ARM嵌入式系统的问题总结分析

1、ARM«入式系统的问题总结分析摘要：本文是作者关于嵌入式系统一些基本问题的思考和总结。 主要是从嵌入式处理器与硬件、ARMfe理器的优势、嵌入式软 件、嵌入式系统教学等方面进行了一些梳理，谈了一些个人的 观点。引言由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化， 嵌入式系统在后PC时代得到了空前的发展。随着时间的推移和 技术的进步，在工业控制和新兴的手持式应用等领域，用户体 验成为产品成功的关键因素之一，越来越多的产品需要良好的 用户界面、互联功能以及摘要：本文是作者关于嵌入式系统一些基本问题的思考和总结。主要是从嵌入式处理器与硬件、ARMt理器的优势、嵌入式软件、嵌入式系统教学等方面进

2、行了一些梳理，谈了一些个 人的观点。引言由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化，嵌入式系统 在后PC时代得到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进 步，在工业控制和新兴的手持式应用等领域，用户体验成为产 品成功的关键因素之一，越来越多的产品需要良好的用户界 面、互联功能以及较强的数据处理能力，这对嵌入式处理器硬 件、软件、教学等提出了新的要求。1 嵌入式处理器与硬件在处理器方面，目前大量的中、低端嵌入式应用，主要使用8/16位单片机。在国内，由于历史的原因，主要是以MCS5核为主的许多不同型号单片机，主要厂商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。还有一些近几年发展较快的新型

3、单片机，如 PIC、AVR MSP43源歹U等。这些单片机各有特点，但从目前的 发展角度来看，单片机针对特定应用领域的个性化发展愈发明显，典型的例子就是 TI公司的MSP4301列16位单片机、ST 公司的STM8膝列8位单片机和STM32底列32位超低功耗单 片机。在嵌入式中的高端应用领域，像工业控制、POSM、网络设备、图像处理、手机、 PD瞪，目前主要使用 ARM MIPSPowerPC DS博1664位处理器，以32位处理器为主。各种 类型的处理器都有其一定的应用针对性。例如，DSP对数字信号处理技术中用到的常用运算、算法做了优化设计，主要用于 实时信号处理领域，如实时音视频处理、电机

4、控制等。MIPS处理器性能很好，但功耗较大，适合于有交流电源供电的固定应 用，如固定的网络设备、机顶盒等。ARMt理器性能高，功耗低，适合于用电池供电的便携、手持式设备。由于近几年便 携、手持式嵌入式应用的高速发展，ARMt理器的增长速度和市场占有率也快速提升，成为目前 32位应用中的主力产品。 由于嵌入式应用系统的广泛性，嵌入式系统的硬件设计涉及的 知识面很广，从模拟到数字、低频到高频、小信号到大功率， 以及复杂的时序逻辑设计和 PC暇计，还要考虑软硬件资源的 合理分配，不仅要有广而扎实的理论基础，更需要丰富的实践 经验。只有对大大小小各种应用系统反复实战演练，了解新技 术、新器件，使用过多

5、种多样的处理器和模拟/数字器件，才能逐步积累，聚沙成塔，对一个新的应用系统给出快速、合理的 硬件方案与设计。2 ARM处理器的优势对于如今大量出现的32位嵌入式应用，以笔者之见，ARM&理 器的优势主要有以下几个方面。2.1 高性能、低功耗、低价格把ARMfe理器的性能拿来和一些著名的通用处理器（如 Pentium）相比是不合适的，因为他们各自针对的应用需求是不 同的。Pentium处理器采用多条指令流水线的超标量结构，追 求通用应用目标下的超强性能，功耗大，可以用散热器加风扇 散热。ARM十对嵌入式应用，在满足性能要求的前提下，力求 最低的功率消耗。ARM吉构的优点是能兼顾到性能、功

6、耗、代 码密度、价格等几个方面，而且做得比较均衡。在性能 /功耗比 （MIPS/VV方面,ARM处理器具有业界领先的性能。基于ARMS的芯片价格也很低，目前 ARM CortexM的芯片价格可低至10元 人民币左右。2.2 丰富的可选择芯片ARMR是一个核，AR/司自己不生产芯片，采用授权方式给半 导体生产商。目前，全球几乎所有的半导体厂家都向ARg司购买了各种ARM亥，配上多种不同的控制器（如 LCD空制器、SDRA螳制器、DMA空制器等)和外设、接口，生产各种基于 ARM亥的芯片。目前，基于 ARM亥的各种处理器型号有好几百 种，在国内市场上，常见的有 ST、TI、NXP Atmel、Sa

7、msung OKI、Sharp、Hynix、Crystal 等厂家的芯片。用户 可以根据各自的应用需求，从性能、功能等方面考察，在许多 具体型号中选择最合适的芯片来设计自己的应用系统。由于 ARM亥采用向上兼容的指令系统，用户开发的软件可以非常方 便地移植到更高的 ARM平台。2.3 广泛的第三方支持以如今的技术，设计一个处理器并非难事，但要使这个处理器 得到大家认可，并取得市场成功却是非常困难的，其中涉及许 多技术与非技术的因素和环节，还包括时机、运气。因为现在 许多产品的开发，不是一个简单的处理器加几百条指令、语句 就可以解决的。要用到 32位处理器，一般都要有编译器、高效 的开发工具(仿

8、真器及调试环境)、操作系统、协议栈等，这 些东西都不是一个芯片生产商可以解决的，而需要许多第三方 的支持。这就像一粒种子，需要土壤、空气、水等环境才能发 芬、成长。这也是我们的一些“中国芯”该反思之处。ARMS过近20年的培育、发展，得到了广泛的第三方合作伙伴 支持。目前，除通用编译器 GCC ARMT自己的高效编译、调试 环境(MDK Keil )，全球约有50家以上的实时操作系统(RTOS软件厂商和30家以上的EDA工具制造商，还有很多高 效率的实时跟踪调试工具的厂商，对ARMI供了很好的支持。用户采用ARM&理器开发产品，既可以获得广泛的支持，也便 于和同行交流，加快开发进度，缩

9、短产品的上市时间。2.4 完整的产品线和发展规划ARM亥根据不同应用需求对处理器的性能要求，有一个从ARM7 ARM傕U ARM10 ARM11 以及新定义的 CortexM/R/A 系列 完整的产品线。前几年应用较多的主要是基于V4架构的ARM7TDMI ARM720T ARM920核的一些处理器芯片，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。近两年，ARM Cortex系列以更好的性 能、更低的价格得到快速推广，典型的就是基于CortexM3的STM3源列。ARM CortexM/R/A系列分别针对不同的应用领域。

10、M系列主要面 向传统微控制器（MCU单片机）应用，这类应用面很广，要求 处理器有丰富的外设，并且各方面比较均衡；R系列强调实时性，主要用于实时控制，如汽车引擎；A系列面向高性能、低功耗应用系统，如智能手机。选用ARMfe理器进行开发，技术积累性较强，生命周期长，设计重用度高，不易被淘汰。用户 在选择ARMt理器时，可以针对应用需求，从大量的ARMS片中选用满足性能、功能要求的产品，以获得较好的性价比。3 ARM嵌入式系统的软件由于嵌入式系统的差异性很大，对不同的应用需求，必须选择 不同的软件设计方法、开发平台和系统工具。对于一些不需要复杂图形用户界面、通信协议和复杂文件操作（如同时打开多个文件

11、）的应用，如果选用CortexM3核的处理器就已可以满足要求，任务数不多，任务之间的关系也不复 杂，则不一定需要移植复杂的操作系统。这样一方面可以降低 系统硬件开销，也可以获得更好的实时性和执行速度。不过， 这样的软件开发方法需要开发人员有较好的程序设计思想，对 所用器件有深入的了解，并掌握其编程控制方法。若引入一个 简单的操作系统，如μC/O§可以简化程序结构，但开发者 最好熟悉其内核结构，并有使用经验，否则可能会需要更多的 系统开发、调试时间。如果选择了带存储器管理单元（MMU的ARMfe理器（如 ARM920T CortexA8等），这种应用系统根据应用、实时性、

12、 开发环境等因素，移植一个功能较强的操作系统一般情况下会 比较合适，如Linux、WinCE甚至新的Android等。这种系统 的开发难度主要是在 OS的移植以及硬件驱动程序的开发上。当 这二步工作完成后，主要的软件开发工作已和在PC机上开发没有多大区别，可以按照一般的软件工程方法来进行，要注意的 只是与ARMM件平台相关的软件优化问题。由于嵌入式系统硬件资源的有限性，嵌入式软件与其他应用软 件的主要区别，在于嵌入式软件要有较高的效率，包括执行速 度和存储空间，尽管这二者经常是相互矛盾的。目前一般要求 更多的是速度优化。要编写出高效的ARM®序，需要开发人员熟悉ARM勺体系结构，包括

13、内核结构、指令系统、 Cache与存 储器结构等，还要有好的程序设计思想，以及对一些常用函数、算法的深刻理解。这个过程也是AR幅统开发从低级到高级的进阶之路。目前，由于应用系统越来越复杂，嵌入式软件的移植性和重用 性也得到了人们的高度重视，因为它直接影响到嵌入式软件的 开发效率和质量。选择一种通用的开发环境和高级编程语言， 使开发的嵌入式软件可以方便地移植到不同的硬件平台，是实 现软件重用的基础。目前在 ARM入式系统开发中，ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM较好的开发平台， C/C+ 语言是应用最广泛的编程语言，并具有广泛的库函数、程序支 持，在今后很长一段时间内，仍将在嵌入式系统应用领域中占 重要地位。4 嵌入式系统的教学如今，嵌入式系统作为一个热门领域，其教学问题也颇受高校 的关注。教学的主要目的是培养社会需要的人，由于嵌入式系 统的广泛性、差异性，社会对从事嵌入系统开发人员的要求也 有很大的不同，既需要从事简单 8/16位单片机开发的人员，也 需要从