信息產業化發展

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摘要：當今信息時代，嵌入式系統的應用無處不在，而ARM嵌入式系統應用市場份額約占75%。從嵌入式系統的基本概念入手，分別從ARM的定義、ARM微處理器、ARM開發工具及調試方法來介紹ARM嵌入式系統基礎知識。接著，討論了ARM嵌入式系統的實時性要求，介紹了目前市場上的實時多任務操作系統（RTOS）。最后，概括了ARM技術的應用領域及其產業化發展，并預測ARM技術發展的前景。

關鍵詞：嵌入式系統；ARM；微處理器；RTOS

1引言

隨著計算機技術、網絡技術和微電子技術的深入發展，嵌入式系統的應用無處不在。

ARM是目前公認的業界領先的32位嵌入式RISC（精簡指令計算機）微處理器。ARM技術日益成熟和不斷發展，正在逐步滲入到我們生活的各個方面。

本文從實際出發，首先介紹嵌入式系統的基本概念，隨之重點闡述了由ARM微處理器構成的嵌入式系統（簡稱ARM嵌入式系統）的基礎知識，最后分析了ARM技術的產業化發展過程及發展趨勢。

2嵌入式系統

2.1嵌入式系統的概念

嵌入式系統的英文叫做EmbeddedSystem，是一種包括硬件和軟件的完整的計算機系統，但又跟通用計算機系統不同。嵌入式系統的定義是：“嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可剪裁，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統。”嵌入式系統所用的計算機是嵌入到被控對象中的專用微處理器，但是功能比通用計算機專門化，具有通用計算機所不能具備的針對某個方面特別設計的、合適的運算速度、高可靠性和較低比較成本的專用計算機系統。

2.2嵌入式系統的架構

嵌入式系統作為一類特殊的計算機系統，自底向上包含有3個部分，如圖1所示。

（1）硬件環境：是整個嵌入式操作系統和應用程序運行的硬件平臺，硬件平臺包括嵌入式處理器和外圍設備。嵌入式處理器是嵌入式系統的核心，是控制、輔助系統運行的硬件單元。

（2）嵌入式操作系統：完成嵌入式應用的任務調度和控制等核心功能。具有內核較精簡、可配置、與高層應用緊密關聯等特點。嵌入式操作系統具有相對不變性。

（3）嵌入式應用程序：運行于操作系統之上，利用操作系統提供的機制完成特定功能的嵌入式應用。不同的系統需要設計不同的嵌入式應用程序。

3ARM嵌入式系統

3.1什么是ARM

ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫，是微處理器行業的一家知名企業，該企業設計了大量廉價、高性能、低功耗的RISC處理器、相關技術及軟件。

ARM技術有很好的性能和功效，其合作伙伴包括世界許多頂級的半導體公司。目前，共有30家半導體公司與ARM簽訂了硬件技術使用許可協議，其中包括Intel、IBM、LG半導體、NEC、SONY、PHILIPS和國家半導體這樣的大公司。可以說，ARM不僅僅代表一個公司，代表了一類微處理器，代表了一種技術，還代表了一種新型的產業發展模式。

3.2ARM處理器核系列及應用

ARM公司開發了一系列ARM處理器核。目前最新的系列已經是ARM11了。ARM6及更早的系列已經罕見了，ARM7以后的核也不是都獲得廣泛應用。目前應用最多的是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、帶有高速緩存處理器宏單元的ARM720T和擴充了Iazelle的ARM7EJ-S。該系列廣泛應用于多媒體和嵌入式設備，包括Internet設備、網絡和調制解調器設備以及移動電話、PDA等無線設備。

ARM9系列：包括ARM9TDMI、ARM920T和帶有高速緩存處理器宏單元的ARM940T。該系列主要應用于引擎管理、儀器儀表、安全系統、機頂盒、高端打印機、PDA、網絡電腦以及帶有MP3音頻和MPEG4視頻多媒體格式的智能電話中。

ARM9E系列：為綜合處理器，包括ARM926EJ-S、帶有高速緩存處理宏單元的ARM966E-S/ARM946E-S。該系列強化了數字信號處理功能，可應用于需要DSP與微控制器結合使用的情況，將Thumb技術和DSP都擴展到ARM指令集中，并具有EmbeddedICE-RT邏輯，更好地適應了實時系統的開發需要。

ARM10系列：包括ARM1020E和ARM1020E微處理器核。其核心在于使用向量浮點（VFP）單元VFP10提供高性能的浮點解決方案，從而極大地提高了處理器的整型和浮點運算性能，為用戶界面的2D和3D圖形引擎應用夯實基礎，如視頻游戲機和高性能打印機等。

SecurCore系列：包括SC100、SC110、SC200和SC210處理器核。該系列主要針對新興的安全市場，以一種全新的安全處理器設計為智能卡和其他安全IC開發提供獨特的32位系統設計，并具有特定的反偽造方法，從而有助于防止對硬件和軟件的盜版。

StrongARM系列：StrongARM處理器將Intel處理器技術和ARM體系結構融為一體，致力于為手提式通信和消費電子類設備提供理想的解決方案。

Xscale系列：提供全性能、高性價比和低功耗的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP指令。

3.3ARM微處理器的特點

采用RISC體系架構的ARM微處理器一般有如下特點:

（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb(16位)/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

（3）大量使用寄存器，指令執行速度更快；

（4）大多數數據操作都在寄存器中完成；

（5）尋址方式靈活簡單，執行效率高；

（6）指令長度固定。

3.4ARM微處理器的指令結構

ARM微處理器在較新的體系結構中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM代碼相比較，可節省30％-40％以上的存儲空間，同時具備32位代碼的所有優點。

3.5ARM嵌入式系統開發工具及調試方法

ARM處理器產品作為一種高性能、低功耗的處理器產品，現在已經得到廣泛的應用，

ARM開發工具也因此得到發展，除ARM公司自己推出ARM集成開發工具外，還有一些公司也研發ARM開發工具。目前市場上有ARMSDT、ARMADS、MULTI2000、HitoolsforARM、EmbestIDEforARM五種集成開發環境。這些產品在國內有相對較暢通的銷售渠道，用戶容易購買。前三種由國外廠商出品，歷史比較悠久，在全球范圍內應用較為廣泛，后兩種由國內廠商推出，具有很高的性價比。

ARM應用軟件的開發工具根據功能的不同，分別有編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調試軟件、嵌入式實時操作系統、函數庫、評估板、JTAG仿真器、在線仿真器等，

用戶選用ARM處理器開發嵌入式系統時，選擇合適的開發工具可以加快開發進度，節省開發成本。因此一套含有編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調試軟件、工程管理及函數庫的集成開發環境（IDE）一般來說是必不可少的，至于嵌入式實時操作系統、評估板等其他開發工具則可以根據應用軟件規模和開發計劃選用。目前常見的調試方法有以下幾種。

（1）指令集模擬器。

部分集成開發環境提供了指令集模擬器，可方便用戶在PC機上完成一部分簡單的調試工作，但是由于指令集模擬器與真實的硬件環境相差很大，因此即使用戶使用指令集模擬器調試通過的程序也有可能無法在真實的硬件環境下運行，用戶最終必須在硬件平臺上完成整個應用的開發。

（2）駐留監控軟件。

駐留監控軟件（ResidentMonitors）是一段運行在目標板上的程序，集成開發環境中的調試軟件通過以太網口、并行端口、串行端口等通訊端口與駐留監控軟件進行交互，由調試軟件命令通知駐留監控軟件控制程序的執行、讀寫存儲器、讀寫寄存器、設置斷點等。

駐留監控軟件是一種比較低廉有效的調試方式，不需要任何其他的硬件調試和仿真設備。ARM公司的Angel就是該類軟件，大部分嵌入式實時操作系統也是采用該類軟件進行調試，不同的是在嵌入式實時操作系統中，駐留監控軟件是作為操作系統的一個任務存在的。

駐留監控軟件的不便之處在于它對硬件設備的要求比較高，一般在硬件穩定之后才能進行應用軟件的開發，同時它占用目標板上的一部分資源，而且不能對程序的全速運行進行完全仿真，所以對一些要求嚴格的情況不是很適合。

（3）JTAG仿真器。

JTAG仿真器也稱為JTAG調試器，是通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口進行調試的設備。JTAG仿真器比較便宜，連接比較方便，通過現有的JTAG邊界掃描口與ARMCPU核通信，屬于完全非插入式(即不使用片上資源)調試，它無需目標存儲器，不占用目標系統的任何端口，而這些是駐留監控軟件所必需的。另外，由于JTAG調試的目標程序是在目標板上執行，仿真更接近于目標硬件，因此，許多接口問題，如高頻操作限制、AC和DC參數不匹配，電線長度的限制等被最小化了。使用集成開發環境配合JTAG仿真器進行開發是目前采用最多的一種調試方式。目前國際市場上較流行的兩種JTAG仿真器：EPI公司的JEENI和ARM公司的Multi-ICE。

（4）在線仿真器。

在線仿真器使用仿真頭完全取代目標板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為，提供更加深入的調試功能。但這類仿真器為了能夠全速仿真時鐘速度高于100MHz的處理器，通常必須采用極其復雜的設計和工藝，因而其價格比較昂貴。在線仿真器通常用在ARM的硬件開發中，在軟件的開發中較少使用，其價格高昂也是在線仿真器難以普及的因素。

另外國際市場上較流行的有兩種JTAG仿真器：EPI公司的JEENI和ARM公司的Multi-ICE。

4ARM嵌入式系統的實時性要求

4.1嵌入式系統軟件需要RTOS開發平臺

通用計算機具有完善的操作系統和應用程序接口(API)，是計算機基本組成不可分離的一部分，應用程序的開發以及完成后的軟件都在OS平臺上面運行，但一般不是實時的。嵌入式系統則不同，應用程序可以沒有操作系統直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統資源、系統函數以及和專家庫函數接口，用戶必須自行選配RTOS開發平臺，這樣才能保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。

4.2RTOS

RTOS是英文RealTimemulti-taskingOperationSystem的縮寫，即實時多任務操作系統。它是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺。目前在中國大多數嵌入式軟件開發還是基于處理器直接編寫，沒有采用商品化的RTOS，不能將系統軟件和應用軟件分開處理。RTOS最關鍵的部分是實時多任務內核，它的基本功能包括任務管理、定時器管理、存儲器管理、資源管理、事件管理、系統管理、消息管理、隊列管理、旗語管理等，這些管理功能是通過內核服務函數形式交給用戶調用的，也就是RTOS的API。RTOS的引入，對嵌入式軟件的標準化和加速知識創新是一個里程碑。

5嵌入式系統的信息產業化發展

5.1ARM技術的應用領域

現在，嵌入式技術無處不在，ARM幾乎成為嵌入式技術的代名詞。作為一種16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器，ARM微處理器目前已經成為應用廣泛的嵌入式微處理器。ARM微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域。

(1)工業控制領域：作為32位的RISC架構，基于ARM核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，ARM控制器的低功耗、高性價比，向傳統的8位/16位微控制器提出了挑戰。

(2)無線通訊領域：目前已有超過85％的無線通訊設備采用了ARM技術，ARM以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。

(3)網絡應用：隨著寬帶技術的推廣，采用ARM技術的ADSL芯片正逐步獲得競爭優勢。此外，ARM在語音及視頻處理上進行了優化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應用領域提出了挑戰。

(4)消費類電子產品：ARM技術在目前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒和游戲機中得到廣泛應用。

(5)成像和安全產品：現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術。

除此以外，ARM微處理器及技術還應用到許多不同的領域，并會在將來取得更加廣泛的應用。

5.2嵌入式系統產業化發展

市場需求為嵌入式系統產業化發展注入巨大推動力。嵌入式系統的市場是巨大的，市場需求是嵌入式系統產業化發展的巨大推動力。據報告，10%～20%的計算機芯片是為臺式或便攜式電腦設計的，80%～90%的計算機芯片是為嵌入式設備設計的，這意味著每年有10億至20億個CPU是為嵌入式設備設計制造的。2003年，全球嵌入式系統產品的產值已達2000億美元，估計全世界嵌入式系統產品潛在的市場將超過10000億美元。世界范圍內嵌入式系統帶來的工業年產值已超過了1萬億美元。

6結語

隨著半導體工藝技術的發展及系統設計水平的提高，ARM技術將會不斷的變化和進步，ARM技術的應用領域會再次擴大，ARM技術帶來的工業產值將會劇增，ARM技術產品的市場前景更加美好。總之，ARM技術的不斷創新會給人類社會生活帶來奇跡和享受。

參考文獻

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［5］中國計算機學會微機專業委員會.2004中國計算機科學技術年度發展報告——嵌入式系統部分