基于ARM 的嵌入式系統開發

王 丹，劉國棟，張海濤，張曉冬

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000；2.中國人民解放軍95979 部隊，山東 新泰271207）

1 引 言

隨著大數據、AI 技術等高新科技的快速發展，嵌入式系統已經廣泛應用在科學研究、軍事技術、工程設計、商業文化藝術、娛樂業、日常生活等方方面面。嵌入式系統基于計算機技術，以應用需求為中心，可以定制軟件和硬件。它適用于對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統是一個復雜的系統，包括硬件與軟件兩大部分，硬件是以處理器為核心器件，再根據具體的應用需求，選擇合適的外圍設備，通常核心器件的選型基本決定了整個系統的軟硬件架構。軟件部分則包括開發環境、驅動程序、操作系統、應用程序等部分。整個嵌入式系統需要軟硬件協同配合，共同完成具體的應用功能。

2 嵌入式系統硬件平臺開發

嵌入式系統硬件平臺一般包括處理器及外圍設備兩部分。目前應用于嵌入式系統的處理器有很多種,其中基于ARM 架構的處理器占主導地位[1-2]。ARM 公司提供ARM 架構的IP 核，主要包括Classic系列和Cortex 系列。其產品系列如圖1 所示。

圖1 ARM 架構系列產品

Classic 系列是ARM 公司早期推出的ARM 架構的處理器。其中，ARM7 基于ARMv3 或ARMv4 架構；ARM9 基 于ARMv5 架 構；ARM11 則 是 基 于ARMv6 架構。在該系列的ARM11 以后，ARM 公司產品開始進入ARMv7 架構，改用Cortex 命名，分成A、R 和M 三類，旨在為不同定位的市場提供服務。

Cortex-M 系列處理器包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7、Cortex -M23、Cortex -M33、Cortex -35、、Cortex -M55等，該系列產品主要應用于對成本和功耗要求較高的應用場景，如低端的工業控制和消費等領域。

Cortex-R 系列處理器包括Cortex-R4、Cortex-R5、Cortex-R7、Cortex-R8、Cortex-R52 等。該系列處理器主要應用于對實時性要求比較高的應用場景，如動力傳動、汽車制動系統等場景。

Cortex-A 系列處理器包括Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A15、Cortex-A17、Cortex-A32、Cortex-A34、Cortex-A35、Cortex-A53、Cortex-A55、Cortex-A57、Cortex-A65、Cortex-A72、Cortex-A73、Cortex-A75、Cortex-A76、Cortex-A77、等。該系列產品主要應用于對處理器性能要求比較高的應用領域。

各大廠家在授權付費使用ARM IP 核的基礎上也研發各自的芯片，即嵌入式微控制器。目前主流的嵌入式微控制器廠商有ST、Microchip（Atmel）、TI、NXP（Freescale）、ST、SAMSUNG 等。在很大程度上，選擇嵌入式開發硬件平臺就等同于選擇嵌入式微控制器。系統中使用哪種微控制器，取決于應用領域、用戶需求、成本、功耗、開發難度等因素。

確定要使用的嵌入式處理器之后，應根據系統需求確定外圍設備的選型。系統外圍設備的選擇因素包括：電源供電系統、調試下載接口、外圍時鐘電路選擇、是否需要外圍儲存器擴展、是否需要通信接口的收發器、模擬模塊的選擇、其他功能模塊等。

3 軟件平臺開發

3.1 集成開發環境

嵌入式系統開發之前首先要選擇合適的開發工具，要綜合考慮開發進度和開發成本等因素。一套完整的集成開發環境（IDE）需要包括編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調試軟件、工程管理及函數庫。目前主流的幾款IDE 包括：

(1) ADS

ADS 是ARM 公司的集成開發環境軟件，功能強大，包括：仿真器、C 編譯器、實時調試器、應用函數庫。ADS 不僅提供軟件模擬仿真功能，而且提供強大的實時調試跟蹤功能。ADS 支持的硬件調試器是Multi-ICE 仿真器[3]。

(2) IAR

IAR 是由IAR Systems 公司開發的集成開發環境。與其他ARM 開發工具相比，其最大特點是簡單易操作。IAR 包含完整的軟件仿真程序，用戶無需任何硬件支持，可以方便地仿真各種ARM 內核。

(3) KEIL

KEIL 是Keil Software 公司出品的集成開發環境，除了支持ARM 系列處理器以外，還支持51 系列單片機等，是一款通用的開發工具。除一般IDE 功能外，它還可幫助用戶準確調試ARM 器件的片內外圍功能，并支持Philips、Samsung、Atmel、Analog Devices、Sharp、ST 等眾多廠商的ARM 微控制器。

(4) GNU

GNU[4]開發工具最重要特征是它的操作系統和開發工具是免費的，均可以從互聯網上獲得所有開發工具及源代碼。GNU 包括Linux 操作系統、編譯器外、調試工具、二進制轉換工具。GNU 開發工具的主要缺點是采用命令行方法的方法進行編譯鏈接等操作，這就增加了用戶的操作復雜性及難度。但其同時也為用戶提供了更大的靈活性，有助于用戶更好了解系統設計的基礎與細節。

(5) RVDS

RVDS 是ARM 推出的新一代ARM 集成開發工具，其最顯著的功能是支持所有ARM 系列處理器，并與許多第三方實時操作系統和工具供應商合作，很大程度上簡化了開發流程。

3.2 驅動程序

驅動程序是通過軟件控制硬件工作的代碼。硬件與軟件之間連接的橋梁是寄存器，軟件工程師通過閱讀芯片的數據手冊，操作具體的寄存器控制硬件工作。通常對于ARM 處理器，各大IC 廠家在產品發布時，會將驅動程序開發好，以API 函數庫的形式提供給芯片使用者。用戶可直接調用封裝好的API 函數完成芯片的控制，因此可大大降低開發的難度及周期。對于有某些特殊應用需要的使用者，也可以自行修改驅動代碼，以達到例如縮短軟件運行時間等特殊目的。

3.3 操作系統

目前應用于ARM 嵌入式開發的實時操作系統有很多[5]，最主流的是VxWorks、μClinux、μC/OS 和eCos 等四種，各具有不同的特點及應用領域。

VxWorks 是美國Wind River 公司開發的一種嵌入式操作系統[6]，也是占有市場份額較多的一款嵌入式操作系統。VxWorks 由400 多個獨立的目標模塊組成，具有靈活的可配置性。用戶可以根據自身需求選擇合適的模塊配置和定制系統，甚至有的核心代碼最小可以縮小到8kB 左右。VxWorks 的可配置性也保證了更高的安全性和可靠性，因此被廣泛應用于航天航空等對實時性和可靠性要求較高的領域。在外太空探索領域，VxWorks 操作系統一直是NASA 的最愛。

μC/OS 是一款小型的、開源的、搶占式實時操作系統[7]，提供多任務管理和調度、任務之間的同步和通信、內存管理、時間管理、中斷服務等功能。該系統對RAM 和ROM 的大小要求比較小，且簡單易學，特別適合于嵌入式系統初學入門者，對于ARM Cortex-M 系列的處理器，通常配合μC/OS 實時操作系統，用于多任務處理的應用場景。

μClinux[8]雖然是標準Linux 的縮小版，但是依然繼承了Linux 操作系統的主要功能，只是減少了對MMU 內存管理單元的支持，更適合于沒有MMU單元的ARM 內核。由于μClinux 缺少對MMU 的支持，因此用戶在使用時需要掌握一定的技巧。μClinux主要適用于與網絡功能相關的應用，如Cisco 公司的2500/3000/4000 路由器，均是基于μClinux 操作系統開發的。

eCos 嵌入式操作系統，最大的特點是靈活、可配置、模塊化設計。其核心代碼由一些小組件構成，提供了大量的配置選項，以滿足不同的應用需求。該系統主要應用于一些工業級及商業級對成本比較敏感的應用場景中，例如消費電子領域。

3.4 應用軟件程序

應用軟件程序是嵌入式系統功能的軟件代碼實現。對于簡單的應用需求，通常不需要操作系統的支持；對于需要多任務處理的復雜應用需求，則需要選擇一款合適的操作系統進行多任務的并行處理。

4 結 束 語

嵌入式開發已從傳統的單機，板級和串行通信轉變為多機、分布式計算和網絡通信。因此，除了考慮開發技術之外，還必須考慮實時嵌入式系統的改進或升級技術，實時開放技術，實時組合技術和實時軟件工程技術。嵌入式系統的性能驗證技術，以及安全技術、容錯技術、可靠性形式驗證技術、質量保證技術和測試認證技術也非常重要，還應在后續研究中持續關注。