ARM嵌入式系统综述

施乐平，杨征宇，马宪民，汤元会

（1.陕西省计量科学研究院，陕西 西安710065；2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西 西安 710054）

0 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。嵌入式系统于20世纪60年代在军事上初步应用，并得到较大发展。随着单片机和微处理器的性能提高以及价格下降，到80年代中期，许多外部系统的组件被集成到了处理器芯片中，使这种结构的微处理器得到了更广泛的应用。到80年代末期，微处理器已经出现在几乎所有的电子设备中，并出现和流行新型高性能RISC（精简指令集计算机）。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。

1 ARM处理器的发展和特点

ARM是32位精简指令集（RISC）处理器，目标是低成本、高性能、低耗电，适用于移动通信等领域，被广泛用于许多嵌入式系统中。ARM是对一类微处理器的称统，也是一个公司的名字。ARM于1983年开始由Acorn电脑公司（Acorn Computers Ltd）设计，在1985年时开发出ARM1。在80年代晚期，Acorn开始与苹果电脑合作开发新版的ARM核心，并在1990成立 ARM（Advanced RISC Machines Ltd.）公司。在1991年公司发布了ARM6，从ARM7开始ARM核被普遍认可和广泛使用。以后陆续推出ARM9TDMI、ARM9E、ARM10E、XScale、ARM11、ARMv6T2、ARM v6KZ、ARMv6K、Cortex。

ARM的经营模式在于出售其半导体知识产权核心（IP core），靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片。目前，全世界几十家大的半导体公司都使用ARM 公司的授权，使得ARM 技术获得更多第三方工具和软件的支持，有更好的软件开发和调试环境，从而加快了用户产品开发。目前，ARM家族占了所有32位嵌入式处理器约90%的比例。ARM处理器应用在消费电子产品、便携式设备、电脑外设、军用设施中。其中手机处理器占有95%的市场份额，上网本处理器占有30%的市场份额，平板电脑处理器占有70%的市场份额。进入21世纪之后，由于手机制造行业的快速发展，产量有了很大的增长，到2010年，ARM合作伙伴的出货量达到了60亿片。

基于ARM嵌入式系统的应用领域是传统计算机无法涉足到的。通用计算机运行的软件是由用户选择的，而嵌入式系统的软件通常是下载到存储器中暂时不变的。基于ARM的嵌入式系统有些有实时性、安全性的要求，除特殊要求外其他性能、功能要求较低，使系统的硬件得以简化，降低成本。但是嵌入式系统强大的软件功能可以使电路得到很大地简化，大部分设计工作是软件。而软件不管是创建原型还是测试、修改，相对于硬件来说都要容易很多，并且设计和建造新的功能不会修改硬件电路，增加了设计的灵活性。

2 ARM微处理器主要系列

2.1 ARM7系列微处理器

主要应用领域为工业控制、internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。ARM7系列微控制器包括的核有ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ，其中 ARM7TDMI是目前应用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。

2.2 ARM9系列微处理器

主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM9系列微处理器包括ARM920T、ARM922T、ARM940T 3种类型。

2.3 ARM9E系列微处理器

这是一种综合处理器，提供增强的DSP处理能力，适合同时使用DSP和微控制器的应用场合，应用于无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。ARM9E系列包含ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S 3 种类型。

2.4 ARM10E系列微处理器

其具有高性能低功耗的特点。由于采用新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%，同时ARM10E系列采用了先进的节能方式，功耗极低。ARM10E系列主要应用于现代无线电设备、数字消费品、成像设备、工业控制通信和信息系统等领域。ARM10E系列包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S 3种类型。

2.5 ARM11系列微处理器

ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它在性能上有了巨大地提升，推出350～500MHz时钟频率的内核。ARM11处理器在提高性能的同时也允许在性能和功耗间做权衡以满足某些特殊应用，通过动态调整时钟频率和供电电压，完全可以控制这两者的平衡。ARM11系列主要有 ARM1136J、ARM1156T2、ARM1176JZ 3个型号。

2.6 Cortex系列微处理器

自从ARM11以后ARM公司对处理器的命名方式发生了变化，以Cortex来命名，针对不同的应用领域开发与之相适应的处理器。

Cortex-A是高端应用处理器，可实现高达2GHz标准频率，从而支持下一代移动Internet设备。这些处理器具有单核和多核两类。主要应用在智能手机、智能本、上网本、电子书阅读器和数字电视等方面。

Cortex-R是实时处理器，应用在具有严格的实时响应嵌入式系统。主要应用在家庭消费性电子产品、医疗行业、工业和汽车行业。

Cortex-M系列处理器，主要针对微控制器领域开发的，是低成本和低功耗的处理器，主要应用在智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、大型家用电器、消费性产品和医疗器械等方面。

3 ARM嵌入式体系结构及操作系统

嵌入式系统是广义上的计算机系统。ARM嵌入式系统结构一般由ARM处理器、板载硬件、嵌入式操作系统和应用程序构成。

ARM嵌入式系统硬件包括ARM处理器、Flash、SDRAM等基本部分，另一部分为各个不同部分硬件的功能模块。常用的ARM嵌入式外围设备有存储设备、通信设备和显示设备等。嵌入式系统不同于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，大多使用闪存作为存储介质。不同的应用领域采用不同的ARM处理器类型，相应的硬件构成及操作系统和软件配置也不同。

ARM嵌入式软件在很大程度上决定了设备系统的增值能力。嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、应用程序等。其中，嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口等。

操作系统在嵌入式系统中并不总是必须的，但对于复杂的嵌入式系统又是必不可少的。操作系统为用户提供了一台与实际硬件等价的虚拟机，屏蔽了底层硬件的差别，给上层应用提供统一的接口。操作系统对硬件进行了透明化处理，使程序员可以避开许多硬件细节，从而提高开发效率。操作系统控制和管理系统内各种硬件和软件资源合理有效地工作。操作系统使硬件系统与应用软件产生了相对独立性，可以在一定范围内对硬件进行升级和添加而不会影响应用软件。目前流行的操作系统主要有VxWorks，WindowsCE，Linux等。

VxWorks操作系统是美国温瑞尔（WindRiver）公司于1983年开发的一种实时操作系统（RTOS）。高性能的内核以及友好的用户开发环境在嵌入式系统有重要的地位。VxWorks支持多种嵌入式CPU，其系统结构是一个相当小的微内核的层次结构，内核仅提供多任务环境、进程间通信和同步功能。这些功能模块提供的高性能可以支持VxWorks在较高层次中应用。它以其良好的可靠性和极高的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求很高的领域中。

Windows CE是微软研发的嵌入式操作系统，应用在各种嵌入式系统中。2008年微软宣布将Windows Embedded CE系列更名为Windows Embedded Compact与 Windows Embedded Enterprise、Windows Embedded Standard 和 Windows Embedded POSReady组成Windows Embedded系列产品。Windows CE并非从台式机的Windows修改缩小而来，而是使用一套完全重新设计的核心，所以它可以在功能非常有限的硬件上运行。开发台式机软件的人可以很容易编写甚至直接移植软件到Windows CE上。

Linux是一种自由和开放源码的类操作系统，目前存在许多不同的Linux,但它们都使用Linux内核，Linux可安装在各种计算机硬件设备中。Linux这个词本身只表示Linux内核，“内核”指的是一个提供硬件抽象层、文件系统控制、多任务等功能的系统软件。一个内核不是一套完整的操作系统。一套基于Linux内核的完整操作系统叫作Linux操作系统，这个系统是由世界各地的成千上万的程序员设计实现的。由于Linux的源码开放性、内核可裁剪性、多任务支持等诸多优点，使得它成为一款应用最为广泛的嵌入式操作系统。嵌入式Linux被广泛地使用在移动电话、个人数码助理(PDA)、媒体播放器以及众多消费性电子设备中。

4 结束语

随着嵌入式技术的发展，过去由按钮、发光二极管、显示字符的显示器以及简单的菜单系统组成的嵌入式系统将被具有完整的用户图形界面、通过屏幕就能进行操作和显示的复杂嵌入式系统所取代。随着硬件特性的不断提高，嵌入式系统与通用计算机系统之间的界限会逐渐消失。ARM公司广泛的产业联盟使得基于ARM的嵌入式应用更加宽广。

[1]马忠梅，李善平，康慨.ARM&Linux嵌入式系统教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.