ARM嵌入式系統綜述

施樂平，楊征宇，馬憲民，湯元會

（1.陜西省計量科學研究院，陜西 西安710065；2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054）

0 引 言

嵌入式系統是指為特定應用而設計的專用計算機系統。它以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可以根據需要裁剪，滿足對功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求而專門設計的計算機系統，被廣泛用于手持設備、電信交換機、汽車電子、醫療設備、多媒體電器、軍事裝備、航空等領域。嵌入式系統于20世紀60年代在軍事上初步應用，并得到較大發展。隨著單片機和微處理器的性能提高以及價格下降，到80年代中期，許多外部系統的組件被集成到了處理器芯片中，使這種結構的微處理器得到了更廣泛的應用。到80年代末期，微處理器已經出現在幾乎所有的電子設備中，并出現和流行新型高性能RISC（精簡指令集計算機）。本文以ARM微處理器為主，介紹ARM嵌入式系統的種類、特點、結構以及操作系統等。

1 ARM處理器的發展和特點

ARM是32位精簡指令集（RISC）處理器，目標是低成本、高性能、低耗電，適用于移動通信等領域，被廣泛用于許多嵌入式系統中。ARM是對一類微處理器的稱統，也是一個公司的名字。ARM于1983年開始由Acorn電腦公司（Acorn Computers Ltd）設計，在1985年時開發出ARM1。在80年代晚期，Acorn開始與蘋果電腦合作開發新版的ARM核心，并在1990成立 ARM（Advanced RISC Machines Ltd.）公司。在1991年公司發布了ARM6，從ARM7開始ARM核被普遍認可和廣泛使用。以后陸續推出ARM9TDMI、ARM9E、ARM10E、XScale、ARM11、ARMv6T2、ARM v6KZ、ARMv6K、Cortex。

ARM的經營模式在于出售其半導體知識產權核心（IP core），靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片。目前，全世界幾十家大的半導體公司都使用ARM 公司的授權，使得ARM 技術獲得更多第三方工具和軟件的支持，有更好的軟件開發和調試環境，從而加快了用戶產品開發。目前，ARM家族占了所有32位嵌入式處理器約90%的比例。ARM處理器應用在消費電子產品、便攜式設備、電腦外設、軍用設施中。其中手機處理器占有95%的市場份額，上網本處理器占有30%的市場份額，平板電腦處理器占有70%的市場份額。進入21世紀之后，由于手機制造行業的快速發展，產量有了很大的增長，到2010年，ARM合作伙伴的出貨量達到了60億片。

基于ARM嵌入式系統的應用領域是傳統計算機無法涉足到的。通用計算機運行的軟件是由用戶選擇的，而嵌入式系統的軟件通常是下載到存儲器中暫時不變的。基于ARM的嵌入式系統有些有實時性、安全性的要求，除特殊要求外其他性能、功能要求較低，使系統的硬件得以簡化，降低成本。但是嵌入式系統強大的軟件功能可以使電路得到很大地簡化，大部分設計工作是軟件。而軟件不管是創建原型還是測試、修改，相對于硬件來說都要容易很多，并且設計和建造新的功能不會修改硬件電路，增加了設計的靈活性。

2 ARM微處理器主要系列

2.1 ARM7系列微處理器

主要應用領域為工業控制、internet設備、網絡和調制解調器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。ARM7系列微控制器包括的核有ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ，其中 ARM7TDMI是目前應用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。

2.2 ARM9系列微處理器

主要應用于無線設備、儀器儀表、安全系統、機頂盒、高端打印機、數字照相機和數字攝像機等。ARM9系列微處理器包括ARM920T、ARM922T、ARM940T 3種類型。

2.3 ARM9E系列微處理器

這是一種綜合處理器，提供增強的DSP處理能力，適合同時使用DSP和微控制器的應用場合，應用于無線設備、數字消費品、成像設備、工業控制、存儲設備和網絡設備等領域。ARM9E系列包含ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S 3 種類型。

2.4 ARM10E系列微處理器

其具有高性能低功耗的特點。由于采用新的體系結構，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50%，同時ARM10E系列采用了先進的節能方式，功耗極低。ARM10E系列主要應用于現代無線電設備、數字消費品、成像設備、工業控制通信和信息系統等領域。ARM10E系列包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S 3種類型。

2.5 ARM11系列微處理器

ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它在性能上有了巨大地提升，推出350～500MHz時鐘頻率的內核。ARM11處理器在提高性能的同時也允許在性能和功耗間做權衡以滿足某些特殊應用，通過動態調整時鐘頻率和供電電壓，完全可以控制這兩者的平衡。ARM11系列主要有 ARM1136J、ARM1156T2、ARM1176JZ 3個型號。

2.6 Cortex系列微處理器

自從ARM11以后ARM公司對處理器的命名方式發生了變化，以Cortex來命名，針對不同的應用領域開發與之相適應的處理器。

Cortex-A是高端應用處理器，可實現高達2GHz標準頻率，從而支持下一代移動Internet設備。這些處理器具有單核和多核兩類。主要應用在智能手機、智能本、上網本、電子書閱讀器和數字電視等方面。

Cortex-R是實時處理器，應用在具有嚴格的實時響應嵌入式系統。主要應用在家庭消費性電子產品、醫療行業、工業和汽車行業。

Cortex-M系列處理器，主要針對微控制器領域開發的，是低成本和低功耗的處理器，主要應用在智能測量、人機接口設備、汽車和工業控制系統、大型家用電器、消費性產品和醫療器械等方面。

3 ARM嵌入式體系結構及操作系統

嵌入式系統是廣義上的計算機系統。ARM嵌入式系統結構一般由ARM處理器、板載硬件、嵌入式操作系統和應用程序構成。

ARM嵌入式系統硬件包括ARM處理器、Flash、SDRAM等基本部分，另一部分為各個不同部分硬件的功能模塊。常用的ARM嵌入式外圍設備有存儲設備、通信設備和顯示設備等。嵌入式系統不同于一般的計算機處理系統，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質，大多使用閃存作為存儲介質。不同的應用領域采用不同的ARM處理器類型，相應的硬件構成及操作系統和軟件配置也不同。

ARM嵌入式軟件在很大程度上決定了設備系統的增值能力。嵌入式軟件包括與硬件相關的底層軟件、操作系統、應用程序等。其中，嵌入式操作系統是用來支持嵌入式應用的系統軟件，通常包括與硬件相關的底層驅動程序、系統內核、設備驅動接口等。

操作系統在嵌入式系統中并不總是必須的，但對于復雜的嵌入式系統又是必不可少的。操作系統為用戶提供了一臺與實際硬件等價的虛擬機，屏蔽了底層硬件的差別，給上層應用提供統一的接口。操作系統對硬件進行了透明化處理，使程序員可以避開許多硬件細節，從而提高開發效率。操作系統控制和管理系統內各種硬件和軟件資源合理有效地工作。操作系統使硬件系統與應用軟件產生了相對獨立性，可以在一定范圍內對硬件進行升級和添加而不會影響應用軟件。目前流行的操作系統主要有VxWorks，WindowsCE，Linux等。

VxWorks操作系統是美國溫瑞爾（WindRiver）公司于1983年開發的一種實時操作系統（RTOS）。高性能的內核以及友好的用戶開發環境在嵌入式系統有重要的地位。VxWorks支持多種嵌入式CPU，其系統結構是一個相當小的微內核的層次結構，內核僅提供多任務環境、進程間通信和同步功能。這些功能模塊提供的高性能可以支持VxWorks在較高層次中應用。它以其良好的可靠性和極高的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求很高的領域中。

Windows CE是微軟研發的嵌入式操作系統，應用在各種嵌入式系統中。2008年微軟宣布將Windows Embedded CE系列更名為Windows Embedded Compact與 Windows Embedded Enterprise、Windows Embedded Standard 和 Windows Embedded POSReady組成Windows Embedded系列產品。Windows CE并非從臺式機的Windows修改縮小而來，而是使用一套完全重新設計的核心，所以它可以在功能非常有限的硬件上運行。開發臺式機軟件的人可以很容易編寫甚至直接移植軟件到Windows CE上。

Linux是一種自由和開放源碼的類操作系統，目前存在許多不同的Linux,但它們都使用Linux內核，Linux可安裝在各種計算機硬件設備中。Linux這個詞本身只表示Linux內核，“內核”指的是一個提供硬件抽象層、文件系統控制、多任務等功能的系統軟件。一個內核不是一套完整的操作系統。一套基于Linux內核的完整操作系統叫作Linux操作系統，這個系統是由世界各地的成千上萬的程序員設計實現的。由于Linux的源碼開放性、內核可裁剪性、多任務支持等諸多優點，使得它成為一款應用最為廣泛的嵌入式操作系統。嵌入式Linux被廣泛地使用在移動電話、個人數碼助理(PDA)、媒體播放器以及眾多消費性電子設備中。

4 結束語

隨著嵌入式技術的發展，過去由按鈕、發光二極管、顯示字符的顯示器以及簡單的菜單系統組成的嵌入式系統將被具有完整的用戶圖形界面、通過屏幕就能進行操作和顯示的復雜嵌入式系統所取代。隨著硬件特性的不斷提高，嵌入式系統與通用計算機系統之間的界限會逐漸消失。ARM公司廣泛的產業聯盟使得基于ARM的嵌入式應用更加寬廣。

[1]馬忠梅，李善平，康慨.ARM&Linux嵌入式系統教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.