1、 论嵌入式系统及其信息产业化发展摘 要：当今信息时代，嵌入式系统的应用无处不在，而 ARM 嵌入式系统应用市场份额约占 75%。从嵌入式系统的基本概念入手，分别从 ARM 的定义、ARM 微处理器、ARM 开发工具及调试方法来介绍 ARM 嵌入式系统基础知识。接着，讨论了 ARM 嵌入式系统的实时性要求，介绍了目前市场上的实时多任务操作系统（RTOS）。最后，概括了 ARM 技术的应用领域及其产业化发展，并预测 ARM技术发展的前景。 关键词：嵌入式系统；ARM；微处理器；RTOS 1 引言 随着计算机技术、络技术和微电子技术的深入发展，嵌入式系统的应用无处不在。 ARM 是目前公认的业界领先
2、的 32 位嵌入式 RISC（精简指令计算机）微处理器。ARM 技术日益成熟和不断发展，正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 本文从实际出发，首先介绍嵌入式系统的基本概念，随之重点阐述了由 ARM 微处理器构成的嵌入式系统（简称ARM 嵌入式系统）的基础知识，最后分析了 ARM 技术的产业化发展过程及发展趋势。 2 嵌入式系统 2.1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统的英文叫做 Embedded System，是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，但又跟通用计算机系统不同。嵌入式系统的定义是：“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积
3、和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。 2.2 嵌入式系统的架构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有 3 个部分，如图 1 所示。 （1）硬件环境：是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，硬件平台包括嵌入式处理器和外围设备。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。 （2）嵌入式操作系统：完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较精简、可配置、与高层应用紧
4、密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。 （3）嵌入式应用程序：运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 3 ARM 嵌入式系统 3.1 什么是 ARM ARM 是 Advanced RISC Machines 的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的 RISC 处理器、相关技术及软件。 ARM 技术有很好的性能和功效，其合作伙伴包括世界许多顶级的半导体公司。目前，共有 30 家半导体公司与 ARM 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括 Intel、IBM、LG 半导体、NEC、SONY
5、 、PHILIPS 和国家半导体这样的大公司。可以说，ARM 不仅仅代表一个公司，代表了一类微处理器，代表了一种技术，还代表了一种新型的产业发展模式。 3.2 ARM 处理器核系列及应用 ARM 公司开发了一系列 ARM 处理器核。目前最新的系列已经是 ARM11 了。ARM6 及更早的系列已经罕见了，ARM7以后的核也不是都获得广泛应用。目前应用最多的是 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、带有高速缓存处理器宏单元的
6、ARM720T 和扩充了 Iazelle 的 ARM7EJ-S。该系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括 Internet 设备、络和调制解调器设备以及移动电话、PDA 等无线设备。 ARM9 系列：包括ARM9TDMI、ARM920T 和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。该系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、PDA、络电脑以及带有 MP3 音频和 MPEG4 视频多媒体格式的智能电话中。 ARM9E 系列：为综合处理器，包括 ARM926EJ-S、带有高速缓存处理宏单元的 ARM966E-S/ARM946E-S。该系列强化了数字信号处理功能，可应用于需要D
7、SP 与微控制器结合使用的情况，将 Thumb 技术和 DSP 都扩展到ARM 指令集中，并具有 EmbeddedICE-RT 逻辑，更好地适应了实时系统的开发需要。 ARM10 系列：包括 ARM1020E 和ARM1020E 微处理器核。其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10 提供高性能的浮点解决方案，从而极大地提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户界面的 2D 和 3D 图形引擎应用夯实基础，如视频游戏机和高性能打印机等。 SecurCore 系列：包括SC100、SC110、SC200 和 SC210 处理器核。该系列主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡
8、和其他安全 IC 开发提供独特的 32 位系统设计，并具有特定的反伪造方法，从而有助于防止对硬件和软件的盗版。 StrongARM 系列：StrongARM处理器将 Intel 处理器技术和 ARM 体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。 Xscale 系列：提供全性能、高性价比和低功耗的解决方案，支持 16 位 Thumb指令和 DSP 指令。 3.3 ARM 微处理器的特点 采用RISC 体系架构的 ARM 微处理器一般有如下特点 : （1）体积小、低功耗、低成本、高性能； （2）支持 Thumb(16 位)/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容 8
9、位/16 位器件； （3）大量使用寄存器，指令执行速度更快； （4）大多数数据操作都在寄存器中完成； （5）寻址方式灵活简单，执行效率高； （6）指令长度固定。 3.4 ARM 微处理器的指令结构 ARM 微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM 指令集和 Thumb 指令集。其中，ARM 指令为 32 位的长度，Thumb 指令为 16 位长度。 Thumb 指令集为 ARM 指令集的功能子集，但与等价的 ARM 代码相比较，可节省 30-40 以上的存储空间，同时具备 32 位代码的所有优点。 3.5 ARM 嵌入式系统开发工具及调试方法 ARM 处理器产品作为一种高性能、低功耗的
10、处理器产品，现在已经得到广泛的应用， ARM 开发工具也因此得到发展，除 ARM 公司自己推出 ARM 集成开发工具外，还有一些公司也研发 ARM 开发工具。目前市场上有 ARM SDT、ARM ADS、MULTI 2000、 Hitools for ARM、Embest IDE for ARM 五种集成开发环境。这些产品在国内有相对较畅通的销售渠道，用户容易购买。前三种由国外厂商出品，历史比较悠久，在全球范围内应用较为广泛，后两种由国内厂商推出，具有很高的性价比。 ARM 应用软件的开发工具根据功能的不同，分别有编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数库、评估板、JT
11、AG 仿真器、在线仿真器等， 用户选用 ARM 处理器开发嵌入式系统时，选择合适的开发工具可以加快开发进度，节省开发成本。因此一套含有编辑软件、编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、工程管理及函数库的集成开发环境（IDE）一般来说是必不可少的，至于嵌入式实时操作系统、评估板等其他开发工具则可以根据应用软件规模和开发计划选用。目前常见的调试方法有以下几种。 （1）指令集模拟器。 部分集成开发环境提供了指令集模拟器，可方便用户在 PC 机上完成一部分简单的调试工作，但是由于指令集模拟器与真实的硬件环境相差很大，因此即使用户使用指令集模拟器调试通过的程序也有可能无法在真实的硬件环境下运行，用户最终
12、必须在硬件平台上完成整个应用的开发。 （2）驻留监控软件。 驻留监控软件（Resident Monitors）是一段运行在目标板上的程序，集成开发环境中的调试软件通过以太口、并行端口、串行端口等通讯端口与驻留监控软件进行交互，由调试软件发布命令通知驻留监控软件控制程序的执行、读写存储器、读写寄存器、设置断点等。 驻留监控软件是一种比较低廉有效的调试方式，不需要任何其他的硬件调试和仿真设备。ARM 公司的 Angel 就是该类软件，大部分嵌入式实时操作系统也是采用该类软件进行调试，不同的是在嵌入式实时操作系统中，驻留监控软件是作为操作系统的一个任务存在的。 驻留监控软件的不便之处在于它对硬件设备
13、的要求比较高，一般在硬件稳定之后才能进行应用软件的开发，同时它占用目标板上的一部分资源，而且不能对程序的全速运行进行完全仿真，所以对一些要求严格的情况不是很适合。 （3）JTAG 仿真器。 JTAG 仿真器也称为 JTAG 调试器，是通过ARM 芯片的 JTAG 边界扫描口进行调试的设备。JTAG 仿真器比较便宜，连接比较方便，通过现有的 JTAG 边界扫描口与 ARM CPU 核通信，属于完全非插入式(即不使用片上资源) 调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是驻留监控软件所必需的。另外，由于 JTAG 调试的目标程序是在目标板上执行，仿真更接近于目标硬件，因此，许多接口问
14、题，如高频操作限制、AC和 DC 参数不匹配，电线长度的限制等被最小化了。使用集成开发环境配合 JTAG 仿真器进行开发是目前采用最多的一种调试方式。目前国际市场上较流行的两种 JTAG 仿真器：EPI 公司的 JEENI 和ARM 公司的 Multi-ICE。 （4）在线仿真器。 在线仿真器使用仿真头完全取代目标板上的 CPU，可以完全仿真 ARM 芯片的行为，提供更加深入的调试功能。但这类仿真器为了能够全速仿真时钟速度高于 100MHz 的处理器，通常必须采用极其复杂的设计和工艺，因而其价格比较昂贵。在线仿真器通常用在 ARM 的硬件开发中，在软件的开发中较少使用，其价格高昂也是在线仿真器
15、难以普及的因素。 另外国际市场上较流行的有两种 JTAG 仿真器：EPI 公司的 JEENI 和 ARM 公司的 Multi-ICE。 4 ARM 嵌入式系统的实时性要求 4.1 嵌入式系统软件需要RTOS 开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，是计算机基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在 OS 平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配 RTOS 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间
16、，保障软件质量。 4.2 RTOS RTOS 是英文 Real Time multi-tasking Operation System 的缩写，即实时多任务操作系统。它是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写，没有采用商品化的 RTOS，不能将系统软件和应用软件分开处理。RTOS 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是 RTOS 的 API。RTOS的引入，对嵌入式软件的标准化和加速知识创新
17、是一个里程碑。 5 嵌入式系统的信息产业化发展 5.1 ARM 技术的应用领域 现在，嵌入式技术无处不在， ARM 几乎成为嵌入式技术的代名词。作为一种 16/32 位高性能、低成本、低功耗的嵌入式 RISC微处理器，ARM 微处理器目前已经成为应用广泛的嵌入式微处理器。ARM 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。 (1)工业控制领域：作为 32 位的 RISC 架构，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8 位/16 位微控制器提出了挑战。 (2)无线通讯领域：目前已
18、有超过 85的无线通讯设备采用了 ARM 技术，ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 (3) 络应用：随着宽带技术的推广，采用 ARM 技术的 ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对 DSP 的应用领域提出了挑战。 (4) 消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛应用。 (5)成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM 技术。手机中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。 除此以外，ARM 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得
19、更加广泛的应用。 5.2 嵌入式系统产业化发展 市场需求为嵌入式系统产业化发展注入巨大推动力。嵌入式系统的市场是巨大的，市场需求是嵌入式系统产业化发展的巨大推动力。据报告，10%20%的计算机芯片是为台式或便携式电脑设计的，80%90%的计算机芯片是为嵌入式设备设计的，这意味着每年有 10 亿至 20 亿个 CPU 是为嵌入式设备设计制造的。2003 年，全球嵌入式系统产品的产值已达 2000 亿美元，估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过 10 000 亿美元。世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 1 万亿美元。 6 结语 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，ARM 技术将会不断的变化和进步，ARM 技术的应用领域会再次扩大，ARM 技术带来的工业产值将会剧增，ARM 技术产品的市场前景更加美好。总之，ARM 技术的不断创新会给人类社会生活带来奇迹和享受。
