ARM處理器與嵌入式系統(tǒng)

沈建華

(華東師范大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)系,上海200241)

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時代得到了空前的發(fā)展。隨著時間的推移和技術(shù)的進步,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。在國內(nèi),由于歷史的原因,主要是以MCS-51核為主的許多不同型號單片機,主要廠商有Atmel、Philips、W inbond、宏晶等。還有一些近幾年發(fā)展較快的新型單片機,如PIC、AVR、MSP430系列等。這些單片機各有特點,但從目前的發(fā)展角度來看,單片機針對特定應(yīng)用領(lǐng)域的個性化發(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、ST公司的STM8L系列8位單片機和STM 32L系列32位超低功耗單片機。

在嵌入式中的高端應(yīng)用領(lǐng)域,像工業(yè)控制、POS機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、圖像處理、手機、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)中用到的常用運算、算法做了優(yōu)化設(shè)計,主要用于實時信號處理領(lǐng)域,如實時音視頻處理、電機控制等。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)雜的時序邏輯設(shè)計和PCB設(shè)計,還要考慮軟硬件資源的合理分配,不僅要有廣而扎實的理論基礎(chǔ),更需要豐富的實踐經(jīng)驗。只有對大大小小各種應(yīng)用系統(tǒng)反復(fù)實戰(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,對一個新的應(yīng)用系統(tǒng)給出快速、合理的硬件方案與設(shè)計。

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)勢主要有以下幾個方面。

2.1 高性能、低功耗、低價格

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,因為他們各自針對的應(yīng)用需求是不同的。Pen tium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)點是能兼顧到性能、功耗、代碼密度、價格等幾個方面,而且做得比較均衡。在性能/功耗比(M IPS/W)方面,ARM處理器具有業(yè)界領(lǐng)先的性能?；贏RM核的芯片價格也很低,目前ARM Cortex-M的芯片價格可低至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、OK I、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)計一個處理器并非難事,但要使這個處理器得到大家認可,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),還包括時機、運氣。因為現(xiàn)在許多產(chǎn)品的開發(fā),不是一個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家以上的實時操作系統(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時跟蹤調(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)進度,縮短產(chǎn)品的上市時間。

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,有一個從ARM 7、ARM 9到ARM 10、ARM 11,以及新定義的Cortex-M/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ARM 7TDM I、ARM 720T、ARM 920T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、更低的價格得到快速推廣,典型的就是基于Cortex-M 3的STM 32系列。

ARM Cortex-M/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)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系列強調(diào)實時性,主要用于實時控制,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。選用ARM處理器進行開發(fā),技術(shù)積累性較強,生命周期長,設(shè)計重用度高,不易被淘汰。用戶在選擇ARM處理器時,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(如同時打開多個文件)的應(yīng)用,如果選用Cortex-M 3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時性和執(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,否則可能會需要更多的系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試時間。

如果選擇了帶存儲器管理單元(MMU)的ARM處理器(如ARM920T、Cortex-A8等),這種應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用、實時性、開發(fā)環(huán)境等因素,移植一個功能較強的操作系統(tǒng)一般情況下會比較合適,如Linux、WinCE,甚至新的And roid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)計思想,以及對一些常用函數(shù)、算法的深刻理解。這個過程也是ARM系統(tǒng)開發(fā)從低級到高級的進階之路。關(guān)于ARM軟件的設(shè)計與優(yōu)化,有一本很好的參考書“ARM System Developer's Guide:Designing and Optimizing System Software”,筆者翻譯的中譯本是《ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)——軟件設(shè)計與優(yōu)化》。

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,因為它直接影響到嵌入式軟件的開發(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。由于整個大學(xué)學(xué)習(xí)時間和課程教學(xué)時數(shù)的限制,一個人顯然不可能學(xué)習(xí)、掌握嵌入系統(tǒng)開發(fā)的各個層面。所以,各個學(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)容和實驗平臺。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,對于普通高校計算機學(xué)科的嵌入式系統(tǒng)教學(xué),筆者認為可以定位在以32位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主,重點是嵌入式系統(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(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),實驗可以采用基于ARM核的不同廠家處理器的實驗平臺。主要考慮以下幾點:

①在32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)時間有限,教學(xué)重點應(yīng)該偏軟件。

②現(xiàn)代社會強調(diào)分工、合作,以求得整體利益的最大化。對個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,可以進行一些系統(tǒng)級硬件、底層軟件的開發(fā)實踐,同時也可滿足社會對高層次嵌入式人才的需要。

③以此為主,可以再開設(shè)2門選修課。向下為“單片機原理與應(yīng)用”,此課程以實踐為主,讓有興趣的學(xué)生可以自己設(shè)計、制作一些單片機應(yīng)用系統(tǒng),同時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、對實時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)時間有限,一個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)核的基本特點即可,重點學(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),非具體物理實現(xiàn)結(jié)構(gòu))。真實的應(yīng)用、研究設(shè)計都是從粗粒度向細粒度進階的,是一個自頂向下的過程,首先要重視的是系統(tǒng)架構(gòu)和各個抽象層。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?一個目標(biāo)代碼幾百KB的C程序,一般不是完全由個人寫出來的,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(Modu le),盡管這些模塊看上去還是一個芯片,但實際上已經(jīng)是一個SiP模塊,如Wi-Fi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)”,能夠搭建一個簡單系統(tǒng)(How to do),今后在工作、或研究生階段進一步去做好一個系統(tǒng)(How to do better)。

結(jié) 語

嵌入式系統(tǒng)作為一種特殊的計算機應(yīng)用系統(tǒng),在任何時期都有相對的高、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——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)長的時間內(nèi)是一個很好的選擇。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,最貼切地滿足應(yīng)用需求,以獲得最好的系統(tǒng)性價比,是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的精髓。