什么是ARM?什么是嵌入式系統(tǒng)?
第一篇、嵌入式系統(tǒng)和ARM開發(fā)
(傅立葉電子科技ARM技術研發(fā)部 710065)
應該肯定地講我們每一位都已經(jīng)使用過嵌入式系統(tǒng)有關的產(chǎn)品,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)深入到我們生活的每一個角落。他所涉及的領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)。嵌入式比較準確一個定義如下:系統(tǒng)以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)的應用和組成
嵌入式系統(tǒng)就是可精簡計算機系統(tǒng),現(xiàn)在一個ARM7的處理器比一個486還要快,可以掛很多設備并且價格很低。嵌入式技術目的就是在不適宜用工控機的場合替代pc系統(tǒng),而對于很多場合工控機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)解決了這個問題,兼顧功能而又節(jié)省成本把不需要的設備裁減掉。 嵌入式系統(tǒng)無處不在,他的核心是處理器。包括單片機也是嵌入式處理器的一種,在實際應用中不同等級的處理器應用方向也不同。
嵌入式微處理器的應用對比表:
嵌入式微處理器 | 應用產(chǎn)品 |
4位微處理器 | 計算器、電話機、簡易防盜器、玩具、充電器、簡易計量表.. |
8位微處理器 | 馬達控制器、電視游戲機、空調(diào)、傳真、BP、錄音電話.. |
16位微處理器 | 手機、攝影機、錄放機、多媒體應用.. |
32位微處理器 | 調(diào)制解調(diào)器、精確馬達控制、掌上電腦、路由器、彩色傳真、激光打印機、數(shù)碼相機、GPS定位系統(tǒng)、高級汽車電子、網(wǎng)絡加點、雷達伺服系統(tǒng)、各種工業(yè)軍事用途.. |
為什么要用位處理器?隨著電子設備日新月異的發(fā)展,電子設備功能越來越完備,無論軍品、工業(yè)品還是民品設計理念都越來越人性化。很簡單的講,您家里空調(diào)、電視、DVD每樣設備都單獨使用一臺遙控器,我們是否能夠把他們幾合一呢?豈不是更加方便?管理這么一堆設備從軟件上來講肯定是復雜的多了,從硬件方面當然也需要功能更加強大、功耗極低、價格更廉價的處理器來支持,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)品領域中肯定還有更多的類似需要強大軟件硬件支持的改進項目。隨著社會的進步人們的生活需要更加智能化的產(chǎn)品,32位處理器必然會進入到我們的生活。各種不同位數(shù)的嵌入式處理器的應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)處理的運算性能和及其產(chǎn)品附加價值也就越高。
繼產(chǎn)業(yè)之后,嵌入式系統(tǒng)領域顯然已經(jīng)成為另一種科學,也由于網(wǎng)絡與通訊的高速進步,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茉絹碓綇姶?,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),設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域,比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。ARM將其技術授權給世界上許多著名的半導體、軟件和OEM廠商,每個廠商得到的都是一套獨一無二的ARM相關技術及服務。利用這種合伙關系,ARM很快成為許多全球性RISC標準的締造者。在嵌入式處理器領域中取得了霸主地位,目前有100多家公司與ARM簽訂了硬件技術使用許可協(xié)議,其中包括Intel、IBM、LG半導體、NEC、SONY、菲利浦和國民半導體這樣的大公司。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,優(yōu)異的體系結構和開放的平臺,使ARM處理器應用非常廣泛,各大公司都同時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非常豐富,這個用戶帶來了極大的方便,很多情況都可以一個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為,ARM是一種性價比較好的選擇。由于目前ARM在手持設備市場占有90%以上的份額,只支持ARM,可以有效地縮短應用程序開發(fā)與測試的時間,也降低了研發(fā)費用。由于ARM開放其處理器授權,因此,用戶在市場上可以在多家整機廠商中進行選擇,從而保證了這一市場的競爭性。
ARM處理器的優(yōu)點,ARM處理器本身是位設計,但也配備16位指令集。一般來講存儲器比等價位代碼節(jié)省達%,然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢。 ARM的Jazelle技術使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(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指令集提供增強的16位和32位算術運算能力,提高了性能和靈活性。ARM內(nèi)核最初是位手持通訊設備設計的,所以他的功耗非常低。
2、ARM產(chǎn)品介紹
ARM提供一系列內(nèi)核、體系擴展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。由于所有產(chǎn)品均采用一個通用的軟件體系,所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行(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):這是公司授權用戶最多的一項產(chǎn)品,將ARM7指令集同Thumb擴展組合在一起,以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。同時,它還利用嵌入式ICE調(diào)試技術來簡化系統(tǒng)設計,并用一個DSP增強擴展來改進性能。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、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。廣泛應用于手持式計算、數(shù)據(jù)通信和消費類多媒體。
ARM7優(yōu)化用于對價位和功耗敏感的消費應用的低功耗32位核,非常低的功耗;三段流水線和馮·諾依曼結構,提供0.9MIPS/MHz。
ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內(nèi)核,同時配備Thumb擴展、調(diào)試和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝相同的情況下,性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。
ARM940T系列低價、低能耗、高性能系統(tǒng)微處理器,配有、內(nèi)存管理和寫緩沖。應用于高級引擎管理、保安系統(tǒng)、頂置盒、便攜計算機和高檔打印機。StrongARM:性能很高、同時滿足常規(guī)應用需要的一種微處理器技術,與DEC聯(lián)合研制,后來授權給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。
ARM920T, ARM922T, ARM940T,ARM966E-S,ARM968E-S,ARM996HS 有著高性能和低功耗領先的硬宏單元,5級流水線結構;哈佛結構提供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片上總線是一個開放標準,已成為SoC構建和IP庫開發(fā)的事實標準。AMBA先進的高性能總線(AHB)接口現(xiàn)由所有新的ARM核支持,提供開發(fā)全綜合設計系統(tǒng)。ARM940T內(nèi)置指令和數(shù)據(jù)cache、保護單元和高速AMBA總線接口。
ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機,基于一個緩存式ARM7 32位內(nèi)核,擁有內(nèi)存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調(diào)色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡計算機(NC)。
ARM10 ARM1020E,ARM1022E,ARM1026EJ-S,系列是64位AHB指令和數(shù)據(jù)接口;6級流水線結構;1.25MIPS/MHz;比同等的ARM9器件性能提高50%。添加了兩種新的先進的節(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解決方案 ARM10有三個內(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處理器在嵌入式領域中的具體應用位置,我們有必要研究處理的分類
處理器 | 用法 | 操作系統(tǒng) | 芯片 |
CPU | 桌面系統(tǒng)工業(yè)控制機 | WINDOWS/UNIX | INTEL奔騰系列 |
ARM | 向上擴展 向下擴展 | WIN CE/UC/OS | ARM9/ARM7 |
DSP-MCU | 工業(yè)控制 實使系統(tǒng) | 不跑操作系統(tǒng) | 51系列 TMS320系列 |
3.嵌入式系統(tǒng)特點介紹
CPU:功能強大32位機,主頻最高達3G,應用程序完全在操作系統(tǒng)上運行,相應的設備也多,要求海量存儲設備,如硬盤。 DSP:運算密集處理器,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,可精簡的計算機系統(tǒng),價格很低,逐漸轉(zhuǎn)入單芯片應用解決方案。上可跑操作系統(tǒng),下可做實時控制使用。
從以上分析可以看出,ARM處理器是向2個發(fā)展方向發(fā)展的,一方面他向高檔快速單片機發(fā)展,典型的芯片如三星公司的44b0x,4510飛利浦公司的2104,主要應用領域是簡單的控制方面。這個方面的發(fā)展方向其實非常明確,即高集成度高速度兩個特點,這樣的設計有利于控制產(chǎn)品制造綜合成本以及降低項目研發(fā)風險,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,也可以像單片機一樣進行直接編程使用。
另外一個方面,ARM處理器向桌面計算機功能發(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,具備所有PC機的基本功能。軟件開發(fā)方面從表面上看是復雜的多了,但是從實際開發(fā)中看是分工更加明確了,這種系統(tǒng)我們總結了3個區(qū)別于單片機系統(tǒng)的不同點:概念:他類似與全功能的PC系統(tǒng),不是簡單的單片機系統(tǒng)。硬件:帶有虛擬內(nèi)存管理模塊(MMU)尋址范圍得到擴展可以接硬盤這樣的海量存儲設備。硬件設計相對麻煩,高速設備較多如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機的BIOS,需要操作系統(tǒng)的支持?;诓僮飨到y(tǒng)編寫應用程序非常方便。我公司發(fā)展方向重點將會放在復雜嵌入式應用解決方案。
4.嵌入式系統(tǒng)構成
嵌入式系統(tǒng)是由軟件硬件構成的,結構如下:
硬件平臺
HW 板極支持軟件庫 BSP
操作系統(tǒng) OS
設備驅(qū)動程序 DRIVER
應用程序 PROGRAM
可以看出如果在實際應用中完成整個開發(fā)流程是非常痛苦的,如果沒有7―12月的研發(fā)時間產(chǎn)品肯定出不來。計算機的主板,BIOS,操作系統(tǒng),以及設備驅(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,您可以直接從應用程序著手。
5.結論
嵌入式系統(tǒng)是基于計算機技術的強調(diào)體積、功耗、成本等等綜合因素的精簡計算機系統(tǒng)。ARM處理器是32位嵌入式處理器的一種,他的特點是可移植性強可以在不同廠家相同內(nèi)核的芯片中輕松切換、功耗特低、功能強大、低端可以作為高級單片機使用、高端功能可以與PC機媲美!
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)萬能遙控器相關文章:萬能遙控器代碼
評論