)或嵌入式系統(tǒng)。日常生活中早已存在許多嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，如人們使用的移動電話、烹調(diào)用的微波爐、戴在手腕上的電子表、家用的洗衣機、辦公室里的打印機，以及數(shù)碼相機、MP3、平板電腦等手持式設(shè)備，都可以認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)。

按照美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)的定義，嵌入式系統(tǒng)是“用于監(jiān)視、控制或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。這個定義是從應(yīng)用上考慮的，可以看出，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。目前我們最常見、最通用的一個定義是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，其軟、硬件可配置，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格約束的一種專用計算機系統(tǒng)。這個定義是從技術(shù)角度來進(jìn)行的。它不僅指明了嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)(非PC的智能電子設(shè)備)，而且說明了嵌入式系統(tǒng)的幾個基本要素，即面向應(yīng)用，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可剪裁以及在功能、可靠性、成本、體積和功耗上有嚴(yán)格約束。而“嵌入式系統(tǒng)”中“嵌入”一詞，即指其軟、硬件可剪裁的特性，它表示該系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)幾乎應(yīng)用于所有電器設(shè)備中，如手機、機頂盒、個人數(shù)字助理(PDA)、汽車控制系統(tǒng)、微波爐控制器、電梯控制器、安全系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、立體音響、自動售貨機控制器、自動取款機等。即使是一臺通用的PC，也包括嵌入式系統(tǒng)，其外部設(shè)備都包含了嵌入式微處理器的成分，如硬盤、軟驅(qū)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、聲卡、網(wǎng)卡、Modem和打印機、掃描儀等都是由嵌入式處理器控制的。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、產(chǎn)品和應(yīng)用的，如果獨立于應(yīng)用而自行發(fā)展，則會失去市場。因此，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者并不是計算機專業(yè)的人員，而是各個行業(yè)的技術(shù)人員，例如數(shù)字醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)，往往是由生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)人員和計算機專業(yè)的技術(shù)人員一起參與完成的。

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，它和通用計算機系統(tǒng)使用的技術(shù)是一樣的，都包含了硬件部分和軟件部分，但對二者的性能評價指標(biāo)是不同的。嵌入式系統(tǒng)往往只是一個大系統(tǒng)中的組成部分，控制大系統(tǒng)的工作，它的價值在于其所控制的大系統(tǒng)。例如，智能洗衣機的評價指標(biāo)往往是洗凈度、耗水量、耗電量、洗衣速度等，而不是控制它的處理器的速度、存儲容量等。而通用計算機不同，其更關(guān)注計算能力、處理速度及存儲數(shù)據(jù)的能力等指標(biāo)。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)基于計算機技術(shù)，其組成也跟計算機組成類似，主要包括兩個部分：嵌入式硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)。

(1)嵌入式硬件系統(tǒng)主要包括嵌入式處理器、存儲器、模擬電路、電源、接口控制器及接插件等幾部分。

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。嵌入式處理器與通用處理器的最大區(qū)別在于嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中。它通常把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化。嵌入式處理器具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式系統(tǒng)中常用的存儲器有靜態(tài)易失型存儲器(RAM、SRAM)、動態(tài)存儲器(DRAM、SDRAM)、非易失型存儲器(ROM、EPROM、EEPROM、Flash)。其中，F(xiàn)lash(閃存)具有可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、容量大以及價格低等優(yōu)點，在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前針對嵌入式系統(tǒng)的外圍硬件設(shè)備擴展很多，常用的有串口、以太網(wǎng)接口(網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)、USB接口(USB設(shè)備，如優(yōu)盤、數(shù)碼相機、移動硬盤等外部存儲設(shè)備)、音頻接口(如MP3)、液晶顯示屏(如數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、MP4播放器、PDA等)、攝像頭(拍照手機)等?？梢钥吹?，不同的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計可能會用到不同的外圍硬件設(shè)備。以數(shù)碼相機為例，它需要使用到攝像頭、液晶顯示屏、USB接口、SD或MS卡，如果該數(shù)碼相機有MP3功能，就還需要加上音頻解碼設(shè)備。沒有外圍設(shè)備的支持，嵌入式系統(tǒng)是不完整的。

(2)嵌入式軟件系統(tǒng)主要包括低層驅(qū)動、操作系統(tǒng)軟件(嵌入式操作系統(tǒng))和應(yīng)用程序(應(yīng)用軟件)三個部分。低層驅(qū)動實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件之間的接口；操作系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度、任務(wù)處理；應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的應(yīng)用。由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，應(yīng)用程序(應(yīng)用軟件)的表現(xiàn)形式也千差萬別。有時設(shè)計人員會把操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部分組合在一起，應(yīng)用軟件控制系統(tǒng)的運作和行為，操作系統(tǒng)控制應(yīng)用程序編程與硬件的交互。

在嵌入式系統(tǒng)的組成中，嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式處理器。因此嵌入式處理器的技術(shù)指標(biāo)如功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等均受到應(yīng)用要求的制約，這些也是半導(dǎo)體廠商之間競爭的熱點。嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。一般來說，軟件需要固化存儲，有時稱為固件(Firmware)。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點

與常見的通用計算機系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)一般具有以下特點：

(1)面向特定的應(yīng)用。與通用CPU相比，嵌入式CPU是為特定用戶群設(shè)計的。如ARM系列多用于手機中，Motorola公司的PowerPC系統(tǒng)多用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工作站中。應(yīng)用需求決定了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計。決定嵌入式CPU應(yīng)用環(huán)境的主要因素在于其提供的接口功能和處理速度。

(2)專用性強，可根據(jù)需要靈活定制。嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。

(3)系統(tǒng)內(nèi)核小。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于小型電子裝置中，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。例如，

C/OS系統(tǒng)的內(nèi)核只有5KB，而Windows的內(nèi)核則要大得多。

(4)體積小、功耗低、成本低、效率高。由于嵌入式系統(tǒng)集成度高、體積小，所以對其系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件一般有一些特殊要求，如軟件固化在ROM中，要求具有高質(zhì)量高可靠性的軟件代碼，并具有實時處理能力等。同時，由于嵌入式系統(tǒng)往往沒有充足的電能(如電池供電)，所以多為低功耗系統(tǒng)。系統(tǒng)功耗越低，溫度越低，其可靠性和穩(wěn)定性也就越高。

(5)具有較長的生命周期。嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機結(jié)合在一起，其升級和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行。

(6)通常有實時性要求，因此一般都要求有高實時性操作系統(tǒng)(Real-TimeOperatingSystem,RTOS)。這是嵌入式軟件的基本要求，用以實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、資源分配等功能。按照實時性的不同，嵌入式系統(tǒng)可以分為軟實時系統(tǒng)和硬實時系統(tǒng)。軟實時系統(tǒng)對實時要求不高，通常用于人機交互較多的領(lǐng)域，而硬實時系統(tǒng)主要應(yīng)用于工控、航天、軍事等領(lǐng)域。

(7)需要專門的軟、硬件開發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)的運行平臺與開發(fā)平臺是不同的，嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，需要專門的軟、硬件開發(fā)工具和環(huán)境，因此開發(fā)較為困難。通常嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)采用交叉開發(fā)環(huán)境：開發(fā)平臺稱為宿主機，有豐富的軟、硬件資源；運行嵌入式軟件的平臺稱為目標(biāo)機，資源相對有限。用戶在宿主機上進(jìn)行軟件的編輯、編譯，然后下載到目標(biāo)機上調(diào)試、運行。

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2000年全球嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中8051體系的占了多半。生產(chǎn)8051單片機的半導(dǎo)體廠家有20多個，共350多種衍生產(chǎn)品，僅NXP就有近百種。1.2嵌入式處理器現(xiàn)在幾乎每個半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，而且越來越多的公司擁有自己的處理器設(shè)計部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到4GB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個引腳到208個引腳。1.2.1嵌入式處理器的分類

從應(yīng)用的角度來劃分，嵌入式處理器包含了下面幾種類型。

1．嵌入式微控制器

嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)又稱單片機，它將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。MCU一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、總線邏輯、定時器等各種必要的功能模塊。與微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大縮小，使功耗和成本下降，可靠性提高。

MCU是目前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主流。由于MCU的片上資源一般比較豐富，適于控制，因此稱微控制器。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以最大限度地與應(yīng)用需求相匹配，從而減小功耗和成本。

目前MCU的品種和數(shù)量繁多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外，還有許多半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541等。

2．嵌入式微處理器

嵌入式微處理器(MicroprocessorUnit，MPU)的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，MPU雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本一樣，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。

目前MPU主要有Aml86/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

MPU可分為復(fù)雜指令集計算機CISC和精減指令集計算機RISC兩類。大多數(shù)臺式計算機都使用CISC微處理器，如Intel的X86。RISC結(jié)構(gòu)體系有兩大主流：SiliconGraphics公司(硅谷圖形公司)的MIPS技術(shù)及ARM公司的AdvancedRISCMachines技術(shù)。

RISC和CISC是目前設(shè)計制造微處理器的兩種典型技術(shù)，為達(dá)到高效的目的，采用的方法不同。它們的差異主要有以下幾點：

(1)指令系統(tǒng)。RISC設(shè)計者把主要精力放在那些經(jīng)常使用的指令上，對不常用的功能，常通過組合指令來實現(xiàn)；CISC計算機的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。

(2)存儲器操作。RISC對存儲器操作有限制，使控制簡單化；CISC機器的存儲器操作指令多，操作直接。

(3)程序。RISC匯編語言程序一般需要較大的內(nèi)存空間，實現(xiàn)特殊功能時程序復(fù)雜，不易設(shè)計；CISC匯編語言程序編程相對簡單，科學(xué)計算及復(fù)雜操作的程序設(shè)計相對容易，效率較高。

(4)中斷。RISC機器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷；CISC機器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷的。

(5)

CPU。RISCCPU包含較少的單元電路，面積小、功耗低；CISCCPU包含豐富的電路單元，功能強、面積大、功耗高。

(6)設(shè)計周期。RISC微處理器結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，設(shè)計周期短，且易于采用最新技術(shù)；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計周期長。

(7)易用性。RISC微處理器結(jié)構(gòu)簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強大，實現(xiàn)特殊功能容易。

(8)應(yīng)用范圍。RISC機器更適合于嵌入式應(yīng)用，CISC機器則更適合于通用計算機。

3．嵌入式DSP

嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域。

推動嵌入式DSP發(fā)展的一個重要因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化。例如，各種帶有智能邏輯的消費類產(chǎn)品、生物信息識別終端、帶有加/解密算法的鍵盤、ADSL接入、實時語音壓縮解壓系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實顯示等。這類智能化算法一般運算量都比較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP的長處所在。嵌入式DSP有兩個發(fā)展來源，一是DSP經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP，例如TI的TMS320C2000/C5000；二是在通用單片機或片上系統(tǒng)(SoC)中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296。

嵌入式DSP比較有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、用于移動通信的C5000系列以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP的設(shè)計者們把重點放在了處理連續(xù)的數(shù)據(jù)流上。如果嵌入式應(yīng)用中強調(diào)對連續(xù)數(shù)據(jù)流的處理及高精度復(fù)雜運算，則應(yīng)該選用DSP器件。

4．嵌入式片上系統(tǒng)

隨著VLSI設(shè)計的普及和半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就是SoC(Systemon-Chip)。各種通用處理器內(nèi)核和其它外圍設(shè)備都將成為SoC設(shè)計公司標(biāo)準(zhǔn)庫中的器件，可用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等硬件描述語言描述。用戶只需定義出整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作芯片樣品。這樣，整個嵌入式系統(tǒng)大部分都可以集成到一塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)的電路板將變得很簡潔，這將有利于減小體積和功耗，從而提高系統(tǒng)的可靠性。嵌入式SoC的設(shè)計關(guān)鍵是IP核的設(shè)計。IP核分為硬核、軟核和固核。IP核設(shè)計是嵌入式技術(shù)的重要支持技術(shù)。在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時，可以通過使用IP核技術(shù)完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計。在IP技術(shù)中把不同功能的電路模塊稱為IP，這些IP都是經(jīng)過實際制作并證明其是正確的。在EDA設(shè)計工具中把這些IP組織在一個IP元件庫中，供用戶使用。設(shè)計電子系統(tǒng)時，用戶需要知道IP模塊的功能和技術(shù)性能。把不同的IP模塊嵌入在一個硅片上，可以形成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。IP技術(shù)極大地簡化了SoC的設(shè)計過程，縮短了設(shè)計時間，因此已經(jīng)成為目前電子系統(tǒng)設(shè)計的重要的基本技術(shù)。

SoC可以分為通用系列和專用系列兩類。通用系列包括Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。1.2.2ARM處理器

ARM(AdvancedRISCMachines)既可以認(rèn)為是一個公司的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器，即通常所說的ARM微處理器，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各個領(lǐng)域。

1．ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域

1)工業(yè)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，而且也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

2)無線通信領(lǐng)域

目前已有超過85%的無線通信設(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)網(wǎng)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DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

4)消費類電子產(chǎn)品

ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機中得到廣泛應(yīng)用。

5)成像和安全產(chǎn)品

現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。

2．ARM微處理器的特點

ARM微處理器有如下特點：

(1)體積小、功耗低、成本低、性能高；

(2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，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．ARM微處理器系列

ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)從最初開發(fā)到目前已有了很大的改進(jìn)，并仍在完善和發(fā)展中。為了清楚地表達(dá)每個ARM應(yīng)用實例所使用的指令集，ARM公司定義了7種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)版本，以版本號V1～V7表示。

(1)

V1版架構(gòu)只在原型機ARM1中出現(xiàn)過，只有26位的尋址空間，沒有用于商業(yè)產(chǎn)品。其尋址空間為64MB。

(2)

V2版架構(gòu)對V1版進(jìn)行了擴展，例如ARM2和ARM3(V2a)架構(gòu)。V2包含了對32位乘法指令和協(xié)處理器指令的支持。版本V2a是版本V2的變種，ARM3芯片采用了版本V2a，是第一個采用片上Cache的ARM處理器。

(3)

V3版架構(gòu)是ARM公司于1990年設(shè)計的第一個微處理器ARM6。它是一款I(lǐng)P核獨立的處理器，具有片上高速緩存、MMU和寫緩沖等功能，其變種版本有V3G和V3M。它的尋址空間增至32位(4GB)，當(dāng)前程序狀態(tài)信息從原來的R15寄存器移到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中(CurrentProgramStatusRegister)。V3版架構(gòu)增加了程序狀態(tài)保存寄存器SPSR(SavedProgramStatusRegister)和兩種異常模式，使操作系統(tǒng)代碼可方便地使用數(shù)據(jù)訪問中止異常、指令預(yù)取中止異常和未定義指令異常。

(4)

V4版架構(gòu)在V3版上作了進(jìn)一步擴充，它是目前應(yīng)用最廣的ARM體系結(jié)構(gòu)，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用該架構(gòu)。V4不再強制要求與26位地址空間兼容，而且還明確了哪些指令會引起未定義指令異常。其指令集增加了T變種，處理器可工作在Thumb狀態(tài)，增加了16位Thumb指令集，完善了軟件中斷SWI指令的功能。V4版架構(gòu)處理器系統(tǒng)模式引進(jìn)特權(quán)方式時使用用戶寄存器操作，把一些未使用的指令空間捕獲為未定義指令。

(5)

V5版架構(gòu)在V4版基礎(chǔ)上增加了一些新的指令，ARM10和XScale都采用該版架構(gòu)。其新增的指令有帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令、計數(shù)前導(dǎo)零CLZ指令、BRK中斷指令和數(shù)字信號處理指令(V5TE版)。V5還為協(xié)處理器增加了更多可選擇的指令，改進(jìn)了ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率，它的指令增加了E變種(增強型DSP指令集，包括全部算法操作和16位乘法操作)和J變種(支持新的JAVA，提供字節(jié)代碼執(zhí)行的硬件和優(yōu)化軟件加速功能)。

(6)

V6版架構(gòu)是2001年發(fā)布的，并在2002年春季發(fā)布的ARM11處理器中使用。V6在降低耗電量的同時，還強化了圖形處理性能。通過追加有效進(jìn)行多媒體處理的SIMD(SingleInstruction，MultipleData，單指令多數(shù)據(jù))功能，將語音及圖像的處理功能提高到了原型機的4倍。

(7)

V7架構(gòu)是在V6架構(gòu)的基礎(chǔ)上誕生的。該架構(gòu)采用了Thumb-2技術(shù)，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并且保持了對現(xiàn)存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術(shù)比純32位代碼少使用31%的內(nèi)存，減小了系統(tǒng)開銷，同時能夠提供比已有的基于Thumb技術(shù)的解決方案高出38%的性能。V7架構(gòu)還采用了NEON技術(shù)，將DSP和媒體處理能力提高了近4倍，并支持改良的浮點運算，滿足下一代3D圖形、游戲物理應(yīng)用以及傳統(tǒng)嵌入式控制應(yīng)用的需求。此外，V7架構(gòu)還支持改良的運行環(huán)境，以迎合不斷增加的JIT(JustInTime)和DAC(DynamicAdaptiveCompilation)技術(shù)的使用。

目前市面上常用的ARM處理器有ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10系列、ARM11系列、Cortex系列和SecurCore系列，分別用于開發(fā)不同的產(chǎn)品。如ARM7系列適用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動電話等應(yīng)用；ARM9、ARM9E和ARM10E系列則更適合無線設(shè)備、消費類電子產(chǎn)品的設(shè)計；SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計。

常見的基于ARM核的產(chǎn)品有Intel公司的XScale系列，ST公司的STM32系列，F(xiàn)reescale公司龍珠系列iMX處理器，TI公司DSP+ARM處理器OMAP和Cortex核的LM3S系列，CirrusLogic公司的ARM系列，SamSung公司的ARM系列，Atmel公司的AT91系列微控制器，NXP公司的微控制器系列。

4．ARMCortex處理器簡介

ARM公司在ARM11系列以后的產(chǎn)品改用Cortex命名，并分成A、R和M三類，旨在為各種不同的市場提供服務(wù)。

Cortex系列屬于V7架構(gòu)，它是ARM公司最新的指令集架構(gòu)。V7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：A系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用，R系列針對實時系統(tǒng)，M系列針對微控制器。由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，基于V7架構(gòu)的Cortex處理器系列所采用的技術(shù)也不相同，基于V7A的稱為Cortex-A系列，基于V7R的稱為Cortex-R系列，基于V7M的稱為Cortex-M系列。

1)

Cortex-A處理器

Cortex-A處理器適用于具有高計算要求、運行豐富操作系統(tǒng)以及提供交互媒體和圖形體驗的應(yīng)用領(lǐng)域。從最新技術(shù)的移動Internet必備設(shè)備(如手機和超便攜的上網(wǎng)筆記本或智能筆記本)到汽車信息娛樂系統(tǒng)和下一代數(shù)字電視系統(tǒng)，ARMCortex-A處理器可向托管豐富的操作系統(tǒng)平臺的設(shè)備和用戶應(yīng)用提供全方位的解決方案，包括超低成本的手機、智能手機、移動計算平臺、數(shù)字電視、機頂盒、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、打印機和服務(wù)器解決方案。高性能的Cortex-A15、可伸縮的Cortex-A9、經(jīng)過市場驗證的Cortex-A8處理器和高效的Cortex-A5處理器均共享同一體系結(jié)構(gòu)，因此具有完整的應(yīng)用兼容性，支持傳統(tǒng)的ARM、Thumb?指令集和新增的高性能緊湊型Thumb-2指令集。

Cortex-A處理器的應(yīng)用非常廣泛，具體包括上網(wǎng)筆記本、智能筆記本、輸入板、電子書閱讀器、智能手機、特色手機、數(shù)字家電、機頂盒、數(shù)字電視、藍(lán)光播放器、游戲控制臺、導(dǎo)航、激光打印機、路由器、無線基站、VOIP電話和設(shè)備、Web2.0、無線基站、交換機、服務(wù)器等。Cortex-A處理器的應(yīng)用示例如圖1.1所示。

目前比較常見的Cortex-A處理器型號有Cortex-A8、Cortex-A9等。

圖1.1Cortex-A處理器的應(yīng)用示例

2)

Cortex-R處理器

Cortex-R處理器為具有嚴(yán)格的實時響應(yīng)限制的深層嵌入式系統(tǒng)提供高性能計算解決方案，為范圍廣泛的深層嵌入式半導(dǎo)體應(yīng)用市場設(shè)置了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了大約20個許可接收方、100個設(shè)計和數(shù)百萬的設(shè)備。

(1)

Cortex-R處理器的目標(biāo)應(yīng)用。Cortex-R處理器的目標(biāo)應(yīng)用包括智能手機和基帶調(diào)制解調(diào)器中的移動手機處理、企業(yè)系統(tǒng)、硬盤驅(qū)動器、聯(lián)網(wǎng)和打印、家庭消費性電子產(chǎn)品、機頂盒、數(shù)字電視、媒體播放器和數(shù)碼相機以及應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)、工業(yè)和汽車行業(yè)的可靠系統(tǒng)的嵌入式微控制器。在這些應(yīng)用中，采用的是對處理響應(yīng)設(shè)置硬截止時間的系統(tǒng)，如果要避免數(shù)據(jù)丟失或機械損傷，則必須符合所設(shè)置的這些硬截止時間。因此Cortex-R處理器是專為高性能、高可靠性和容錯能力而設(shè)計的，其行為具有高確定性，同時保持很高的能效和成本效益。

(2)

Cortex-R處理器的主要功能。

①快速：以高時鐘頻率獲得高處理性能；

②確定性：處理在所有場合都必須符合硬實時限制；

③安全：系統(tǒng)必須可靠且可信(某些系統(tǒng)須是安全關(guān)鍵系統(tǒng))；④成本效益：在處理器及其內(nèi)存系統(tǒng)中都具有競爭力的成本和功耗。

此功能集將Cortex-R、Cortex-M和Cortex-A系列處理器區(qū)別開來。顯而易見，Cortex-R提供的性能比Cortex-M系列提供的性能高得多，而Cortex-A專用于具有復(fù)雜軟件操作系統(tǒng)(使用虛擬內(nèi)存管理)的面向用戶的應(yīng)用。

Cortex-R處理器保持了與經(jīng)典ARM處理器(如ARM7TDMI-S、ARM946E-S、ARM968E-S和ARM1156T2-S)的二進(jìn)制兼容性，因此可確保應(yīng)用的可移植性。它對于經(jīng)認(rèn)證可用于汽車系統(tǒng)的代碼很有用，當(dāng)舊源代碼不再可用時也非常有用。這些嵌入式系統(tǒng)處理器通常運行實時軟件操作系統(tǒng)(RTOS)并且不需要虛擬內(nèi)存管理單元(MMU)。但是，實時ARM處理器支持內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)和緊密耦合內(nèi)存(TCM)，它們使代碼和數(shù)據(jù)隨時可供處理器訪問。

Cortex-R系列處理器常用的有Cortex-R4、Cortex-R5和Cortex-R7等，主要滿足深層嵌入式和實時市場(如汽車安全或無線基帶)所要求的主要功能。Cortex-R處理器的應(yīng)用示例如圖1.2所示。

圖1.2Cortex-R處理器的應(yīng)用示例

3)

Cortex-M處理器

Cortex-M處理器是全球微控制器標(biāo)準(zhǔn)，已許可給40個以上的ARM合作伙伴，包括NXPSemiconductors、STMicroelectronics、TexasInstruments和Toshiba等領(lǐng)先供應(yīng)商。使用標(biāo)準(zhǔn)處理器可以使ARM合作伙伴創(chuàng)建具有一致體系結(jié)構(gòu)的設(shè)備，同時使它們可以專注于創(chuàng)建優(yōu)秀的設(shè)備實現(xiàn)。

Cortex-M處理器是一系列可向上兼容的高能效、易于使用的處理器，這些處理器旨在幫助開發(fā)人員滿足將來的嵌入式應(yīng)用的需要。這些需要包括以更低的成本提供更多功能、不斷增加連接、改善代碼重用和提高能效。Cortex-M系列針對成本和功耗敏感的MCU和終端應(yīng)用(如智能測量、人機接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、消費性產(chǎn)品和醫(yī)療器械)的混合信號設(shè)備進(jìn)行過優(yōu)化。Cortex-M處理器的應(yīng)用示例如圖1.3所示。

圖1.3Cortex-M處理器的應(yīng)用示例

Cortex-M處理器的主要特點如下：

(1)能效。具有更低的功耗，更長的電池壽命。處理器能以更低的頻率或更短的活動時段運行，同時具有基于架構(gòu)的睡眠模式支持，比8/16位設(shè)備的工作方式更智能，睡眠時間更長。

(2)更小的代碼。Cortex-M處理器具有高密度指令集，可比8/16位設(shè)備每字節(jié)完成更多操作，因此也只需要更小的RAM、ROM或閃存要求。

(3)易于使用。擁有多個供應(yīng)商之間的全球標(biāo)準(zhǔn)，能夠更快地開發(fā)軟件。

(4)代碼兼容性。Cortex-M處理器具有統(tǒng)一的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)支持。

(5)高性能。Cortex-M處理器是更有競爭力的產(chǎn)品，每兆赫茲可提供更高的性能，能夠以更低的功耗實現(xiàn)更豐富的功能。

目前比較常見的Cortex-M處理器有Cortex-M0和Cortex-M3。

(1)Cortex-M0處理器。Cortex-M0處理器是現(xiàn)有的體積最小、能耗最低且能效最高的ARM處理器。該處理器硅面積極小、能耗極低并且所需的代碼量極少，這使得開發(fā)人員能夠以8位設(shè)備的價格實現(xiàn)32位設(shè)備的性能，從而省略16位設(shè)備的研發(fā)步驟。Cortex-M0處理器超低的門數(shù)也使得它可以部署在模擬和混合信號設(shè)備中。

Cortex-M0的代碼密度和能效優(yōu)勢意味著它是各種應(yīng)用中8/16位設(shè)備的自然高性價比換代產(chǎn)品，同時保留與功能豐富的Cortex-M3處理器的工具和二進(jìn)制向上兼容性。

Cortex-M0處理器具有超低的能耗，在不到12K門的面積內(nèi)能耗僅有85μW/MHz(0.085mW)，所憑借的是作為低能耗技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者和創(chuàng)建超低能耗設(shè)備的主要推動者的無與倫比的ARM專門技術(shù)。它的指令只有56個，開發(fā)人員可以快速掌握整個Cortex-M0指令集，但其C語言友好體系結(jié)構(gòu)意味著這并不是必需的?？晒┻x擇的具有完全確定性的指令和中斷計時使得計算響應(yīng)時間十分容易。同時，Cortex-M0處理器設(shè)計為支持低能耗連接，如BluetoothLowEnergy(BLE)、IEEE802.15和Z-wave，在這樣的模擬設(shè)備中，這些模擬設(shè)備正在增加其數(shù)字功能，以有效地預(yù)處理和傳輸數(shù)據(jù)。

(2)

Cortex-M3處理器。ARM公司于2004年引進(jìn)并通過新技術(shù)更新了可配置性的Cortex-M3處理器，它是專門針對微控制器應(yīng)用開發(fā)的主流ARM處理器，是行業(yè)領(lǐng)先的32位處理器，適用于具有高確定性的實時應(yīng)用，已專門開發(fā)為允許合作伙伴為范圍廣泛的設(shè)備(包括微控制器、汽車車體系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及無線網(wǎng)絡(luò)和傳感器)開發(fā)高性能、低成本的平臺。該處理器提供出色的計算性能和對事件的卓越系統(tǒng)響應(yīng)，同時可以應(yīng)對低動態(tài)和靜態(tài)功率限制的挑戰(zhàn)。該處理器是高度可配置的，可以支持范圍廣泛的實現(xiàn)(從那些需要內(nèi)存保護(hù)和強大跟蹤技術(shù)的實現(xiàn)到那些需要極小面積的對成本非常敏感的設(shè)備)。

Cortex-M3處理器提供更高的性能和更豐富的功能，它具有高性能和低動態(tài)能耗，在90

nm制程時的額定功效為12.5DMIPS/mW。將集成的睡眠模式與可選的狀態(tài)保留功能相結(jié)合，Cortex-M3處理器確保對于同時需要低能耗和出色性能的應(yīng)用不存在折中。

Cortex-M3處理器執(zhí)行Thumb?-2指令集以獲得最佳性能和代碼大小，包括硬件除法、單周期乘法和位字段操作。Cortex-M3NVIC在設(shè)計時是高度可配置的，最多可提供240個具有單獨優(yōu)先級、動態(tài)重設(shè)優(yōu)先級功能和集成系統(tǒng)時鐘的系統(tǒng)中斷。

Cortex-M3處理器具有豐富的外圍設(shè)備連接，功能和性能的組合使基于Cortex-M3的設(shè)備可以有效處理多個I/O通道和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如USBOTG(On-The-Go)、Ethernet、CANBus等。

1.3.1操作系統(tǒng)的概念

大型嵌入式系統(tǒng)通常需要完成復(fù)雜的功能，所以需要操作系統(tǒng)來完成各任務(wù)之間的調(diào)度。由于桌面型操作系統(tǒng)的體積以及實時性等特性不能滿足嵌入式系統(tǒng)的要求，從而促進(jìn)了嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展。1.3嵌入式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)的基本思想是隱藏底層不同硬件的差異，向在其上運行的應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的調(diào)用接口。應(yīng)用程序通過這一接口實現(xiàn)對硬件的使用和控制，不必考慮不同硬件操作方式的差異。

很多產(chǎn)品廠商選擇購買操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應(yīng)用程序，形成產(chǎn)品。事實上，因為嵌入式系統(tǒng)是將所有程序，包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序及應(yīng)用程序的程序代碼全部燒寫進(jìn)ROM中執(zhí)行，所以操作系統(tǒng)在這里的角色更像是一套函數(shù)庫(Library)。操作系統(tǒng)主要完成三項任務(wù)：內(nèi)存管理、多任務(wù)管理和外圍設(shè)備管理。

嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperatingSystem，EOS)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過加載/卸載某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。

EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點：

(1)強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預(yù)，這就要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有很強的穩(wěn)定性。

(2)較強的實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設(shè)備的控制當(dāng)中。

(3)可伸縮性。EOS具有開放、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。

(4)外設(shè)接口的統(tǒng)一性。EOS提供各種設(shè)備驅(qū)動接口。

嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)核心通常要求體積很小，因為硬件ROM的容量有限，除了應(yīng)用程序之外，不希望操作系統(tǒng)占用太大的存儲空間。事實上，嵌入式操作系統(tǒng)可以很小，只提供基本的管理功能和調(diào)度功能?？s小到10KB～20KB以內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)比比皆是。不同的應(yīng)用場合會產(chǎn)生不同特點的嵌入式操作系統(tǒng)，但都會有一個核心(Kernel)和一些系統(tǒng)服務(wù)(SystemService)。操作系統(tǒng)必須提供一些系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)用程序調(diào)用，包括文件系統(tǒng)、內(nèi)存分配、I/O存取服務(wù)、中斷服務(wù)、任務(wù)(Task)服務(wù)、時間(Timer)服務(wù)等，設(shè)備驅(qū)動程序(DeviceDriver)則是要建立在I/O存取和中斷服務(wù)上的。有些嵌入式操作系統(tǒng)也會提供多種通信協(xié)議，以及用戶接口函數(shù)庫等。1.3.2嵌入式Linux

Linux是目前最為流行的一款開放源代碼的操作系