论ARM嵌入式系统的应用特点与发展

摘 要:在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC(Post－PC)时代,本文概括了ARM技术的应用领域及其产业化发展,并预测ARM技术发展的前景。

关键词:嵌入式系统ARM微处理器

中图分类号:TP31文献标识码:A文章编号:1672-3791(2010)06(b)-0030-01

1 嵌入式系统

嵌入式系统是指嵌入式计算机(Embedded Computer)及其应用系统,是指嵌入于各种设备及应用产品内部的计算机系统,它主要完成信号控制的功能,体积小,结构紧凑,可作为一个部件埋藏于所控制的装置中,它提供用户接口、管理有关信息的输入输出、监控设备工作,使设备及应用系统有较高智能和性价比。嵌入式计算机系统,最早出现在20世纪60年代武器控制中,后来用于军事指挥控制和通信系统,现在广泛用于民用机电一体化产品中。

嵌入式系统是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统,但又跟通用计算机系统不同。嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器,但是功能比通用计算机专门化,具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。

2 ARM嵌入式系统

2.1 ARM处理器核系列及应用

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Iazelle 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、安全系统、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与微控制器结合使用的情况,将Thumb技术和DSP都扩展到ARM指令集中,并具有EmbeddedICE-RT逻辑,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提供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安全市场,以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其他安全IC开发提供独特的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提供理想的解决方案。

Xscale系列:提供全性能、高性价比和低功耗的解决方案,支持16位Thumb指令和DSP指令。

2.2 ARM微处理器的指令结构

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位代码的所有优点。

2.3 ARM嵌入式系统开发工具及调试方法

目前常见的调试方法有以下几种。

(1)指令集模拟器

部分集成开发环境提供了指令集模拟器,可方便用户在PC机上完成一部分简单的调试工作,但是由于指令集模拟器与真实的硬件环境相差很大,因此即使用户使用指令集模拟器调试通过的程序也有可能无法在真实的硬件环境下运行,用户最终必须在硬件平台上完成整个应用的开发。

(2)驻留监控软件

驻留监控软件(Resident Monitors)是一段运行在目标板上的程序,集成开发环境中的调试软件通过以太网口、并行端口、串行端口等通讯端口与驻留监控软件进行交互,由调试软件发布命令通知驻留监控软件控制程序的执行、读写存储器、读写寄存器、设置断点等。

驻留监控软件的不便之处在于它对硬件设备的要求比较高,一般在硬件稳定之后才能进行应用软件的开发,同时它占用目标板上的一部分资源,而且不能对程序的全速运行进行完全仿真,所以对一些要求严格的情况不是很适合。

(3)JTAG仿真器

JTAG仿真器也称为JTAG调试器,是通过ARM芯片的JTAG边界扫描口进行调试的设备。JTAG仿真器比较便宜,连接比较方便,通过现有的JTAG边界扫描口与 ARM CPU 核通信,属于完全非插入式(即不使用片上资源)调试,它无需目标存储器,不占用目标系统的任何端口,而这些是驻留监控软件所必需的。另外,由于JTAG调试的目标程序是在目标板上执行,仿真更接近于目标硬件,因此,许多接口问题,如高频操作限制、AC和DC参数不匹配,电线长度的限制等被最小化了。

3 嵌入式系统的信息产业化发展

现在,嵌入式技术无处不在,ARM几乎成为嵌入式技术的代名词。市场需求为嵌入式系统产业化发展注入巨大推动力。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发展的巨大推动力。2003年,全球嵌入式系统产品的产值已达2000亿美元,估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过1万亿美元。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。

4 结语

随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高,ARM技术将会不断的变化和进步,ARM技术的应用领域会再次扩大,ARM技术带来的工业产值将会剧增,ARM技术产品的市场前景更加美好。总之,ARM技术的不断创新会给人类社会生活带来奇迹和享受。

参考文献 

[1]ARM公司.ARM Architecture Reference Manual[M].ARM公司,2000.

[2]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005

[3]郑文波,曹金安.嵌入式系统的产业化发展——市场、技术与前景[J].自动化博览,2005,(1):17.