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  • ARM嵌入式系统的问题分析与总结

    发布:南京嵌入式培训      来源:企业面试题      

  • 关于嵌入式系统一些基本问题的思考和总结。南京嵌入式培训 主要是从嵌入式处理器与硬件、ARM处理器的优势、嵌入式软件、嵌入式系统教学等方面进行了一些梳理,谈了一些个人的观点。

    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、PowerPC、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 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 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合作伙伴支持。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 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 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 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。

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