嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)

　　隨著ARM處理器的流行，為了使更多工程師了解ARM傅立葉撰寫了系列開發(fā)文章，主要解決什么是ARM，ARM在產(chǎn)品項(xiàng)目中的開發(fā)流程，LINUX，WINCE，VXWORKS等操作系統(tǒng)在ARM處理器上的應(yīng)用等內(nèi)容。希望對初學(xué)者有所幫助。

　　1．嵌入式系統(tǒng)概述

　　應(yīng)該肯定地講我們每一位都已經(jīng)使用過嵌入式系統(tǒng)有關(guān)的產(chǎn)品，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)深入到我們生活的每一個(gè)角落。他所涉及的領(lǐng)域廣泛到我們的想象力能及的任何地方。嵌入式系統(tǒng)是相對桌面系統(tǒng)來講的，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。作為系統(tǒng)核心的微處理器又包括三類：微控制器（MCU）、數(shù)字信號處理器（DSP）、嵌入式微處理器（MPU）。嵌入式比較準(zhǔn)確一個(gè)定義如下：系統(tǒng)以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和組成

　　嵌入式系統(tǒng)就是可精簡計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在一個(gè)ARM7的處理器比一個(gè)486還要快，可以掛很多設(shè)備并且價(jià)格很低。嵌入式技術(shù)目的就是在不適宜用工控機(jī)的場合替代pc系統(tǒng)，而對于很多場合工控機(jī)的很多功能沒有用處而用戶必須要付出成本，嵌入式系統(tǒng)解決了這個(gè)問題，兼顧功能而又節(jié)省成本把不需要的設(shè)備裁減掉。 嵌入式系統(tǒng)無處不在，他的核心是處理器。包括單片機(jī)也是嵌入式處理器的一種，在實(shí)際應(yīng)用中不同等級的處理器應(yīng)用方向也不同。

　　嵌入式微處理器的應(yīng)用對比表：

　　為什么要用位處理器？隨著電子設(shè)備日新月異的發(fā)展，電子設(shè)備功能越來越完備，無論軍品、工業(yè)品還是民品設(shè)計(jì)理念都越來越人性化。很簡單的講，您家里空調(diào)、電視、DVD每樣設(shè)備都單獨(dú)使用一臺遙控器，我們是否能夠把他們幾合一呢？豈不是更加方便？管理這么一堆設(shè)備從軟件上來講肯定是復(fù)雜的多了，從硬件方面當(dāng)然也需要功能更加強(qiáng)大、功耗極低、價(jià)格更廉價(jià)的處理器來支持，32位的ARM處理器能夠輕松完成以上需求。在您所涉及的產(chǎn)品領(lǐng)域中肯定還有更多的類似需要強(qiáng)大軟件硬件支持的改進(jìn)項(xiàng)目。隨著社會的進(jìn)步人們的生活需要更加智能化的產(chǎn)品，32位處理器必然會進(jìn)入到我們的生活。各種不同位數(shù)的嵌入式處理器的應(yīng)用層面也有很明顯的區(qū)別，越高位的嵌入式系統(tǒng)微處理器數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算性能和及其產(chǎn)品附加價(jià)值也就越高。

　　繼產(chǎn)業(yè)之后，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域顯然已經(jīng)成為另一種科學(xué)，也由于網(wǎng)絡(luò)與通訊的高速進(jìn)步，帶動了信息家電，信息工業(yè)的潮流，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為不可或缺的生活必需品。他的發(fā)展方向?qū)⑹枪δ茉絹碓綇?qiáng)大，綜合數(shù)字處理能力、管理能力、控制能力、通訊能力為一體的系統(tǒng)。概括總結(jié)為高性能、高集成度的系統(tǒng)將是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。

　　什么是ARM？ 32位嵌入式處理器中有ARMM-COREARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，每個(gè)廠商得到的都是一套獨(dú)一無二的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成為許多全球性RISC標(biāo)準(zhǔn)的締造者。在嵌入式處理器領(lǐng)域中取得了霸主地位，目前有100多家公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、菲利浦和國民半導(dǎo)體這樣的大公司。至于軟件系統(tǒng)的合伙人，則包括微軟、升陽和MRI等一系列知名公司。 更多的ARM信息可以訪問http://www.arm.com/chinese/

　　2、ARM嵌入式系統(tǒng)

　　ARM公司并不生產(chǎn)芯片，他向芯片制造商提供知識產(chǎn)權(quán)，優(yōu)異的體系結(jié)構(gòu)和開放的平臺，使ARM處理器應(yīng)用非常廣泛，各大公司都同時(shí)投入大量的人力研究ARM內(nèi)核的處理器，這不同于CPU幾乎由2家公司壟斷生產(chǎn)，ARM處理器的選擇范圍非常寬廣，同內(nèi)核可以選擇任意一家廠商的芯片。由于多家的支持努力，基于ARM內(nèi)核的處理器芯片外設(shè)非常豐富，這個(gè)用戶帶來了極大的方便，很多情況都可以一個(gè)芯片就可以完成全部的資源需求。嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE可支持多種嵌入式處理器，但基于Windows CE的Pocket PC操作系統(tǒng)只支持ARM處理器。微軟在對SH3、MIPS、ARM等嵌入式處理器做了評估后認(rèn)為，ARM是一種性價(jià)比較好的選擇。由于目前ARM在手持設(shè)備市場占有90%以上的份額，只支持ARM，可以有效地縮短應(yīng)用程序開發(fā)與測試的時(shí)間，也降低了研發(fā)費(fèi)用。由于ARM開放其處理器授權(quán)，因此，用戶在市場上可以在多家整機(jī)廠商中進(jìn)行選擇，從而保證了這一市場的競爭性。

　　ARM處理器的優(yōu)點(diǎn)，ARM處理器本身是位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。一般來講存儲器比等價(jià)位代碼節(jié)省達(dá)％，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢。 ARM的Jazelle技術(shù)使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(jī)（JVM）高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80％。 CPU功能上增加DSP指令集提供增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了性能和靈活性。ARM內(nèi)核最初是位手持通訊設(shè)備設(shè)計(jì)的，所以他的功耗非常低。

　　3、ARM產(chǎn)品介紹

　　ARM提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。由于所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運(yùn)行（理論上如此）。典型的產(chǎn)品如下。

　　CPU內(nèi)核

　　ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核，用于移動通信。

　　ARM7TDMI（Thumb）：這是公司授權(quán)用戶最多的一項(xiàng)產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴(kuò)展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。同時(shí)，它還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并用一個(gè)DSP增強(qiáng)擴(kuò)展來改進(jìn)性能。該產(chǎn)品的典型用途是數(shù)字蜂窩電話和硬盤驅(qū)動器。

　　ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T：低價(jià)、低能耗、封裝式常規(guī)系統(tǒng)微型處理器，配有高速緩存（Cache）、內(nèi)存管理、寫緩沖和JTAG。廣泛應(yīng)用于手持式計(jì)算、數(shù)據(jù)通信和消費(fèi)類多媒體。

　　ARM7優(yōu)化用于對價(jià)位和功耗敏感的消費(fèi)應(yīng)用的低功耗32位核，非常低的功耗；三段流水線和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，提供0.9MIPS/MHz。

　　ARM9TDMI：采用5階段管道化ARM9內(nèi)核，同時(shí)配備Thumb擴(kuò)展、調(diào)試和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達(dá)ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。

　　ARM940T系列低價(jià)、低能耗、高性能系統(tǒng)微處理器，配有、內(nèi)存管理和寫緩沖。應(yīng)用于高級引擎管理、保安系統(tǒng)、頂置盒、便攜計(jì)算機(jī)和高檔打印機(jī)。StrongARM：性能很高、同時(shí)滿足常規(guī)應(yīng)用需要的一種微處理器技術(shù)，與DEC聯(lián)合研制，后來授權(quán)給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統(tǒng)芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術(shù)。

　　ARM920T， ARM922T， ARM940T，ARM966E-S，ARM968E-S，ARM996HS 有著高性能和低功耗領(lǐng)先的硬宏單元，5級流水線結(jié)構(gòu)；哈佛結(jié)構(gòu)提供1.1MIPS/MHz。ARM920T和ARM922T內(nèi)置全性能的MMU、指令和數(shù)據(jù)cache和高速AMBA總線接口。AMBA片上總線是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，已成為SoC構(gòu)建和IP庫開發(fā)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。AMBA先進(jìn)的高性能總線（AHB）接口現(xiàn)由所有新的ARM核支持，提供開發(fā)全綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)。ARM940T內(nèi)置指令和數(shù)據(jù)cache、保護(hù)單元和高速AMBA總線接口。

　　ARM7500和ARM7500FE：高度集成的單芯片RISC計(jì)算機(jī)，基于一個(gè)緩存式ARM7 32位內(nèi)核，擁有內(nèi)存和I/O控制器、3個(gè)DMA通道、片上視頻控制器和調(diào)色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（NC）。

　　ARM10 ARM1020E，ARM1022E，ARM1026EJ-S，系列是64位AHB指令和數(shù)據(jù)接口；6級流水線結(jié)構(gòu)；1.25MIPS/MHz；比同等的ARM9器件性能提高50％。添加了兩種新的先進(jìn)的節(jié)能方式得到了異常低的耗電。VFP10協(xié)處理器完善地依從ARM10器件提供高性能的浮點(diǎn)解決方案 ARM10有三個(gè)內(nèi)核分別是：ARM1026EJ-S？， ARM1020E？， ARM1022E？ 。

　　ARM11 ARM11 MPCore，ARM1136J（F）-S，ARM1176JZ（F）-S 這是高效率高性能的CPU，國內(nèi)還沒有產(chǎn)品出現(xiàn)。

　　為了更好的理解ARM處理器在嵌入式領(lǐng)域中的具體應(yīng)用位置，我們有必要研究處理的分類

　　4．嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)介紹

　　CPU：功能強(qiáng)大32位機(jī)，主頻最高達(dá)3G，應(yīng)用程序完全在操作系統(tǒng)上運(yùn)行，相應(yīng)的設(shè)備也多，要求海量存儲設(shè)備，如硬盤。 DSP：運(yùn)算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不跑操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。 MCU：微控制器，4位、8位、16位等，處理速度有限，一般在幾個(gè)MIPS，速度受限跑操作系統(tǒng)很吃力。

　　ARM：32位處理器，可精簡的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，價(jià)格很低，逐漸轉(zhuǎn)入單芯片應(yīng)用解決方案。上可跑操作系統(tǒng)，下可做實(shí)時(shí)控制使用。

　　從以上分析可以看出，ARM處理器是向2個(gè)發(fā)展方向發(fā)展的，一方面他向高檔快速單片機(jī)發(fā)展，典型的芯片如三星公司的44b0x，4510飛利浦公司的2104，主要應(yīng)用領(lǐng)域是簡單的控制方面。這個(gè)方面的發(fā)展方向其實(shí)非常明確，即高集成度高速度兩個(gè)特點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)有利于控制產(chǎn)品制造綜合成本以及降低項(xiàng)目研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，atmel公司的AT91RF40162就是一款集成度非常高的產(chǎn)品。在軟件方面可以采用簡單的嵌入式操作系統(tǒng)如uc-linux，vxorks，u-couII等等，也可以像單片機(jī)一樣進(jìn)行直接編程使用。

　　另外一個(gè)方面，ARM處理器向桌面計(jì)算機(jī)功能發(fā)展，他的功能和使用更像是一臺桌面PC或者更像是一臺工控機(jī)，具備所有PC機(jī)的基本功能。軟件開發(fā)方面從表面上看是復(fù)雜的多了，但是從實(shí)際開發(fā)中看是分工更加明確了，這種系統(tǒng)我們總結(jié)了3個(gè)區(qū)別于單片機(jī)系統(tǒng)的不同點(diǎn)：概念：他類似與全功能的PC系統(tǒng)，不是簡單的單片機(jī)系統(tǒng)。硬件：帶有虛擬內(nèi)存管理模塊（MMU）尋址范圍得到擴(kuò)展可以接硬盤這樣的海量存儲設(shè)備。硬件設(shè)計(jì)相對麻煩，高速設(shè)備較多如DDR高速內(nèi)存，USB2.0接口，總線速度可以采用133M，266M》等。 軟件：由于有MMU，所以可以完全跑在復(fù)雜嵌入式操作系統(tǒng)上如win ce，linux等等。需要BSP底層軟件支持，類似于PC機(jī)的BIOS，需要操作系統(tǒng)的支持。基于操作系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序非常方便。我公司發(fā)展方向重點(diǎn)將會放在復(fù)雜嵌入式應(yīng)用解決方案。

　　5．嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成

　　嵌入式系統(tǒng)是由軟件硬件構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)如下：

　　硬件平臺

　　HW 板極支持軟件庫 BSP

　　操作系統(tǒng) OS

　　設(shè)備驅(qū)動程序 DRIVER

　　應(yīng)用程序 PROGRAM

　　可以看出如果在實(shí)際應(yīng)用中完成整個(gè)開發(fā)流程是非常痛苦的，如果沒有7―12月的研發(fā)時(shí)間產(chǎn)品肯定出不來。計(jì)算機(jī)的主板，BIOS，操作系統(tǒng)，以及設(shè)備驅(qū)動程序，等等工作都是有專業(yè)的廠家來制作的，如主板顯卡等硬件有華碩微星等廠家，BIOS有AWORD公司，操作系統(tǒng)有微軟。有了這些廠家的存在，我們搭建系統(tǒng)僅僅從應(yīng)用程序入手即可。嵌入式系統(tǒng)也一樣，也有很多廠家專門提供硬件，BSP，操作系統(tǒng)，等等，傅立葉提供了一系列的底層產(chǎn)品，您可以直接從應(yīng)用程序著手。

　　5．結(jié)論

　　嵌入式系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)調(diào)體積、功耗、成本等等綜合因素的精簡計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。ARM處理器是32位嵌入式處理器的一種，他的特點(diǎn)是可移植性強(qiáng)可以在不同廠家相同內(nèi)核的芯片中輕松切換、功耗特低、功能強(qiáng)大、低端可以作為高級單片機(jī)使用、高端功能可以與PC機(jī)媲美！