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ARM嵌入式技术的发展与应用
ARM嵌入式技术的发展与应用
WDB
（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院）
摘要：
在信息化时代的今天，嵌入式系统的应用无处不在。
从科研行业、军事领域，到商业发展、娱乐行业，甚至是人们的日常生活中，嵌入式系统——特别是ARM嵌入式系统的身影随处可见。
本文将从嵌入式的概念入手，讨论ARM嵌入式系统的发展历史、发展现状，及其应用，最后对ARM技术的发展前景进行预测。
关键词：
嵌入式系统；ARM；微处理器
引言
嵌入式系统是指为特定应用而设计的专用计算机系统。
它以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可以根据需要裁剪，满足对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求而专门设计的计算机系统，被广泛用于手持设备、电信交换机、汽车电子、医疗设备、多媒体电器、军事装备、航空等领域。
[1]本文以ARM微处理器为主，介绍ARM嵌入式系统的种类、特点、结构以及操作系统等。
1ARM嵌入式系统的发展
1.1嵌入式系统的概念与特点
根据IEEE9（国际电气和电子工师协会）的定义，嵌入式系统定义为控制监视或者辅助设备机器和车间运行的装置。
由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装置。
[2]而按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：
“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。
嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含以下三个部分：
硬件平台、嵌入式操作系统、嵌入式应用程序。
嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。
不同的嵌入式系统其特点会有所差异。
与“嵌入性”的相关特点：
由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。
与“专用性”的相关特点：
软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。
与“计算机系统”的相关特点：
嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。
与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。
[3]
1.2ARM嵌入式的发展历史
ARM是Advanced RISC Machines的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的RISC处理器、相关技术及软件。
可以这么说，ARM代表的不仅是一个企业，更代表了一种技术、一种微处理器，甚至一种产业的发展模式。
[4]
CISC体系由于指令集庞大，指令长度不固定，指令执行周期有长有短，使指令译码和流水线的实现在硬件上非常复杂，给芯片的设计开发和成本的降低带来了极大困难。
ARM是典型的RISC体系，根据RISC的设计思想，其指令集的设计应该尽可能地简单，和CISC体系相比，它可以通过一系列简单的指令来实现复杂指令的功能。
[5]
首个ARM芯片是在1985年由Acorn计算机公司设计的，采用的是典型32位RISC体系结构。
经过这么多年的发展，ARM已经形成了如下系列（表一）的大家族。
表一
Core
Architecture
ARM1
v1
ARM2
v2
ARM2aS，ARM3
v2a
ARM6，ARM600，ARM610
V3
ARM7，ARM700，ARM710
V3
ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T，ARM740T
V4T
StrongARM，ARM8，ARM810
V4
ARM9TDMI，ARM920T，ARM940T
V4T
ARM9E—S
V5TE
ARM10TDMI，ARM1020E
V5TE
目前,有关ARM微处理器应用较多的有决ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10及StrongARM等系列。
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Jazelle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。
[6]
1.3ARM的指令体系及工作模式
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。
[7]
首个被设计的ARM处理器芯片采用的加载/存储体系结构是典型的RISC结构。
ARM体系结构继承了RISC结构中的加载/存储体系结构、固定长32位指令和三地址指令格式。
大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器完成。
ARM体系结构v4T及以上版本定义了称为Thumb的16位指令集，能很好的兼容8位/16位器件。
Thumb体系的扩充使得在8位/16位系统价格下可得到32位系统性能，能获得比通常的8位/16位CISC/RISC控制器有更好的代码密度，是传统的32位体系结构代码大小的一部分。
例如ARM9系列，代码密度提高了35%。
这意味着程序存储器可以更小，因而降低了成本。
[8]
ARM体系支持如下7种处理器模式（ProcessorMode）：
（1）用户模式（User：
usr）：
CPSR中的M[4:
0]=0b10000，这是用户程序运行的正常模式，在这种模式下，程序不能访问一些受保护的资源，以利于操作系统控制系统资源的使用。
其它的6种模式则称为特权模式（PrivilegedMode）。
（2）系统模式（System：
sys）：
CPSR中的M[4:
0]=0b11111，这种模式只有ARMv4及其之上的版本才能支持，主要用于对操作系统的支持和对系统资源的管理。
（3）快速中断模式（FIQ：
fiq）：
CPSR中的M[4:
0]=0b10001，快速响应用户中断，支持高速数据传输，以满足少数需要极高实时性的请求。
（4）中断模式（IRQ：
irq）：
CPSR中的M[4:
0]=0b10010，用于一般的中断处理。
可以对应一般的多个中断源。
（5）监督模式（Supervisor：
svc）：
CPSR中的M[4:
0]=0b10011，用于操作系统的保护模式。
（6）中止模式（Abort：
abt）：
CPSR中的M[4:
0]=0b10111，用于对虚拟内存的实施和保护。
（7）未定义模式（Undefined：
und）：
CPSR中的M[4:
0]=0b11011，支持用软件仿真硬件的协处理器。
第（3）~（7）的五种模式则称为异常模式，这些模式的进入需要特定的异常发生。
2ARM嵌入式技术的应用
2.1嵌入式操作系统的应用现状
VxWorks是美国WindRiver公司的产品，是目前嵌入式系统领域中应用很广泛、市场占有率比较高的嵌入式操作系统。
VxWorks实时操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统；提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIX（可移植操作系统接口）规范的内存管理，以及多处理器控制程序；并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至可以微缩到8KB。
μC/OS-II是在μC/OS的基础上发展起来的，是美国嵌入式系统专家JeanJ.Labrosse用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。
μC/OS-II能管理64个任务，并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。
μClinux是一种优秀的嵌入式Linux版本，其全称为micro-controlLinux即微控制Linux。
同标准的Linux相比，μClinux的内核非常小，但是它仍然继承了Linux操作系统的主要特性，包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的API以及TCP/IP网络协议等。
因为没有MMU内存管理单元，所以其多任务的实现需要一定技巧。
eCos（embeddedConfigurableoperatingsystem），即嵌入式可配置操作系统。
它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。
最大特点是配置灵活，采用模块化设计，核心部分由不同的组件构成，包括内核、C语言库和底层运行包等。
每个组件可提供大量的配置选项（实时内核也可作为可选配置），使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通过不同的配置使得eCos能够满足不同的嵌入式应用要求。
[9]
2.2基于ARM嵌入式的开发应用
近年来，我国嵌入式系统应用产品的市场需求日益增长，嵌入式系统的产值呈现着不断增长趋势，在医疗仪器设备、家电、电子、汽车、通信、网络、交通、金融、监控、工业自动化等领域尤其明显。
随着嵌入式系统开发技术的飞速发展，使得构建以嵌入式技术为核心的图像采集系统开发能够成为现实。
嵌入式图像采集处理系统的实现将克服传统的图像采集处理系统结构复杂，成本高，体积大，功耗大等缺点。
嵌入式图像采集处理系统将实现实时图像采集、图像处理一体化，其结构紧凑，甚至根本就不需要PC机的介入，可提高处理速度，并能有效降低成本，使得该系统具安装携带方便、配置灵活等突出优点，并且保密性大大得到了提高，具有广阔的市场应用前景。
[10]
在无线通信领域，基于ARM架构的通信终端的研究具有重要意义。
如基于三星公司的S3C2440ARM处理器和Linux嵌入式操作系统，对Marvell88w8686WiFi无线网络控制器的应用进行研究，可以实现一个在WiFi热点区域接入互联网、功耗小的无线通信终端。
在软件方面，使用基于ADS集成开发平台的Bootloader，采用嵌入式Linux系统作为操作系统，使用Qtopia桌面环境，并采用基于Qt的Konqueror作为嵌入式浏览器。
该无线通信终端可以在WiFi信号覆盖区域接入因特网，能通过鼠标、键盘和触摸屏进行操作。
在电源管理功能上，系统能在正常状态、低功耗状态和休眠状态之间进行正常切换，能正确进行休眠和唤醒。
[11]
基于嵌入式Linux操作系统ARMLinux，研究在微处理器PXA255上实现内存管理、进程调度、中断处理和系统调用的机制，讨论了USB的总线结构和通信模型。
在研究Intel公司XsealepXA255芯片的基础上，在xhyper255B评估板上进行了ARMLinux系统的移植研究工作，包括Linux内核移植，文件系统修改以及引导程序Bootloader的编程开发。
在hxyper255B评估板上外扩了USB驱动芯片CY7C67300，实现Linux操作系统下USB驱动程序的编程设计。
[12]
温度是一种最基本的环境参数而且与我们的生活密切相关。
基于ARM和温度传感器DS18B20的基础能够设计出温度监测系统的硬件电路和系统监控软件。
硬件电路部分采用单总线DS18B20温度传感器作为温度采集单元，ARM处理器作为数据处理单元。
软件部分主要移植Linux内核、编写基于DS18B20通信协议的字符驱动程序、温度数据记录程序、PWM控制驱动程序、使用QTdesigner工具开发了本地温度监测的人机交互界面、移植嵌入式Boa服务器、开发暖箱温度远程监控的CGI程序和HTML监控页面。
经过系统的联编与调试，温度监控系统可以满足暖箱的温度监测的需求，而且本系统具有硬件电路简单、精度高、抗干扰能力强、网络化、智能化的优点，比同类型的产品更具竞争优势。
[13]
随着数字化、网络化、智能化的不断发展，以及在它们相互的促进作用下，以物联网为基础的智能化产品已经成为了将来的一种新的生活所需、一种象征、一种趋势。
这种现象在某种程度上也反映了当前社会数字化、网络化、智能化的一种发展方向。
智能家居是在现有的住宅基础上，利用计算机技术、嵌入式技术、无线通信技术、互联网技术使家庭中各种终端设备连接成为一个物物相连的整体，可以实现在生活中的智能化控制，以及网络的远程监控和管理。
它不仅拥有传统意义上居住环境的特点，而且可以使家庭中的终端设备赋予更多的人性化和智能化，可以提供一个完善的信息交互平台，帮助我们获取更多的外面信息，为我们的生活提供更多的方便，使我们可以更好的管理我们的家庭。
[14]例如，将家庭中各种终端设备利用ARM技术、Web技术、ZigBee无线网络技术，以及通过统一的无线协议和不同的控制协议，在现有的智能家居系统解决方案的基础上，提出了S3C2440A处理器和ZigBee无线技术相结合的设计方案。
并且融合了互联网Internet通信技术，实现了真正意义上的物联网。
远程对智能家居系统进行实时的监控和管理，提高了家居生活环境的舒适性、方便性、安全性。
嵌入式人脸识别系统建立在嵌入式操作系统和嵌入式硬件系统平台之上，具有起点高、概念新、实用性强等特点。
它涉及嵌入式硬件设计、嵌入式操作系统应用开发、人脸识别算法等领域的研究；嵌入式人脸识别系统携带方便、安装快捷、机动性强，可广泛应用于各类门禁系统、户外机动布控的实时监测等特殊场合。
基于嵌入式ARM微处理器的实时人脸检测、关键特征定位、高效的人脸特征描述、鲁棒的人脸识别分类器及自动人脸识别系统设计等问题的研究，对嵌入式人脸识别的应用前景具有重要意义。
[15]
无线射频识别（RFID）技术被誉为21世纪最重要的十大技术之一，经过多年研究现在已发展到物流、交通、身份识别等应用领域。
如今，传统的标签识别技术已不能满足当前无线传输领域的要求，新的RFID自动识别技术已逐渐占据了市场的主导地位。
RFID读写器作为RFID系统的重要组成部分，成为射频识别领域的研究人员研究的主要对象，有着极大的市场前景和广阔的技术开发空间。
[16]基于ARM嵌入式平台的RFID读写器的研究，首先对RFID系统的基本理论进行研究，包括嵌入式技术、RFID技术和操作系统的移植等。
然后基于这些理论，分模块完成系统的硬件结构设计和应用软件的开发。
其中RFID嵌入式模块是以高性能的Stm32f103RBT6作为微处理器，以ARMCortex-M3作为内核，并在芯片中移植µC/OS-II操作系统，通过多任务运行机制完成与收发模块间的通讯。
随着人们的生活水平的不断提高，用户对电子音乐播放器的性能要求也越来越高。
目前各大商家最为关心的并不是如何实现MP3，而是如何能在低成本低功耗高性能的平台上实现MP3，这就意味着对原始MP3标准在实现过程中的优化是当前的一个热点问题。
ARM处理器以其高性价比，丰富的外设资源，越来越受到各种嵌入式研发人员的青睐。
[17]
3ARM嵌入式技术的发展趋势
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。
据报告，每年全球10%~20%的计算机芯片是为台式或便携式电脑设计的，而80%~90%的计算机芯片是为嵌入式设备设计的，这意味着每年有l0亿至20亿个CPU是为嵌入式设备设计制造的，这一数字还在逐步增加。
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。
[18]
由于当前市场竞争非常激烈，因此，想要快速适应激烈的市场竞争，必须加快嵌入式系统的发展。
首先，我们应该大力开发嵌入式应用软件，并且要有相应的操作系统的支持。
另外，还要应用先进的编程技术来控制系统复杂的变化，重点在于优化软件的设计，提高软件质量，从而大大缩短软件的开发周期。
其次，网络互联成为嵌入式系统发展的一个主要趋势，为尽可能满足用户的需求，在新时期的嵌入式系统应该有标准的网络通信接口，并且要有TCP/IP协议的支持。
再次，嵌入式系统能够支持电子设备，并且尺寸越来越小，功耗大大降低，成本也较低。
[19]
嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。
随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP和ASP在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。
为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器，如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。
为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。
针对外部联网要求，嵌入式设备必需配有通信接口，相应需要TCP/IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。
为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器,如HTML、WML等。
在小尺寸、微功耗和低成本方面，为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。
这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。
如：
选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能。
因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。
嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面。
人们与信息终端交互喜欢通过以GUI屏幕为中心的多媒体界面。
手机的手写中文输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩信收发已取得初步成效。
[20]
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。
顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。
物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继通用计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
新的发展给嵌入式系统带来新的理念，2011年4月，Intel、微软、通用汽车、高通、飞思卡尔、ARM、TI和三星等公司在旧金山联合成立了“Smart技术世界”。
Smartsystem（智能系统或智慧系统）的特点是：
1、处理器不是我们以前用的最简单的8位处理器了，而是32位处理器或SOC等。
2、内含高层次的嵌入式操作系统。
3、有联网功能，彻底解决原先嵌入式系统的孤岛现象。
新的发展对嵌入式系统带来新的技术革命。
第一，嵌入式设计要从面相对象到面相角色转变，物联网的计算是跟时间有关的。
第二，需要软硬件协同设计技术。
第三，需要嵌入式软件建模、自动分析和验证技术。
[21]
结束语
总体来说，嵌入式系统如今已广泛应该到科研行业、军事领域、商业发展、娱乐行业，甚至是人们的日常生活中也随处可见。
可以说，嵌入式系统是计算机软件与硬件的统一体，另外，还包含各种机械零件等装置。
然而，和普通系统比较来说，具有功能强大、功耗与成本消耗低等特点。
可以说，嵌入式系统包含计算机、电子技术等多个领域的知识。
与此同时，嵌入式产品出现在各个行业中，并且和人们的日常生活密切相关，因嵌入式系统的广泛应用，势必会使人们更加专注与嵌入式系统的研究与开发工作中，由此看来，嵌入式系统的发展有广阔的发展前景。
在今后嵌入式系统的发展过程中，必须由经验非常丰富的设计人员来设计，并使系统的发展朝着网络互联的方向发展，从而在激烈的市场竞争中站稳脚步，更好的服务与人们的生产与生活。
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