ARM處理器與嵌入式系統(tǒng)

     摘要: 本文是作者關(guān)于嵌入式系統(tǒng)一些基本問題的思考和總結(jié)。主要是從嵌入式處理器與硬件、ARM處理器的優(yōu)勢、嵌入式軟件、嵌入式系統(tǒng)教學(xué)等方面進(jìn)行了一些梳理，談了一些個(gè)人的觀點(diǎn)。

　　引言

　　由于各種新型微處理器的出現(xiàn)和應(yīng)用的不斷深化，嵌入式系統(tǒng)在后PC時(shí)代得到了空前的發(fā)展。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，在工業(yè)控制和新興的手持式應(yīng)用等領(lǐng)域，用戶體驗(yàn)成為產(chǎn)品成功的關(guān)鍵因素之一，越來越多的產(chǎn)品需要良好的用戶界面、互聯(lián)功能以及較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，這對嵌入式處理器硬件、軟件、教學(xué)等提出了新的要求。

　　1  嵌入式處理器與硬件

　　在處理器方面，目前大量的中、低端嵌入式應(yīng)用，主要使用8/16位單片機(jī)。在國內(nèi)，由于歷史的原因，主要是以MCS51核為主的許多不同型號單片機(jī)，主要廠商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。還有一些近幾年發(fā)展較快的新型單片機(jī)，如PIC、AVR、MSP430系列等。這些單片機(jī)各有特點(diǎn)，但從目前的發(fā)展角度來看，單片機(jī)針對特定應(yīng)用領(lǐng)域的個(gè)性化發(fā)展愈發(fā)明顯，典型的例子就是TI公司的MSP430系列16位單片機(jī)、ST公司的STM8L系列8位單片機(jī)和STM32L系列32位超低功耗單片機(jī)。

　　在嵌入式中的高端應(yīng)用領(lǐng)域，像工業(yè)控制、POS機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、圖像處理、手機(jī)、PDA等，目前主要使用ARM、MIPS、PowerPC、DSP等16~64位處理器，以32位處理器為主。各種類型的處理器都有其一定的應(yīng)用針對性。例如，DSP對數(shù)字信號處理技術(shù)中用到的常用運(yùn)算、算法做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要用于實(shí)時(shí)信號處理領(lǐng)域，如實(shí)時(shí)音視頻處理、電機(jī)控制等。MIPS處理器性能很好，但功耗較大，適合于有交流電源供電的固定應(yīng)用，如固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)頂盒等。ARM處理器性能高，功耗低，適合于用電池供電的便攜、手持式設(shè)備。由于近幾年便攜、手持式嵌入式應(yīng)用的高速發(fā)展，ARM處理器的增長速度和市場占有率也快速提升，成為目前32位應(yīng)用中的主力產(chǎn)品。

　　由于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的廣泛性，嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)涉及的知識面很廣，從模擬到數(shù)字、低頻到高頻、小信號到大功率，以及復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)，還要考慮軟硬件資源的合理分配，不僅要有廣而扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，更需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。只有對大大小小各種應(yīng)用系統(tǒng)反復(fù)實(shí)戰(zhàn)演練，了解新技術(shù)、新器件，使用過多種多樣的處理器和模擬/數(shù)字器件，才能逐步積累，聚沙成塔，對一個(gè)新的應(yīng)用系統(tǒng)給出快速、合理的硬件方案與設(shè)計(jì)。

　　2  ARM處理器的優(yōu)勢

　　對于如今大量出現(xiàn)的32位嵌入式應(yīng)用，以筆者之見，ARM處理器的優(yōu)勢主要有以下幾個(gè)方面。

　　2.1  高性能、低功耗、低價(jià)格

　　把ARM處理器的性能拿來和一些著名的通用處理器（如Pentium）相比是不合適的，因?yàn)樗麄兏髯葬槍Φ膽?yīng)用需求是不同的。Pentium處理器采用多條指令流水線的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，追求通用應(yīng)用目標(biāo)下的超強(qiáng)性能，功耗大，可以用散熱器加風(fēng)扇散熱。ARM針對嵌入式應(yīng)用，在滿足性能要求的前提下，力求最低的功率消耗。ARM結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能兼顧到性能、功耗、代碼密度、價(jià)格等幾個(gè)方面，而且做得比較均衡。在性能/功耗比（MIPS/W）方面,ARM處理器具有業(yè)界領(lǐng)先的性能。基于ARM核的芯片價(jià)格也很低，目前ARM CortexM的芯片價(jià)格可低至10元人民幣左右。

　　2.2  豐富的可選擇芯片

　　ARM只是一個(gè)核，ARM公司自己不生產(chǎn)芯片，采用授權(quán)方式給半導(dǎo)體生產(chǎn)商。目前，全球幾乎所有的半導(dǎo)體廠家都向ARM公司購買了各種ARM核，配上多種不同的控制器（如LCD控制器、SDRAM控制器、DMA控制器等）和外設(shè)、接口，生產(chǎn)各種基于ARM核的芯片。目前，基于ARM核的各種處理器型號有好幾百種，在國內(nèi)市場上，常見的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等廠家的芯片。用戶可以根據(jù)各自的應(yīng)用需求，從性能、功能等方面考察，在許多具體型號中選擇最合適的芯片來設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用系統(tǒng)。由于ARM核采用向上兼容的指令系統(tǒng)，用戶開發(fā)的軟件可以非常方便地移植到更高的ARM平臺。

　　2.3  廣泛的第三方支持

　　以如今的技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)處理器并非難事，但要使這個(gè)處理器得到大家認(rèn)可，并取得市場成功卻是非常困難的，其中涉及許多技術(shù)與非技術(shù)的因素和環(huán)節(jié)，還包括時(shí)機(jī)、運(yùn)氣。因?yàn)楝F(xiàn)在許多產(chǎn)品的開發(fā)，不是一個(gè)簡單的處理器加幾百條指令、語句就可以解決的。要用到32位處理器，一般都要有編譯器、高效的開發(fā)工具（仿真器及調(diào)試環(huán)境）、操作系統(tǒng)、協(xié)議棧等，這些東西都不是一個(gè)芯片生產(chǎn)商可以解決的，而需要許多第三方的支持。這就像一粒種子，需要土壤、空氣、水等環(huán)境才能發(fā)芽、成長。這也是我們的一些“中國芯”該反思之處。

　　ARM通過近20年的培育、發(fā)展，得到了廣泛的第三方合作伙伴支持。目前，除通用編譯器GCC，ARM有自己的高效編譯、調(diào)試環(huán)境（MDK、Keil）,全球約有50家以上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）軟件廠商和30家以上的EDA工具制造商，還有很多高效率的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)試工具的廠商，對ARM提供了很好的支持。用戶采用ARM處理器開發(fā)產(chǎn)品，既可以獲得廣泛的支持，也便于和同行交流，加快開發(fā)進(jìn)度，縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　2.4  完整的產(chǎn)品線和發(fā)展規(guī)劃

　　ARM核根據(jù)不同應(yīng)用需求對處理器的性能要求，有一個(gè)從ARM7、ARM9到ARM10、ARM11，以及新定義的CortexM/R/A系列完整的產(chǎn)品線。前幾年應(yīng)用較多的主要是基于V4架構(gòu)的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些處理器芯片，如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel 的AT91系列和Samsung的S3C系列。近兩年，ARM Cortex系列以更好的性能、更低的價(jià)格得到快速推廣，典型的就是基于CortexM3的STM32系列。

　　ARM CortexM/R/A系列分別針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域。M系列主要面向傳統(tǒng)微控制器（MCU/單片機(jī)）應(yīng)用，這類應(yīng)用面很廣，要求處理器有豐富的外設(shè)，并且各方面比較均衡；R系列強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，主要用于實(shí)時(shí)控制，如汽車引擎；A系列面向高性能、低功耗應(yīng)用系統(tǒng)，如智能手機(jī)。選用ARM處理器進(jìn)行開發(fā)，技術(shù)積累性較強(qiáng)，生命周期長，設(shè)計(jì)重用度高，不易被淘汰。用戶在選擇ARM處理器時(shí)，可以針對應(yīng)用需求，從大量的ARM芯片中選用滿足性能、功能要求的產(chǎn)品，以獲得較好的性價(jià)比。

　　3  ARM嵌入式系統(tǒng)的軟件

　　由于嵌入式系統(tǒng)的差異性很大，對不同的應(yīng)用需求，必須選擇不同的軟件設(shè)計(jì)方法、開發(fā)平臺和系統(tǒng)工具。

　　對于一些不需要復(fù)雜圖形用戶界面、通信協(xié)議和復(fù)雜文件操作（如同時(shí)打開多個(gè)文件）的應(yīng)用，如果選用CortexM3核的處理器就已可以滿足要求，任務(wù)數(shù)不多，任務(wù)之間的關(guān)系也不復(fù)雜，則不一定需要移植復(fù)雜的操作系統(tǒng)。這樣一方面可以降低系統(tǒng)硬件開銷，也可以獲得更好的實(shí)時(shí)性和執(zhí)行速度。不過，這樣的軟件開發(fā)方法需要開發(fā)人員有較好的程序設(shè)計(jì)思想，對所用器件有深入的了解，并掌握其編程控制方法。若引入一個(gè)簡單的操作系統(tǒng)，如μC/OS，可以簡化程序結(jié)構(gòu)，但開發(fā)者最好熟悉其內(nèi)核結(jié)構(gòu)，并有使用經(jīng)驗(yàn)，否則可能會需要更多的系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試時(shí)間。

　　如果選擇了帶存儲器管理單元（MMU）的ARM處理器（如ARM920T、CortexA8等），這種應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用、實(shí)時(shí)性、開發(fā)環(huán)境等因素，移植一個(gè)功能較強(qiáng)的操作系統(tǒng)一般情況下會比較合適，如Linux、WinCE，甚至新的Android等。這種系統(tǒng)的開發(fā)難度主要是在OS的移植以及硬件驅(qū)動程序的開發(fā)上。當(dāng)這二步工作完成后，主要的軟件開發(fā)工作已和在PC機(jī)上開發(fā)沒有多大區(qū)別，可以按照一般的軟件工程方法來進(jìn)行，要注意的只是與ARM硬件平臺相關(guān)的軟件優(yōu)化問題。

　　由于嵌入式系統(tǒng)硬件資源的有限性，嵌入式軟件與其他應(yīng)用軟件的主要區(qū)別，在于嵌入式軟件要有較高的效率，包括執(zhí)行速度和存儲空間，盡管這二者經(jīng)常是相互矛盾的。目前一般要求更多的是速度優(yōu)化。要編寫出高效的ARM程序，需要開發(fā)人員熟悉ARM的體系結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)核結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、Cache與存儲器結(jié)構(gòu)等，還要有好的程序設(shè)計(jì)思想，以及對一些常用函數(shù)、算法的深刻理解。這個(gè)過程也是ARM系統(tǒng)開發(fā)從低級到高級的進(jìn)階之路。

　　目前，由于應(yīng)用系統(tǒng)越來越復(fù)雜，嵌入式軟件的移植性和重用性也得到了人們的高度重視，因?yàn)樗苯佑绊懙角度胧杰浖拈_發(fā)效率和質(zhì)量。選擇一種通用的開發(fā)環(huán)境和高級編程語言，使開發(fā)的嵌入式軟件可以方便地移植到不同的硬件平臺，是實(shí)現(xiàn)軟件重用的基礎(chǔ)。目前在ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是較好的開發(fā)平臺，C/C++語言是應(yīng)用最廣泛的編程語言，并具有廣泛的庫函數(shù)、程序支持，在今后很長一段時(shí)間內(nèi)，仍將在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中占重要地位。

　　4  嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)

　　如今，嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)熱門領(lǐng)域，其教學(xué)問題也頗受高校的關(guān)注。教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)社會需要的人，由于嵌入式系統(tǒng)的廣泛性、差異性，社會對從事嵌入系統(tǒng)開發(fā)人員的要求也有很大的不同，既需要從事簡單8/16位單片機(jī)開發(fā)的人員，也需要從事ARM、DSP開發(fā)的人員；既要有從事硬件、底層軟件開發(fā)的人員，也要有從事OS移植、應(yīng)用軟件開發(fā)的人員。由于整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)間和課程教學(xué)時(shí)數(shù)的限制，一個(gè)人顯然不可能學(xué)習(xí)、掌握嵌入系統(tǒng)開發(fā)的各個(gè)層面。所以，各個(gè)學(xué)校首先應(yīng)根據(jù)自身情況，明確定位，確定自己培養(yǎng)學(xué)生的社會適應(yīng)面，然后再制定教學(xué)大綱，確定課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)平臺。對于高職、普通高校的電類與非電類專業(yè)、軟件學(xué)院等，都應(yīng)該有不同的選擇，而不是人云亦云，一哄而上。

　　就目前的發(fā)展看，由于ARM等32位處理器應(yīng)用漸成主流，開發(fā)工具已較完善、成熟，對于普通高校計(jì)算機(jī)學(xué)科的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，筆者認(rèn)為可以定位在以32位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主，重點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)、嵌入式OS的知識，以及嵌入式軟件設(shè)計(jì)（包括優(yōu)化）。課程主體內(nèi)容基本與硬件平臺（處理器型號）無關(guān)，實(shí)驗(yàn)可以采用基于ARM核的不同廠家處理器的實(shí)驗(yàn)平臺。主要考慮以下幾點(diǎn)：

　?、僭?2位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)上，軟件開發(fā)人員的需求比硬件開發(fā)人員要多得多（盡管目前硬件開發(fā)人員較難找，但這應(yīng)該是電子等專業(yè)培養(yǎng)的）。一般在一個(gè)從事嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的公司中，軟硬件人員的比例不會小于10：1。由于學(xué)習(xí)時(shí)間有限，教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該偏軟件。

　　②現(xiàn)代社會強(qiáng)調(diào)分工、合作，以求得整體利益的最大化。對個(gè)人的要求首先是專才，能把局部工作做精、做好。通才是需要的，但數(shù)量會比專才少得多，而且通才是練出來的，不是教出來的。今后的大學(xué)是大眾教育，教學(xué)只能面向大眾需求。在相關(guān)專業(yè)的研究生階段，對一些有基礎(chǔ)、有興趣的學(xué)生，可以進(jìn)行一些系統(tǒng)級硬件、底層軟件的開發(fā)實(shí)踐，同時(shí)也可滿足社會對高層次嵌入式人才的需要。

　?、垡源藶橹?，可以再開設(shè)2門選修課。向下為“單片機(jī)原理與應(yīng)用”，此課程以實(shí)踐為主，讓有興趣的學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)、制作一些單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)也鍛煉了硬件動手能力。向上為“數(shù)字信號處理（DSP）”，讓那些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較好、對實(shí)時(shí)信號處理有興趣的學(xué)生有用武之地（現(xiàn)在這樣的學(xué)生很難得）。

　　另外，由于應(yīng)用日趨復(fù)雜，而教學(xué)時(shí)間有限，一個(gè)本科生在校期間不可能深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的很多細(xì)節(jié)，嵌入式教學(xué)應(yīng)采用自上而下的教學(xué)方法。一開始不必花很多時(shí)間講解處理器內(nèi)核架構(gòu)/指令系統(tǒng)，只要知道各種內(nèi)核的基本特點(diǎn)即可，重點(diǎn)學(xué)習(xí)、掌握處理器、外設(shè)的編程結(jié)構(gòu)（即編程者角度看到的編程模型結(jié)構(gòu)，非具體物理實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)）。真實(shí)的應(yīng)用、研究設(shè)計(jì)都是從粗粒度向細(xì)粒度進(jìn)階的，是一個(gè)自頂向下的過程，首先要重視的是系統(tǒng)架構(gòu)和各個(gè)抽象層。1000行的C程序，編譯后生成的目標(biāo)代碼只有10 KB左右，試想現(xiàn)在的MCU Flash動輒幾百KB，為什么？一個(gè)目標(biāo)代碼幾百KB的C程序，一般不是完全由個(gè)人寫出來的，而都會使用一些第三方的庫函數(shù)、中間件等。硬件也一樣，現(xiàn)在很多硬件系統(tǒng)都會使用一些模塊（Module），盡管這些模塊看上去還是一個(gè)芯片，但實(shí)際上已經(jīng)是一個(gè)SiP模塊，如WiFi模塊。所以，在了解基本嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本科階段要更多地學(xué)習(xí)各種系統(tǒng)、模塊、外設(shè)、協(xié)議、庫函數(shù)的“邊界（Interface）”，能夠搭建一個(gè)簡單系統(tǒng)（How to do），今后在工作、或研究生階段進(jìn)一步去做好一個(gè)系統(tǒng)（How to do better）。

　　5結(jié)語

　　嵌入式系統(tǒng)作為一種特殊的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，在任何時(shí)期都有相對的高、中、低端應(yīng)用，即使在今后，沒有OS支持的4位或8位單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用仍有大量需求，但趨勢是系統(tǒng)化、復(fù)雜化。這既是嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)--廣泛性、差異性和不可壟斷性，也是廣大嵌入系統(tǒng)研發(fā)人員的生存與發(fā)展空間。ARM處理器在便攜、手持式設(shè)備以及工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域，在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)是一個(gè)很好的選擇。當(dāng)然，沒有一種型號的處理器是可以覆蓋所有應(yīng)用的，也不是搬上一個(gè)嵌入式OS，就可以很好地解決軟件問題的。深入了解各種器件特性，選擇最合適的處理器、外圍器件、操作系統(tǒng)和軟件庫，盡可能地優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，最貼切地滿足應(yīng)用需求，以獲得最好的系統(tǒng)性價(jià)比，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的精髓。