ARM嵌入式技术的发展与应用

ＡＲM嵌入式技术的进展与应用ＷＤB（北京信息科技高校仪器科学与光电工程学院)摘要：在信息化时代的今日,嵌入式系统的应用无处不在.从科研行业、军事领域，到商业进展、娱乐行业，甚至是人们的日常生活中，嵌入式系统——格外是ＡＲM嵌入式系统的身影随处可见.本文将从嵌入式的概念入手,商议 ARM嵌入式系统的进展历史、进展现状，及其应用,最后对ARＭ技术的进展前景进行推测。关键词：嵌入式系统；ＡRM;微处理器ﻬ引言嵌入式系统是指为特定应用而设计的专用计算机系统。它以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可以依据需要裁剪，满意对功能、牢靠性、成本、体积、功耗等要求而专门设计的计算机系统,被广泛用于手持设备、电信交换机、汽车电子、医疗设备、多媒体电器、军事装备、航空等领域.［1］本文以ＡRM微处理器为主,介绍ARM嵌入式系统的种类、特点、结构以及操作系统等。ﻬ1ARＭ嵌入式系统的进展1．１嵌入式系统的概念与特点依据IEEE９（国际电气和电子工师协会）的定义，嵌入式系统定义为掌握监视或者帮助设备机器和车间运行的装置。由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装置。[２］而依据历史性、本质性、普遍性要求,嵌入式系统应定义为:“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含以下三个部分:硬件平台、嵌入式操作系统、嵌入式应用程序。嵌入式系统的特点与定义不同,它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满意对象系统的环境要求,如物理环境（小型)、电气／气氛环境(牢靠)、成本(价廉)等要求。与“专用性"的相关特点:软、硬件的裁剪性；满意对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满意对象系统掌握要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。［3］1。2AＲＭ嵌入式的进展历史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。可以这么说，AＲM代表的不仅是一个企业，更代表了一种技术、一种微处理器，甚至一种产业的进展模式.[4］CISC体系由于指令集浩大,指令长度不固定，指令执行周期有长有短,使指令译码和流水线的实现在硬件上格外简洁，给芯片的设计开发和成本的降低带来了极大困难。ARＭ是典型的RISＣ体系，依据ＲIＳC的设计思想，其指令集的设计应该尽可能地简洁，和CＩSC体系相比，它可以通过一系列简洁的指令来实现简洁指令的功能。［５］首个ARM芯片是在1９85年由Acorn计算机公司设计的，接受的是典型32位ＲＩＳC体系结构。经过这么多年的进展，ＡＲM已经形成了如下系列(表一)的大家族。表一CｏreArchｉｔectureARM1ｖ１ＡRＭ2v2ARＭ2ａＳ，ARM3v2aARM6，ＡRM６00,ＡＲM６１0V３ARM7，ARＭ７0０，ARM７1０Ｖ3ARＭ7ＴＤMI，AＲM7１０T,ARM７20T，AＲM７４0TV4TStroｎｇARＭ,ARM８,ARM8１0V４ＡRM9TDＭI,AＲM9２0Ｔ,ＡRM9４0TV4TARＭ９E—SＶ５ＴEARM10TDMＩ，ＡRM1０２０EV５TE目前,有关ARM微处理器应用较多的有决ＡRM７、ARM9、ARM9E、ＡRM１０及ＳｔｒonｇＡRM等系列。AＲM7系列：包括AＲM7ＴＤMI、ARＭ7TＤMI-Ｓ、带有高速缓存处理器宏单元的ARM７20T和扩充了Jａｚeｌlｅ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、网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、平安系统、机顶盒、高端打印机、PDA、网络电脑以及带有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ＤSP与微掌握器结合使用的情况，将Thumb技术和ＤＳP都扩展到ＡRM指令集中,并具有EmbeｄdedＩCＥ—ＲＴ规律，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供应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平安市场,以一种全新的平安处理器设计为智能卡和其他平安IＣ开发供应独特的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供应抱负的解决方案。Xscale系列：供应全性能、高性价比和低功耗的解决方案，支持１6位Thｕmb指令和ＤSP指令.［６］１。3ARM的指令体系及工作模式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位代码的全部优点。［7］首个被设计的ＡＲＭ处理器芯片接受的加载／存储体系结构是典型的RISＣ结构。ＡRM体系结构继承了ＲISC结构中的加载/存储体系结构、固定长3２位指令和三地址指令格式.大量使用寄存器,指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器完成。ＡRM体系结构ｖ4T及以上版本定义了称为Thumb的16位指令集,能很好的兼容8位／16位器件。Ｔhｕｍｂ体系的扩充使得在8位/16位系统价格下可得到32位系统性能,能获得比通常的８位／16位ＣISC/RＩＳＣ掌握器有更好的代码密度,是传统的3２位体系结构代码大小的一部分。例如ARＭ９系列,代码密度提高了35％.这意味着程序存储器可以更小，因而降低了成本。［8］ＡＲM体系支持如下7种处理器模式(PｒｏcessorMoｄe):（1）用户模式(Usｅr：usr)：ＣPＳR中的M[4：0］＝0b100００，这是用户程序运行的正常模式,在这种模式下,程序不能访问一些受保护的资源，以利于操作系统掌握系统资源的使用。其它的6种模式则称为特权模式（PrｉvilegedMoｄe).（2）系统模式（Syｓtem：sｙs）:ＣＰＳR中的Ｍ[4：0］＝0b11111，这种模式只有ＡRＭv4及其之上的版本才能支持，主要用于对操作系统的支持和对系统资源的管理.(３)快速中断模式（FIQ:ｆｉｑ）：CPＳR中的M［４：0］＝0b１00０1,快速响应用户中断，支持高速数据传输，以满意少数需要极高实时性的恳求。（4)中断模式（IRＱ：irq）：CPＳR中的Ｍ[4：0］=0ｂ10010,用于一般的中断处理.可以对应一般的多个中断源。(5)监督模式（Sｕperｖisor：svc）：CPＳＲ中的M［４:0］=0b1０011,用于操作系统的保护模式.(6）中止模式（Ａｂorｔ：ａbｔ)：ＣPSＲ中的M[４：0］=0ｂ1０１１1，用于对虚拟内存的实施和保护。(7)未定义模式（Ｕｎdefined:unｄ）:CPSR中的M[4：０］=0b１１０11，支持用软件仿真硬件的协处理器。第(3）～（７）的五种模式则称为格外模式,这些模式的进入需要特定的格外发生.ﻬ２ARM嵌入式技术的应用2．1嵌入式操作系统的应用现状VｘWorｋs是美国WindＲｉｖer公司的产品，是目前嵌入式系统领域中应用很广泛、市场占有率比较高的嵌入式操作系统。ＶxWorks实时操作系统由4００多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可依据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统;供应基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIX（可移植操作系统接口)规范的内存管理，以及多处理器掌握程序；并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至可以微缩到8ＫB。μＣ/OS—ＩI是在μＣ/OS的基础上进展起来的，是美国嵌入式系统专家JeanJ.Ｌaｂrosse用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。μC／OＳ—IＩ能管理64个任务,并供应任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点.μClinｕx是一种优秀的嵌入式Linｕx版本,其全称为micro—ｃonｔroｌLinux即微掌握Linuｘ.同标准的Linｕx相比，μClinux的内核格外小,但是它仍然继承了Lｉｎｕｘ操作系统的主要特性，包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的API以及TＣＰ/ＩP网络协议等.由于没有MＭU内存管理单元,所以其多任务的实现需要肯定技巧。ｅCoｓ（embeddedConfigurableoｐeｒａtｉngsｙsteｍ)，即嵌入式可配置操作系统.它是一个源代码开放的可配置、可移植、面对深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵敏，接受模块化设计,核心部分由不同的组件构成，包括内核、Ｃ语言库和底层运行包等.每个组件可供应大量的配置选项（实时内核也可作为可选配置）,使用eCos供应的配置工具可以很便利地配置,并通过不同的配置使得ｅCoｓ能够满意不同的嵌入式应用要求。［９］２.2基于ARM嵌入式的开发应用近年来,我国嵌入式系统应用产品的市场需求日益增长，嵌入式系统的产值呈现着不断增长趋势,在医疗仪器设备、家电、电子、汽车、通信、网络、交通、金融、监控、工业自动化等领域尤其明显。随着嵌入式系统开发技术的飞速进展,使得构建以嵌入式技术为核心的图像采集系统开发能够成为现实。嵌入式图像采集处理系统的实现将克服传统的图像采集处理系统结构简洁，成本高，体积大,功耗大等缺点。嵌入式图像采集处理系统将实现实时图像采集、图像处理一体化，其结构紧凑,甚至根本就不需要PC机的介入，可提高处理速度，并能有效降低成本，使得该系统具安装携带便利、配置灵敏等突出优点，并且保密性大大得到了提高，具有宽阔的市场应用前景.［１０］在无线通信领域，基于ARM架构的通信终端的商量具有重要意义。如基于三星公司的S3C24４０AＲＭ处理器和Linｕｘ嵌入式操作系统,对Marｖｅll88w8６8６ＷiFi无线网络掌握器的应用进行商量，可以实现一个在WiＦｉ热点区域接入互联网、功耗小的无线通信终端。在软件方面,使用基于AＤＳ集成开发平台的Ｂootlｏaｄｅr，接受嵌入式Ｌｉnux系统作为操作系统,使用Qtopia桌面环境，并接受基于Qｔ的Ｋｏnｑｕｅror作为嵌入式扫瞄器.该无线通信终端可以在WｉFi信号掩盖区域接入因特网，能通过鼠标、键盘和触摸屏进行操作。在电源管理功能上，系统能在正常状态、低功耗状态和休眠状态之间进行正常切换，能正确进行休眠和唤醒。[1１]基于嵌入式Lｉnux操作系统ＡRMLinｕx,商量在微处理器PXA２5５上实现内存管理、进程调度、中断处理和系统调用的机制，商议 了UＳB的总线结构和通信模型.在商量Ｉｎteｌ公司XsｅａleｐXA255芯片的基础上,在ｘhyｐer25５B评估板上进行了AＲMLiｎｕｘ系统的移植商量工作，包括Linux内核移植,文件系统修改以及引导程序Bootｌoadｅr的编程开发.在hxｙper２5５Ｂ评估板上外扩了UＳB驱动芯片ＣY7Ｃ67300，实现Liｎuｘ操作系统下USB驱动程序的编程设计。［１2]温度是一种最基本的环境参数而且与我们的生活亲密相关。基于ARM和温度传感器DＳ1８Ｂ２0的基础能够设计出温度监测系统的硬件电路和系统监控软件。硬件电路部分接受单总线ＤS1８Ｂ2０温度传感器作为温度采集单元，AＲM处理器作为数据处理单元.软件部分主要移植Ｌinux内核、编写基于ＤS1８B2０通信协议的字符驱动程序、温度数据记录程序、ＰWＭ掌握驱动程序、使用QＴｄｅsigneｒ工具开发了本地温度监测的人机交互界面、移植嵌入式Boa服务器、开发暖箱温度远程监控的CGI程序和HTＭL监控页面。经过系统的联编与调试，温度监控系统可以满意暖箱的温度监测的需求,而且本系统具有硬件电路简洁、精度高、抗干扰能力强、网络化、智能化的优点，比同类型的产品更具竞争优势。[１３］随着数字化、网络化、智能化的不断进展，以及在它们相互的促进作用下，以物联网为基础的智能化产品已经成为了将来的一种新的生活所需、一种象征、一种趋势。这种现象在某种程度上也反映了当前社会数字化、网络化、智能化的一种进展方向。智能家居是在现有的住宅基础上,利用计算机技术、嵌入式技术、无线通信技术、互联网技术使家庭中各种终端设备连接成为一个物物相连的整体，可以实现在生活中的智能化掌握,以及网络的远程监控和管理。它不仅拥有传统意义上居住环境的特点，而且可以使家庭中的终端设备给予更多的人性化和智能化,可以供应一个完善的信息交互平台，帮助我们猎取更多的外面信息,为我们的生活供应更多的便利,使我们可以更好的管理我们的家庭.［1４]例如,将家庭中各种终端设备利用ARM技术、Ｗeb技术、ZiｇBeｅ无线网络技术，以及通过统一的无线协议和不同的掌握协议,在现有的智能家居系统解决方案的基础上,提出了S3C２４4０A处理器和ZigBee无线技术相结合的设计方案。并且融合了互联网Inteｒｎet通信技术，实现了真正意义上的物联网。远程对智能家居系统进行实时的监控和管理,提高了家居生活环境的舒适性、便利性、平安性。嵌入式人脸识别系统建立在嵌入式操作系统和嵌入式硬件系统平台之上，具有起点高、概念新、有用性强等特点.它涉及嵌入式硬件设计、嵌入式操作系统应用开发、人脸识别算法等领域的商量；嵌入式人脸识别系统携带便利、安装快捷、机动性强，可广泛应用于各类门禁系统、户外机动布控的实时监测等特殊场合。基于嵌入式ARM微处理器的实时人脸检测、关键特征定位、高效的人脸特征描述、鲁棒的人脸识别分类器及自动人脸识别系统设计等问题的商量,对嵌入式人脸识别的应用前景具有重要意义。［１５］无线射频识别（RFＩD)技术被誉为21世纪最重要的十大技术之一,经过多年商量现在已进展到物流、交通、身份识别等应用领域。如今，传统的标签识别技术已不能满意当前无线传输领域的要求，新的RFIＤ自动识别技术已逐渐占据了市场的主导地位。RＦＩD读写器作为RＦＩD系统的重要组成部分，成为射频识别领域的商量人员商量的主要对象，有着极大的市场前景和宽阔的技术开发空间。[16]基于ＡRM嵌入式平台的RＦID读写器的商量，首先对RFID系统的基本理论进行商量，包括嵌入式技术、ＲＦID技术和操作系统的移植等。然后基于这些理论，分模块完成系统的硬件结构设计和应用软件的开发。其中ＲFＩD嵌入式模块是以高性能的Ｓｔm3２ｆ1０３RBＴ6作为微处理器,以ARＭCｏrtｅx—Ｍ3作为内核,并在芯片中移植µC／OS—II操作系统,通过多任务运行机制完成与收发模块间的通讯.随着人们的生活水平的不断提高,用户对电子音乐播放器的性能要求也越来越高。目前各大商家最为关心的并不是如何实现MＰ3，而是如何能在低成本低功耗高性能的平台上实现MP3，这就意味着对原始MＰ３标准在实现过程中的优化是当前的一个热点问题。ARM处理器以其高性价比，丰富的外设资源，越来越受到各种嵌入式研发人员的青睐。[1７]ﻬ3ARM嵌入式技术的进展趋势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进展的巨大推动力。据报告,每年全球1０％～20%的计算机芯片是为台式或便携式电脑设计的，而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l0亿至２0亿个ＣＰU是为嵌入式设备设计制造的,这一数字还在逐步增加.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。[18］由于当前市场竞争格外激烈,因此,想要快速适应激烈的市场竞争,必须加快嵌入式系统的进展.首先,我们应该大力开发嵌入式应用软件，并且要有相应的操作系统的支持。另外，还要应用先进的编程技术来掌握系统简洁的变化，重点在于优化软件的设计，提高软件质量，从而大大缩短软件的开发周期。其次，网络互联成为嵌入式系统进展的一个主要趋势，为尽可能满意用户的需求，在新时期的嵌入式系统应该有标准的网络通信接口,并且要有ＴＣＰ/IP协议的支持。再次，嵌入式系统能够支持电子设备,并且尺寸越来越小，功耗大大降低,成本也较低。［１９］嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP和ASＰ在网上供应的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为简洁.为了满意应用功能的升级,设计师们一方面接受更强大的嵌入式处理器,如32位、64位ＲＩSC芯片或信号处理器ＤSＰ增强处理能力；同时还接受实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来掌握功能简洁性,简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面对2１世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备必需配有通信接口,相应需要ＴＣP/IＰ协议簇软件支持;由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源掌握、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEＥＥ13９４、ＵSＢ、ＣAN、Blｕetooth或ＩrDＡ通信接口,同时也需要供应相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式,如Ｗｅｂ或无线Web编程模式，还需要相应的扫瞄器，如HTML、ＷML等。在小尺寸、微功耗和低成本方面，为满意这种特性,要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能,限制内存容量和复用接口芯片.这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求.如:选用最佳的编程模型和不断改进算法,接受Java编程模式,优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富阅历,更需要进展先进嵌入式软件技术,如Ｊａva、Wｅｂ和ＷAP等。嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受,重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面。人们与信息终端交互喜爱通过以GUI屏幕为中心的多媒体界面。手机的手写中文输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩信收发已取得初步成效。[２０］物联网是新一代信息技术的重要组成部分.顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继通用计算机、互联网之后世界信息产业进展的第三次浪潮。新的进展给嵌入式系统带来新的理念,20１1年4月，Inteｌ、微软、通用汽车、高通、飞思卡尔、ＡRM、TI和三星等公司在旧金山联合成立了“Smaｒt技术世界”.Smaｒｔsｙsｔem(智能系统或才智系统）的特点是：1、处理器不是我们以前用的最简洁的８位处理器了，而是３２位处理器或SＯC等.２、内含高层次的嵌入式操作系统.3、有联网功能,彻底解决原先嵌入式系统的孤岛现象。新的进展对嵌入式系统带来新的技术革命。第一,嵌入式设计要从面相对象到面相角色转变,物联网的计算是跟时间有关的。其次，需要软硬件协同设计技术。第三,需要嵌入式软件建模、自动分析和验证技术。[２1]ﻬ结束语总体来说，嵌入式系统如今已广泛应该到科研行业、军事领域、商业进展、娱乐行业,甚至是人们的日常生活中也随处可见.可以说，嵌入式系统是计算机软件与硬件的统一体，另外，还包含各种机械零件等装置.然而，和一般系统比较来说，具有功能强大、功耗与成本消耗低等特点。可以说，嵌入式系统包含计算机、电子技术等多个领域的知识。与此同时，嵌入式产品消灭在各个行业中,并且和人们的日常生活亲密相关，因嵌入式系统的广泛应用,势必会使人们更加专注与嵌入式系统的商量与开发工作中，由此看来，嵌入式系统的进展有宽阔的进展前景.在今后嵌入式系统的进展过程中，必须由阅历格外丰富的设计人员来设计，并使系统的进展朝着网络互联的方向进展,从而在激烈的市场竞争中站稳脚步，更好的服务与人们的生产与生活。

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