欢迎光临华胄科技,十年专注值得信赖,您的泛亚娱乐场!! 专注铁电! 专业技术! 专心服务!
输入产品型号或关键词,获取相关解决方案
产品类别或产品型号,获取相关解决方案
ARM处理器与嵌入式系统
  • 2010-11-25
  • 3661
  •   引言


      由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化,嵌入式系统在后PC时代得到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进步,在工业控制和新兴的手持式应用等领域,用户体验成为产品成功的关键因素之一,越来越多的产品需要良好的用户界面、互联功能以及较强的数据处理能力,这对嵌入式处理器硬件、软件、教学等提出了新的要求。


      1 嵌入式处理器与硬件


      在处理器方面,目前大量的中、低端嵌入式应用,主要使用8/16位单片机。在国内,由于历史的原因,主要是以MCS51核为主的许多不同型号单片机,主要厂商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。还有一些近几年发展较快的新型单片机,如PIC、AVR、MSP430系列等。这些单片机各有特点,但从目前的发展角度来看,单片机针对特定应用领域的个性化发展愈发明显,典型的例子就是TI公司的MSP430系列16位单片机、ST公司的STM8L系列8位单片机和STM32L系列32位超低功耗单片机。


      在嵌入式中的高端应用领域,像工业控制、POS机、网络设备、图像处理、手机、PDA等,目前主要使用ARM、MIPS、POWER PC、DSP等16~64位处理器,以32位处理器为主。各种类型的处理器都有其一定的应用针对性。例如,DSP对数字信号处理技术中用到的常用运算、算法做了优化设计,主要用于实时信号处理领域,如实时音视频处理、电机控制等。MIPS处理器性能很好,但功耗较大,适合于有交流电源供电的固定应用,如固定的网络设备、机顶盒等。ARM处理器性能高,功耗低,适合于用电池供电的便携、手持式设备。由于近几年便携、手持式嵌入式应用的高速发展,ARM处理器的增长速度和市场占有率也快速提升,成为目前32位应用中的主力产品。


      由于嵌入式应用系统的广泛性,嵌入式系统的硬件设计涉及的知识面很广,从模拟到数字、低频到高频、小信号到大功率,以及复杂的时序逻辑设计和PCB设计,还要考虑软硬件资源的合理分配,不仅要有广而扎实的理论基础,更需要丰富的实践经验。只有对大大小小各种应用系统反复实战演练,了解新技术、新器件,使用过多种多样的处理器和模拟/数字器件,才能逐步积累,聚沙成塔,对一个新的应用系统给出快速、合理的硬件方案与设计。


      2 ARM处理器的优势


      对于如今大量出现的32位嵌入式应用,以笔者之见,ARM处理器的优势主要有以下几个方面。


      2.1 高性能、低功耗、低价格


      把ARM处理器的性能拿来和一些著名的通用处理器(如Pentium)相比是不合适的,因为他们各自针对的应用需求是不同的。Pentium处理器采用多条指令流水线的超标量结构,追求通用应用目标下的超强性能,功耗大,可以用散热器加风扇散热。ARM针对嵌入式应用,在满足性能要求的前提下,力求最低的功率消耗。ARM结构的优点是能兼顾到性能、功耗、代码密度、价格等几个方面,而且做得比较均衡。在性能/功耗比(MIPS/W)方面,ARM处理器具有业界领先的性能。基于ARM核的芯片价格也很低,目前ARM CortexM的芯片价格可低至10元人民币左右。


      2.2 丰富的可选择芯片


      ARM只是一个核,ARM公司自己不生产芯片,采用授权方式给半导体生产商。目前,全球几乎所有的半导体厂家都向ARM公司购买了各种ARM核,配上多种不同的控制器(如LCD控制器、SDRAM控制器、DMA控制器等)和外设、接口,生产各种基于ARM核的芯片。目前,基于ARM核的各种处理器型号有好几百种,在国内市场上,常见的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等厂家的芯片。用户可以根据各自的应用需求,从性能、功能等方面考察,在许多具体型号中选择最合适的芯片来设计自己的应用系统。由于ARM核采用向上兼容的指令系统,用户开发的软件可以非常方便地移植到更高的ARM平台。


      2.3 广泛的第三方支持


      以如今的技术,设计一个处理器并非难事,但要使这个处理器得到大家认可,并取得市场成功却是非常困难的,其中涉及许多技术与非技术的因素和环节,还包括时机、运气。因为现在许多产品的开发,不是一个简单的处理器加几百条指令、语句就可以解决的。要用到32位处理器,一般都要有编译器、高效的开发工具(仿真器及调试环境)、操作系统、协议栈等,这些东西都不是一个芯片生产商可以解决的,而需要许多第三方的支持。这就像一粒种子,需要土壤、空气、水等环境才能发芽、成长。这也是我们的一些“中国芯”该反思之处。


      ARM通过近20年的培育、发展,得到了广泛的第三方泛亚娱乐支持。目前,除通用编译器GCC,ARM有自己的高效编译、调试环境(MDK、Keil),全球约有50家以上的实时操作系统(RTOS)软件厂商和30家以上的EDA工具制造商,还有很多高效率的实时跟踪调试工具的厂商,对ARM提供了很好的支持。用户采用ARM处理器开发产品,既可以获得广泛的支持,也便于和同行交流,加快开发进度,缩短产品的上市时间。


      2.4 完整的产品线和发展规划


      ARM核根据不同应用需求对处理器的性能要求,有一个从ARM7、ARM9到ARM10、ARM11,以及新定义的CortexM/R/A系列完整的产品线。前几年应用较多的主要是基于V4架构的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些处理器芯片,如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel 的AT91系列和Samsung的S3C系列。近两年,ARM Cortex系列以更好的性能、更低的价格得到快速推广,典型的就是基于CortexM3的STM32系列。


      ARM CortexM/R/A系列分别针对不同的应用领域。M系列主要面向传统微控制器(MCU/单片机)应用,这类应用面很广,要求处理器有丰富的外设,并且各方面比较均衡;R系列强调实时性,主要用于实时控制,如汽车引擎;A系列面向高性能、低功耗应用系统,如智能手机。选用ARM处理器进行开发,技术积累性较强,生命周期长,设计重用度高,不易被淘汰。用户在选择ARM处理器时,可以针对应用需求,从大量的ARM芯片中选用满足性能、功能要求的产品,以获得较好的性价比。


      3 ARM嵌入式系统的软件


      由于嵌入式系统的差异性很大,对不同的应用需求,必须选择不同的软件设计方法、开发平台和系统工具。


      对于一些不需要复杂图形用户界面、通信协议和复杂文件操作(如同时打开多个文件)的应用,如果选用CortexM3核的处理器就已可以满足要求,任务数不多,任务之间的关系也不复杂,则不一定需要移植复杂的操作系统。这样一方面可以降低系统硬件开销,也可以获得更好的实时性和执行速度。不过,这样的软件开发方法需要开发人员有较好的程序设计思想,对所用器件有深入的了解,并掌握其编程控制方法。若引入一个简单的操作系统,如μC/OS,可以简化程序结构,但开发者最好熟悉其内核结构,并有使用经验,否则可能会需要更多的系统开发、调试时间。


      如果选择了带存储器管理单元(MMU)的ARM处理器(如ARM920T、CortexA8等),这种应用系统根据应用、实时性、开发环境等因素,移植一个功能较强的操作系统一般情况下会比较合适,如Linux、WinCE,甚至新的Android等。这种系统的开发难度主要是在OS的移植以及硬件驱动程序的开发上。当这二步工作完成后,主要的软件开发工作已和在PC机上开发没有多大区别,可以按照一般的软件工程方法来进行,要注意的只是与ARM硬件平台相关的软件优化问题。


      由于嵌入式系统硬件资源的有限性,嵌入式软件与其他应用软件的主要区别,在于嵌入式软件要有较高的效率,包括执行速度和存储空间,尽管这二者经常是相互矛盾的。目前一般要求更多的是速度优化。要编写出高效的ARM程序,需要开发人员熟悉ARM的体系结构,包括内核结构、指令系统、Cache与存储器结构等,还要有好的程序设计思想,以及对一些常用函数、算法的深刻理解。这个过程也是ARM系统开发从低级到高级的进阶之路。


      目前,由于应用系统越来越复杂,嵌入式软件的移植性和重用性也得到了人们的高度重视,因为它直接影响到嵌入式软件的开发效率和质量。选择一种通用的开发环境和高级编程语言,使开发的嵌入式软件可以方便地移植到不同的硬件平台,是实现软件重用的基础。目前在ARM嵌入式系统开发中,ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是较好的开发平台,C/C++语言是应用最广泛的编程语言,并具有广泛的库函数、程序支持,在今后很长一段时间内,仍将在嵌入式系统应用领域中占重要地位。


      4 嵌入式系统的教学


      如今,嵌入式系统作为一个热门领域,其教学问题也颇受高校的关注。教学的主要目的是培养社会需要的人,由于嵌入式系统的广泛性、差异性,社会对从事嵌入系统开发人员的要求也有很大的不同,既需要从事简单8/16位单片机开发的人员,也需要从事ARM、DSP开发的人员;既要有从事硬件、底层软件开发的人员,也要有从事OS移植、应用软件开发的人员。由于整个大学学习时间和课程教学时数的限制,一个人显然不可能学习、掌握嵌入系统开发的各个层面。所以,各个学校首先应根据自身情况,明确定位,确定自己培养学生的社会适应面,然后再制定教学大纲,确定课程内容和实验平台。对于高职、普通高校的电类与非电类专业、软件学院等,都应该有不同的选择,而不是人云亦云,一哄而上。


      就目前的发展看,由于ARM等32位处理器应用渐成主流,开发工具已较完善、成熟,对于普通高校计算机学科的嵌入式系统教学,笔者认为可以定位在以32位嵌入式系统开发为主,重点是嵌入式系统的软硬件结构、嵌入式OS的知识,以及嵌入式软件设计(包括优化)。课程主体内容基本与硬件平台(处理器型号)无关,实验可以采用基于ARM核的不同厂家处理器的实验平台。主要考虑以下几点:



      ①在32位嵌入式系统开发上,软件开发人员的需求比硬件开发人员要多得多(尽管目前硬件开发人员较难找,但这应该是电子等专业培养的)。一般在一个从事嵌入式应用系统开发的公司中,软硬件人员的比例不会小于10:1。由于学习时间有限,教学重点应该偏软件。


      ②现代社会强调分工、合作,以求得整体利益的最大化。对个人的要求首先是专才,能把局部工作做精、做好。通才是需要的,但数量会比专才少得多,而且通才是练出来的,不是教出来的。今后的大学是大众教育,教学只能面向大众需求。在相关专业的研究生阶段,对一些有基础、有兴趣的学生,可以进行一些系统级硬件、底层软件的开发实践,同时也可满足社会对高层次嵌入式人才的需要。


      ③以此为主,可以再开设2门选修课。向下为“单片机原理与应用”,此课程以实践为主,让有兴趣的学生可以自己设计、制作一些单片机应用系统,同时也锻炼了硬件动手能力。向上为“数字信号处理(DSP)”,让那些数学基础较好、对实时信号处理有兴趣的学生有用武之地(现在这样的学生很难得)。


      另外,由于应用日趋复杂,而教学时间有限,一个本科生在校期间不可能深入学习嵌入式系统的很多细节,嵌入式教学应采用自上而下的教学方法。一开始不必花很多时间讲解处理器内核架构/指令系统,只要知道各种内核的基本特点即可,重点学习、掌握处理器、外设的编程结构(即编程者角度看到的编程模型结构,非具体物理实现结构)。真实的应用、研究设计都是从粗粒度向细粒度进阶的,是一个自顶向下的过程,首先要重视的是系统架构和各个抽象层。1000行的C程序,编译后生成的目标代码只有10 KB左右,试想现在的MCU Flash动辄几百KB,为什么?一个目标代码几百KB的C程序,一般不是完全由个人写出来的,而都会使用一些第三方的库函数、中间件等。硬件也一样,现在很多硬件系统都会使用一些模块(Module),尽管这些模块看上去还是一个芯片,但实际上已经是一个SiP模块,如WiFi模块。所以,在了解基本嵌入式系统结构的基础上,本科阶段要更多地学习各种系统、模块、外设、协议、库函数的“边界(Interface)”,能够搭建一个简单系统(How to do),今后在工作、或研究生阶段进一步去做好一个系统(How to do better)。


      5结语


      嵌入式系统作为一种特殊的计算机应用系统,在任何时期都有相对的高、中、低端应用,即使在今后,没有OS支持的4位或8位单片机的嵌入式应用仍有大量需求,但趋势是系统化、复杂化。这既是嵌入式系统的特点--广泛性、差异性和不可垄断性,也是广大嵌入系统研发人员的生存与发展空间。ARM处理器在便携、手持式设备以及工业控制等应用领域,在今后相当长的时间内是一个很好的选择。当然,没有一种型号的处理器是可以覆盖所有应用的,也不是搬上一个嵌入式OS,就可以很好地解决软件问题的。深入了解各种器件特性,选择最合适的处理器、外围器件、操作系统和软件库,尽可能地优化软件设计,最贴切地满足应用需求,以获得最好的系统性价比,是嵌入式系统设计开发的精髓。


    产品快速搜索
    热门搜索
    您是第
    位访客
    Copyright (c) 2005-2015 HUAZHOU LTD.allreserved Designed by huazhouzcn.com    泛亚娱乐有限公司 粤ICP备12085565号-1 版权所有