關于ARM嵌入式系統相關問題的研究

楊子翼

【摘要】隨著信息技術的快速發展，社會已步入了信息時代。在信息時代嵌入式系統得到廣泛的應用，ARM作為嵌入式微處理器，無論其技術還是發展都日益成熟，在我們的生產生活中得以廣泛的應用。文中從嵌入式系統入手，對ARM嵌入式系統進行了分析，并進一步對ARM技術的應用及產業化發展進行了具體的闡述。

【關鍵詞】ARM;嵌入式系統;調試方法;應用;產業化

目前計算機技術、網絡技術和微電子技術得以快速的發展，這也加快了嵌入式系統的應用，目前在國際上公認的業界領先的嵌入式系統是ARM，其作為32位嵌入式RISC微處理器，在我們生活的各個方面具有不可或缺性。ARM技術具有非常好的性能和功效，目前已發展成為一種新型的產業發展模式，而且在市場需求不斷增加的情況下，ARM的市場潛力巨大。

1.嵌入式系統

1.1 嵌入式系統的概念

嵌入式系統作為一種計算機系統，包括硬件部分和軟件部分，但其又與通用的計算機系統具有明顯的不同之處，其是以應用為中心，以計算機技術作為基礎，而且軟硬件可以進行剪載，在一些對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統中更具有適用性。

嵌入式系統作為一種專用的微處理器，在功能上比通用計算機更專門化，可以實現對某個方面進行專門的運算，不僅可靠性較高，而且成本較低，作為專用計算機系統，具有非常高的運算速度。

1.2 嵌入式系統的架構

盡管嵌入式系統與通用計算機系統存在著一定的區別，但其作為一種特殊的計算機系統，不僅包括硬件環境、嵌入式操作系統，而且還包括嵌入式應用系統。

作為嵌入式系統的硬件部分，其為嵌入式操作系統和應用程序的運行提供了一個良好的硬件平臺，主要由嵌入式處理器和外圍設備組成，其處理器作為整個系統的核心部分，作為系統能夠有效運行的硬件單元，對系統的運行具有控制和輔助的作用。

而嵌入式應用的任務調度和控制等核心功能則由嵌入式操作系統來完成，其不僅具有簡單的內核，不僅可以進行配置，而且能夠更好的與高層應用進行有效關聯，具有相對不變性。

在操作系統之上，嵌入式應用程序可以進行有效的運行，使一些特定功能的嵌入式應用得以完成，而且根據系統的不同來采用不同的嵌入式應用程序。

2.ARM嵌入式系統

2.1 什么是ARM

ARM最早由微處理器行業的一家知名企業所設計，其所設計的RISC處理器具有較高的性能，較低的功耗和較好的經濟性，所以ARM技術具有很好的性能和功效，世界許多頂級的半導體公司與其都有大量的合作。這些半導體公司與ARM簽訂了硬件技術使用許可協議，所以ARM從某種意義上來講，其不僅代表一類微處理器和一種技術，而且代表著一種新型的產業發展模式。

2.2 ARM微處理器的特點

ARM微處理器，其是采用RISC體系架構而成的，其不僅體積較小，功耗較低，而且成本不高，具有非常好的性能。其不僅能夠支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，而且對于8位/16位器件具有良好的兼容性。通過對寄存器的大量使用，有效的加快了指令執行的速度，而且在寄存器中大多數數據操作都能夠得到有效的完成，不僅錄址方式較為簡單、靈活，而且具有較高的執行效率，指令長度固定。

2.3 ARM嵌入式系統調試方法

2.3.1 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。

2.3.2 駐留監控軟件

駐留監控軟件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，由調試軟件發布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，駐留監控軟件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。

2.3.3 JTAG仿真器

JTAG仿真器是通過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。

2.3.4 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。

3.ARM技術的應用及產業化發展

3.1 ARM技術的應用領域

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。

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。

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。

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。

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。

3.2 嵌入式系統產業化發展

嵌入式系統的發展，在市場的需求下，為發展注入了巨大的推動力，從而加快了其向產業化發展的進程。由于嵌入式系統具有廣闊的市場。目前臺式和便攜式電腦設計的計算機芯片多數是由嵌入式設備進行設計制造的，全球嵌入式系統產品的產值已十分巨大，而且還有巨大的潛力可以挖掘，在未來的發展中，嵌入式系統具有非常大的潛力可以挖掘，市場發展空間非常遼闊。

4.結束語

近年來，科技技術的快速發展，有效的提高了嵌入式系統的設計水平，再加之半導體工藝技術的快速發展，ARM技術取得了較快的發展和進步，其應用領域也更加的廣泛。

由于ARM技術的快速發展，不僅其工業產值得到了大幅度的提升，而且其技術產品也具有了非常好的市場前景，可以說隨著ARM技術的不斷發展和創新，為我們當前的生活帶來了非常大的改變，有效的加快了社會發展的步伐。

參考文獻

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