施樂平，楊征宇，馬憲民，湯元會(huì)

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

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)是指為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可以根據(jù)需要裁剪，滿足對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求而專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，被廣泛用于手持設(shè)備、電信交換機(jī)、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、多媒體電器、軍事裝備、航空等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)于20世紀(jì)60年代在軍事上初步應(yīng)用，并得到較大發(fā)展。隨著單片機(jī)和微處理器的性能提高以及價(jià)格下降，到80年代中期，許多外部系統(tǒng)的組件被集成到了處理器芯片中，使這種結(jié)構(gòu)的微處理器得到了更廣泛的應(yīng)用。到80年代末期，微處理器已經(jīng)出現(xiàn)在幾乎所有的電子設(shè)備中，并出現(xiàn)和流行新型高性能RISC（精簡指令集計(jì)算機(jī)）。本文以ARM微處理器為主，介紹ARM嵌入式系統(tǒng)的種類、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及操作系統(tǒng)等。

1 ARM處理器的發(fā)展和特點(diǎn)

ARM是32位精簡指令集（RISC）處理器，目標(biāo)是低成本、高性能、低耗電，適用于移動(dòng)通信等領(lǐng)域，被廣泛用于許多嵌入式系統(tǒng)中。ARM是對(duì)一類微處理器的稱統(tǒng)，也是一個(gè)公司的名字。ARM于1983年開始由Acorn電腦公司（Acorn Computers Ltd）設(shè)計(jì)，在1985年時(shí)開發(fā)出ARM1。在80年代晚期，Acorn開始與蘋果電腦合作開發(fā)新版的ARM核心，并在1990成立 ARM（Advanced RISC Machines Ltd.）公司。在1991年公司發(fā)布了ARM6，從ARM7開始ARM核被普遍認(rèn)可和廣泛使用。以后陸續(xù)推出ARM9TDMI、ARM9E、ARM10E、XScale、ARM11、ARMv6T2、ARM v6KZ、ARMv6K、Cortex。

ARM的經(jīng)營模式在于出售其半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心（IP core），靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片。目前，全世界幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM 公司的授權(quán)，使得ARM 技術(shù)獲得更多第三方工具和軟件的支持，有更好的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，從而加快了用戶產(chǎn)品開發(fā)。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(yīng)用在消費(fèi)電子產(chǎn)品、便攜式設(shè)備、電腦外設(shè)、軍用設(shè)施中。其中手機(jī)處理器占有95%的市場(chǎng)份額，上網(wǎng)本處理器占有30%的市場(chǎng)份額，平板電腦處理器占有70%的市場(chǎng)份額。進(jìn)入21世紀(jì)之后，由于手機(jī)制造行業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)量有了很大的增長，到2010年，ARM合作伙伴的出貨量達(dá)到了60億片。

基于ARM嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法涉足到的。通用計(jì)算機(jī)運(yùn)行的軟件是由用戶選擇的，而嵌入式系統(tǒng)的軟件通常是下載到存儲(chǔ)器中暫時(shí)不變的?；贏RM的嵌入式系統(tǒng)有些有實(shí)時(shí)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(tǒng)的硬件得以簡化，降低成本。但是嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的軟件功能可以使電路得到很大地簡化，大部分設(shè)計(jì)工作是軟件。而軟件不管是創(chuàng)建原型還是測(cè)試、修改，相對(duì)于硬件來說都要容易很多，并且設(shè)計(jì)和建造新的功能不會(huì)修改硬件電路，增加了設(shè)計(jì)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(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)控制、internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)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(qiáng)的DSP處理能力，適合同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用于無線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)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(diǎn)。由于采用新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50%，同時(shí)ARM10E系列采用了先進(jìn)的節(jié)能方式，功耗極低。ARM10E系列主要應(yīng)用于現(xiàn)代無線電設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)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(shí)鐘頻率的內(nèi)核。ARM11處理器在提高性能的同時(shí)也允許在性能和功耗間做權(quán)衡以滿足某些特殊應(yīng)用，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)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(gè)型號(hào)。

2.6 Cortex系列微處理器

自從ARM11以后ARM公司對(duì)處理器的命名方式發(fā)生了變化，以Cortex來命名，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)與之相適應(yīng)的處理器。

Cortex-A是高端應(yīng)用處理器，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2GHz標(biāo)準(zhǔn)頻率，從而支持下一代移動(dòng)Internet設(shè)備。這些處理器具有單核和多核兩類。主要應(yīng)用在智能手機(jī)、智能本、上網(wǎng)本、電子書閱讀器和數(shù)字電視等方面。

Cortex-R是實(shí)時(shí)處理器，應(yīng)用在具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)響應(yīng)嵌入式系統(tǒng)。主要應(yīng)用在家庭消費(fèi)性電子產(chǎn)品、醫(yī)療行業(yè)、工業(yè)和汽車行業(yè)。

Cortex-M系列處理器，主要針對(duì)微控制器領(lǐng)域開發(fā)的，是低成本和低功耗的處理器，主要應(yīng)用在智能測(cè)量、人機(jī)接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、消費(fèi)性產(chǎn)品和醫(yī)療器械等方面。

3 ARM嵌入式體系結(jié)構(gòu)及操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是廣義上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般由ARM處理器、板載硬件、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序構(gòu)成。

ARM嵌入式系統(tǒng)硬件包括ARM處理器、Flash、SDRAM等基本部分，另一部分為各個(gè)不同部分硬件的功能模塊。常用的ARM嵌入式外圍設(shè)備有存儲(chǔ)設(shè)備、通信設(shè)備和顯示設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)不同于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，大多使用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)。不同的應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的ARM處理器類型，相應(yīng)的硬件構(gòu)成及操作系統(tǒng)和軟件配置也不同。

ARM嵌入式軟件在很大程度上決定了設(shè)備系統(tǒng)的增值能力。嵌入式軟件包括與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。其中，嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應(yīng)用的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)程序、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口等。

操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中并不總是必須的，但對(duì)于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)又是必不可少的。操作系統(tǒng)為用戶提供了一臺(tái)與實(shí)際硬件等價(jià)的虛擬機(jī)，屏蔽了底層硬件的差別，給上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的接口。操作系統(tǒng)對(duì)硬件進(jìn)行了透明化處理，使程序員可以避開許多硬件細(xì)節(jié)，從而提高開發(fā)效率。操作系統(tǒng)控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源合理有效地工作。操作系統(tǒng)使硬件系統(tǒng)與應(yīng)用軟件產(chǎn)生了相對(duì)獨(dú)立性，可以在一定范圍內(nèi)對(duì)硬件進(jìn)行升級(jí)和添加而不會(huì)影響應(yīng)用軟件。目前流行的操作系統(tǒng)主要有VxWorks，WindowsCE，Linux等。

VxWorks操作系統(tǒng)是美國溫瑞爾（WindRiver）公司于1983年開發(fā)的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境在嵌入式系統(tǒng)有重要的地位。VxWorks支持多種嵌入式CPU，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)相當(dāng)小的微內(nèi)核的層次結(jié)構(gòu)，內(nèi)核僅提供多任務(wù)環(huán)境、進(jìn)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(yīng)用。它以其良好的可靠性和極高的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求很高的領(lǐng)域中。

Windows CE是微軟研發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)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(chǎn)品。Windows CE并非從臺(tái)式機(jī)的Windows修改縮小而來，而是使用一套完全重新設(shè)計(jì)的核心，所以它可以在功能非常有限的硬件上運(yùn)行。開發(fā)臺(tái)式機(jī)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(tǒng)，目前存在許多不同的Linux,但它們都使用Linux內(nèi)核，Linux可安裝在各種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備中。Linux這個(gè)詞本身只表示Linux內(nèi)核，“內(nèi)核”指的是一個(gè)提供硬件抽象層、文件系統(tǒng)控制、多任務(wù)等功能的系統(tǒng)軟件。一個(gè)內(nèi)核不是一套完整的操作系統(tǒng)。一套基于Linux內(nèi)核的完整操作系統(tǒng)叫作Linux操作系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是由世界各地的成千上萬的程序員設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。由于Linux的源碼開放性、內(nèi)核可裁剪性、多任務(wù)支持等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它成為一款應(yīng)用最為廣泛的嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式Linux被廣泛地使用在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA)、媒體播放器以及眾多消費(fèi)性電子設(shè)備中。

4 結(jié)束語

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，過去由按鈕、發(fā)光二極管、顯示字符的顯示器以及簡單的菜單系統(tǒng)組成的嵌入式系統(tǒng)將被具有完整的用戶圖形界面、通過屏幕就能進(jìn)行操作和顯示的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)所取代。隨著硬件特性的不斷提高，嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的界限會(huì)逐漸消失。ARM公司廣泛的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟使得基于ARM的嵌入式應(yīng)用更加寬廣。

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