1、ARM嵌入式技術的發展與應用WDB（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院）摘要：在信息化時代的今天，嵌入式系統的應用無處不在。從科研行業、軍事領域，到商業發展、娛樂行業，甚至是人們的日常生活中，嵌入式系統一一特別是ARM嵌入式系統的身影隨處可見。本文將從嵌入式的概念入手，討論ARM嵌入式系統的發展歷史、發展現狀，及其應用，最后對AR皿術的發展前景進行預測。關鍵詞：嵌入式系統；ARM微處理器嵌入式系統是指為特定應用而設計的專用計算機系統。它以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可以根據需要裁剪，滿足對功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求而專門設計的計算機系統，被廣泛用于手持設備、電信交換機

2、、汽車電子、醫療設備、多媒體電器、軍事裝備、航空等領域。本文以ARM微處理器為主，介紹ARM嵌入式系統的種類、特點、結構以及操作系統等。1ARM嵌入式系統的發展1.1 嵌入式系統的概念與特點根據IEEE9（國際電氣和電子工師協會）的定義，嵌入式系統定義為控制監視或者輔助設備機器和車間運行的裝置。由此可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，可以涵蓋機械等附屬裝置。2而按照歷史性、本質性、普遍性要求,嵌入式系統應定義為：“嵌入到對象體系中的專用計算機系統”。嵌入式系統作為一類特殊的計算機系統，自底向上包含以下三個部分：硬件平臺、嵌入式操作系統、嵌入式應用程序。嵌入式系統的特點與定義不同，它是由定義

3、中的三個基本要素衍生出來的。不同的嵌入式系統其特點會有所差異。與“嵌入性”的相關特點：由于是嵌入到對象系統中，必須滿足對象系統的環境要求，如物理環境（小型）、電氣/氣氛環境（可靠）、成本（價廉）等要求。與“專用性”的相關特點：軟、硬件的裁剪性；滿足對象要求的最小軟、硬件配置等。與“計算機系統”的相關特點：嵌入式系統必須是能滿足對象系統控制要求的計算機系統。與上兩個特點相呼應，這樣的計算機必須配置有與對象系統相適應的接口電路。31.2 ARM嵌入式的發展歷史ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫，是微處理器行業的一家知名企業，該企業設計了大量廉價、高性能、低功耗的RISC處理器、

4、相關技術及軟件。可以這么說，ARM代表的不僅是一個企業，更代表了一種技術、一種微處理器,甚至一種產業的發展模式。4CISC體系由于指令集龐大，指令長度不固定，指令執行周期有長有短，使指令譯碼和流水線的實現在硬件上非常復雜，給芯片的設計開發和成本的降低帶來了極大困難。ARM是典型的RISC體系，根據RISC的設計思想，其指令集的設計應該盡可能地簡單，和CISC體系相比，它可以通過一系列簡單的指令來實現復雜指令的功能。5首個ARM芯片是在1985年由Acorn計算機公司設計的，采用的是典型32位RISC體系結構。經過這么多年的發展，ARM已經形成了如下系列（表一）的大家族。表CoreArchite

5、ctureARM1v1ARM2v2ARM2aS,ARM3v2aARM6,ARM600,ARM610V3ARM7,ARM700,ARM710V3ARM7TDMI,ARM710T,ARM720T,ARM740TV4TStrongARM,ARM8,ARM810V4ARM9TDMI,ARM920T,ARM940TV4TARM9ESV5TEARM10TDMI,ARM1020EV5TE目前，有關ARM微處理器應用較多的有決ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10及StrongARM等系列。ARM7系列：包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、帶有高速緩存處理器宏單元的ARM720T和擴充了Jazel

6、le的ARM7EJ-S。該系列廣泛應用于多媒體和嵌入式設備，包括Interne股備、網絡和調制解調器設備以及移動電話、PDA等無線設備。ARM9系列：包括ARM9TDMI、ARM920T和帶有高速緩存處理器宏單元的ARM940To該系列主要應用于引擎管理、儀器儀表、安全系統、機頂盒、高端打印機、PDA、網絡電腦以及帶有MP3音頻和MPEG4視頻多媒體格式的智能電話中。ARM9E系列：為綜合處理器，包括ARM926EJ-S、帶有高速緩存處理宏單元的ARM966E-S/ARM946E-S。該系列強化了數字信號處理功能，可應用于需要DSP與微控制器結合使用的情況,將Thumb技術和DSP都擴展到AR

7、M指令集中，并具有EmbeddedICE-RT邏輯，更好地適應了實時系統的開發需要。ARM10系列：包括ARM1020E和ARM1020E微處理器核。其核心在于使用向量浮點（VFP）單元VFP10提供高性能的浮點解決方案，從而極大地提高了處理器的整型和浮點運算性能，為用戶界面的2D和3D圖形引擎應用夯實基礎，如視頻游戲機和高性能打印機等。SecurCore系列：包括SC100、SC110、SC200?口SC21眺理器核。該系列主要針對新興的安全市場，以一種全新的安全處理器設計為智能卡和其他安全IC開發提供獨特的32位系統設計，并具有特定的反偽造方法，從而有助于防止對硬件和軟件的盜版。Stron

8、gARM系列：StrongARM處理器將Intel處理器技術和ARM體系結構融為一體，致力于為手提式通信和消費電子類設備提供理想的解決方案。Xscale系列：提供全性能、高性價比和低功耗的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP指令。61.3 ARM的指令體系及工作模式ARM微處理器在較新的體系結構中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM代碼相比較，可節省30%40%以上的存儲空間，同時具備32位代碼的所有優點。7首個被設計的ARM處理器芯片采用的加載/存儲體系結構

9、是典型的RISC結構。ARM體系結構繼承了RISC結構中的加載/存儲體系結構、固定長32位指令和三地址指令格式。大量使用寄存器，指令執行速度更快，大多數數據操作都在寄存器完成。ARM體系結構v4T及以上版本定義了稱為Thumb的16位指令集，能很好的兼容8位/16位器彳Thumb體系的擴充使得在8位/16位系統價格下可得到32位系統性能，能獲得比通常的8位/16位CISC/RISC控制器有更好的代碼密度，是傳統的32位體系結構代碼大小的一部分。例如ARM9系列，代碼密度提高了35%。這意味著程序存儲器可以更小，因而降低了成本。網ARM體系支持如下7種處理器模式(ProcessorModR:(1

10、)用戶模式(User：usr):CPSR中的M4:0=0b10000,這是用戶程序運行的正常模式，在這種模式下，程序不能訪問一些受保護的資源，以利于操作系統控制系統資源的使用。其它的6種模式則稱為特權模式(PrivilegedMode)。(2)系統模式(System：sys):CPSR中的M4:0=0b11111,這種模式只有ARMv4及其之上的版本才能支持，主要用于對操作系統的支持和對系統資源的管理。(3)快速中斷模式(FIQ:fiq):CPSR中的M4:0=0b10001,快速響應用戶中斷，支持高速數據傳輸，以滿足少數需要極高實時性的請求。(4)中斷模式(IRQ:irq):CPSR中的M4

11、:0=0b10010,用于一般的中斷處理。可以對應一般的多個中斷源。(5)監督模式(Supervisor：svc):CPSR中的M4:0=0b10011,用于操作系統的保護模式。(6)中止模式(Abort:abt):CPSR中的M4:0=0b10111,用于對虛擬內存的實施和保護。(7)未定義模式(Undefined:und):CPSR中的M4:0=0b11011,支持用軟件仿真硬件的協處理器。第(3)(7)的五種模式則稱為異常模式，這些模式的進入需要特定的異常發生2ARM嵌入式技術的應用2.1 嵌入式操作系統的應用現狀VxWorks是美國WindRiver公司的產品，是目前嵌入式系統領域中應

12、用很廣泛、市場占有率比較高的嵌入式操作系統。VxWorks實時操作系統由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據需要選擇適當的模塊來裁剪和配置系統；提供基于優先級的任務調度、任務間同步與通信、中斷處理、定時器和內存管理等功能，內建符合POSIX（可移植操作系統接口）規范的內存管理，以及多處理器控制程序；并且具有簡明易懂的用戶接口，在核心方面甚至可以微縮到8KB。NC/OSI是在NC/O的基礎上發展起來的，是美國嵌入式系統專家JeanJ.LabrossefflC語言編寫的一個結構小巧、搶占式的多任務實時內核。仙C/OSI能管理64個任務，并提供任務調度與管理、內存管理、任務間同步與

13、通信、時間管理和中斷服務等功能，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點。nClinux是一種優秀的嵌入式Linux版本，其全稱為micro-controlLinux即微控制Linux。同標準的Linux相比，PClinux勺內核非常小，但是它仍然繼承了Linux操作系統的主要特性，包括良好的穩定性和移植性、強大的網絡功能、出色的文件系統支持、標準豐富的API以及TCP/IP網絡協議等。因為沒有MMU內存管理單元，所以其多任務的實現需要一定技巧。eCos（embeddedConfigurableoperatingsystem）即嵌入式可酉己置操作系統。它是一個源代碼開放的可配

14、置、可移植、面向深度嵌入式應用的實時操作系統。最大特點是配置靈活，采用模塊化設計，核心部分由不同的組件構成，包括內核、C語言庫和底層運行包等。每個組件可提供大量的配置選項（實時內核也可作為可選配置），使用eCo鼠供的配置工具可以很方便地配置，并通過不同的配置使得eCo甫長夠滿足不同的嵌入式應用要求。92.2 基于ARM嵌入式的開發應用近年來，我國嵌入式系統應用產品的市場需求日益增長，嵌入式系統的產值呈現著不斷增長趨勢，在醫療儀器設備、家電、電子、汽車、通信、網絡、交通、金融、監控、工業自動化等領域尤其明顯。隨著嵌入式系統開發技術的飛速發展，使得構建以嵌入式技術為核心的圖像采集系統開發能夠成為現

15、實。嵌入式圖像采集處理系統的實現將克服傳統的圖像采集處理系統結構復雜，成本高，體積大，功耗大等缺點。嵌入式圖像采集處理系統將實現實時圖像采集、圖像處理一體化，具結構緊湊，甚至根本就不需要PC機的介入，可提高處理速度，并能有效降低成本，使得該系統具安裝攜帶方便、配置靈活等突出優點，并且保密性大大得到了提高，具有廣闊的市場應用前景。10在無線通信領域，基于ARM架構的通信終端的研究具有重要意義。如基于三星公司的S3C2440ARM處理器和Linux嵌入式操作系統，又tMarvell88w8686WiFi無線網絡控制器的應用進行研究，可以實現一個在WiFi熱點區域接入互聯網、功耗小的無線通信終端。在

16、軟件方面，使用基于ADS集成開發平臺的Bootloader,采用嵌入式Linux系統作為操作系統，使用Qtopia桌面環境，并采用基于Qt的Konqueror作為嵌入式瀏覽器。該無線通信終端可以在WiFi信號覆蓋區域接入因特網，能通過鼠標、鍵盤和觸摸屏進行操作。在電源管理功能上，系統能在正常狀態、低功耗狀態和休眠狀態之間進行正常切換，能正確進行休眠和喚醒。11基于嵌入式Linux操作系統ARMLinux,研究在微處理器PXA255上實現內存管理、進程調度、中斷處理和系統調用的機制，討論了USB的總線結構和通信模型。在研究Intel公司XsealepXA255芯片的基礎上，在xhyper255B

17、評估板上進行了ARMLinux系統的移植研究工作，包括Linux內核移植，文件系統修改以及引導程序Bootloader的編程開發。在hxyper255B評估板上外擴了USB驅動芯片CY7c67300,實現Linux操作系統下USB驅動程序的編程設計。12溫度是一種最基本的環境參數而且與我們的生活密切相關。基于ARM和溫度傳感器DS18B20的基礎能夠設計出溫度監測系統的硬件電路和系統監控軟件。硬件電路部分采用單總線DS18B20溫度傳感器作為溫度采集單元，ARM處理器作為數據處理單元。軟件部分主要移植Linux內核、編寫基于DS18B20通信協議的字符驅動程序、溫度數據記錄程序、PWM控制驅動

18、程序、使用QTdesigner工具開發了本地溫度監測的人機交互界面、移植嵌入式Boa服務器、開發暖箱溫度遠程監控的CGI程序和HTML監控頁面。經過系統的聯編與調試，溫度監控系統可以滿足暖箱的溫度監測的需求，而且本系統具有硬件電路簡單、精度高、抗干擾能力強、網絡化、智能化的優點，比同類型的產品更具競爭優勢。13隨著數字化、網絡化、智能化的不斷發展，以及在它們相互的促進作用下，以物聯網為基礎的智能化產品已經成為了將來的一種新的生活所需、一種象征、一種趨勢。這種現象在某種程度上也反映了當前社會數字化、網絡化、智能化的一種發展方向。智能家居是在現有的住宅基礎上，利用計算機技術、嵌入式技術、無線通信技

19、術、互聯網技術使家庭中各種終端設備連接成為一個物物相連的整體，可以實現在生活中的智能化控制，以及網絡的遠程監控和管理。它不僅擁有傳統意義上居住環境的特點，而且可以使家庭中的終端設備賦予更多的人性化和智能化，可以提供一個完善的信息交互平臺，幫助我們獲取更多的外面信息，為我們的生活提供更多的方便，使我們可以更好的管理我們的家庭。14例如，將家庭中各種終端設備利用ARM技術、Web技術、ZigBee無線網絡技術，以及通過統一的無線協議和不同的控制協議，在現有的智能家居系統解決方案的基礎上，提出了S3c2440A處理器和ZigBee無線技術相結合的設計方案。并且融合了互聯網Internet通信技術，實

20、現了真正意義上的物聯網。遠程對智能家居系統進行實時的監控和管理，提高了家居生活環境的舒適性、方便性、安全性。嵌入式人臉識別系統建立在嵌入式操作系統和嵌入式硬件系統平臺之上，具有起點高、概念新、實用性強等特點。它涉及嵌入式硬件設計、嵌入式操作系統應用開發、人臉識別算法等領域的研究；嵌入式人臉識別系統攜帶方便、安裝快捷、機動性強，可廣泛應用于各類門禁系統、戶外機動布控的實時監測等特殊場合。基于嵌入式ARM微處理器的實時人臉檢測、關鍵特征定位、高效的人臉特征描述、魯棒的人臉識別分類器及自動人臉識別系統設計等問題的研究，對嵌入式人臉識別的應用前景具有重要意義。15無線射頻識別（RFID）技術被譽為21

21、世紀最重要的十大技術之一，經過多年研究現在已發展到物流、交通、身份識別等應用領域。如今，傳統的標簽識別技術已不能滿足當前無線傳輸領域的要求，新的RFID自動識別技術已逐漸占據了市場的主導地位。RFID讀寫器作為RFID系統的重要組成部分，成為射頻識別領域的研究人員研究的主要對象，有著極大的市場前景和廣闊的技術開發空問。16基于ARM嵌入式平臺的RFID讀寫器的研究，首先對RFID系統的基本理論進行研究，包括嵌入式技術、RFID技術和操作系統的移植等。然后基于這些理論，分模塊完成系統的硬件結構設計和應用軟件的開發。其中RFID嵌入式模塊是以高性能的Stm32f103RBT6作為微處理器，以ARM

22、Cortex-M3作為內核，并在芯片中移植血/OS-II操作系統，通過多任務運行機制完成與收發模塊間的通訊。隨著人們的生活水平的不斷提高，用戶對電子音樂播放器的性能要求也越來越高。目前各大商家最為關心的并不是如何實現MP3,而是如何能在低成本低功耗高性能的平臺上實現MP3,這就意味著對原始MP3標準在實現過程中的優化是當前的一個熱點問題。ARM處理器以其高性價比，豐富的外設資源，越來越受到各種嵌入式研發人員的青睞。173ARM嵌入式技術的發展趨勢嵌入式系統的市場是巨大的，市場需求是嵌入式系統產業化發展的巨大推動力。據報告，每年全球10%20%的計算機芯片是為臺式或便攜式電腦設計的，而80%90

23、%的計算機芯片是為嵌入式設備設計的，這意味著每年有10億至20億個CPU是為嵌入式設備設計制造的，這一數字還在逐步增加。世界范圍內嵌入式系統帶來的工業年產值已超過了1萬億美元。18由于當前市場競爭非常激烈，因此，想要快速適應激烈的市場競爭，必須加快嵌入式系統的發展。首先，我們應該大力開發嵌入式應用軟件，并且要有相應的操作系統的支持。另外，還要應用先進的編程技術來控制系統復雜的變化，重點在于優化軟件的設計，提高軟件質量，從而大大縮短軟件的開發周期。其次，網絡互聯成為嵌入式系統發展的一個主要趨勢，為盡可能滿足用戶的需求，在新時期的嵌入式系統應該有標準的網絡通信接口，并且要有TCP/IP協議的支持。

24、再次，嵌入式系統能夠支持電子設備，并且尺寸越來越小，功耗大大降低，成本也較低。19嵌入式應用軟件的開發需要強大的開發工具和操作系統的支持。隨著因特網技術的成熟、帶寬的提高，ICP和ASP在網上提供的信息內容日趨豐富、應用項目多種多樣，像電話手機、電話座機及電冰箱、微波爐等嵌入式電子設備的功能不再單一，電氣結構也更為復雜。為了滿足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器，如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力；同時還采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。為適應嵌入式分布處理結構和應用上網需求，面向

25、21世紀的嵌入式系統要求配備標準的一種或多種網絡通信接口。針對外部聯網要求，嵌入式設備必需配有通信接口，相應需要TCP/IP協議簇軟件支持；由于家用電器相互關聯（如防盜報警、燈光能源控制、影視設備和信息終端交換信息）及實驗現場儀器的協調工作等要求，新一代嵌入式設備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時也需要提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。為了支持應用軟件的特定編程模式，如Web或無線Web編程模式，還需要相應的瀏覽器,如HTML、WML等。在小尺寸、微功耗和低成本方面，為滿足這種特性，要求嵌入式產品設計者相應降低處理器的性能，限制內存容

26、量和復用接口芯片。這就相應提高了對嵌入式軟件設計技術要求。如：選用最佳的編程模型和不斷改進算法，采用Java編程模式，優化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富經驗，更需要發展先進嵌入式軟件技術，如JavaWeb和WAP等。嵌入式設備之所以為億萬用戶樂于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機交互界面。人們與信息終端交互喜歡通過以GUI屏幕為中心的多媒體界面。手機的手寫中文輸入、語音撥號上網、收發電子郵件以及彩信收發已取得初步成效。20物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。顧名思義，“物聯網就是物物相連的互聯網”。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算、泛在網絡的融合應用，被稱為

27、繼通用計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。新的發展給嵌入式系統帶來新的理念，2011年4月，Intel、微軟、通用汽車、高通、飛思卡爾、ARM、TI和三星等公司在舊金山聯合成立了“Smart技術世界"。Smartsystem（智能系統或智慧系統）的特點是：1、處理器不是我們以前用的最簡單的8位處理器了，而是32位處理器或SOC等。2、內含高層次的嵌入式操作系統。3、有聯網功能，徹底解決原先嵌入式系統的孤島現象。新的發展對嵌入式系統帶來新的技術革命。第一，嵌入式設計要從面相對象到面相角色轉變，物聯網的計算是跟時間有關的。第二，需要軟硬件協同設計技術。第三，需要嵌入式軟件建模

28、、自動分析和驗證技術。21結束語總體來說，嵌入式系統如今已廣泛應該到科研行業、軍事領域、商業發展、娛樂行業，甚至是人們的日常生活中也隨處可見。可以說，嵌入式系統是計算機軟件與硬件的統一體，另外，還包含各種機械零件等裝置。然而，和普通系統比較來說，具有功能強大、功耗與成本消耗低等特點。可以說，嵌入式系統包含計算機、電子技術等多個領域的知識。與此同時，嵌入式產品出現在各個行業中，并且和人們的日常生活密切相關，因嵌入式系統的廣泛應用，勢必會使人們更加專注與嵌入式系統的研究與開發工作中，由此看來，嵌入式系統的發展有廣闊的發展前景。在今后嵌入式系統的發展過程中，必須由經驗非常豐富的設計人員來設計，并使系

29、統的發展朝著網絡互聯的方向發展，從而在激烈的市場競爭中站穩腳步，更好的服務與人們的生產與生活。參考文獻1施樂平，楊征宇，馬憲民，湯元會.ARM嵌入式系統綜述J.中國測試，2012.12(38)2高偉，康倩.淺談嵌入式系統J.計算機光盤軟件與應用，2012(14)3何立民.嵌入式系統的定義與發展歷史J.業界論壇，2003.124葉勁秋.ARM嵌入式微處理器的發展及其面臨的挑戰J.無線互聯科技，2013(1)5何榮森，何希順，張躍.從ARM體系看嵌入式處理器的發展J.微電子學與計算機，2002(05)6田沖.論ARM嵌入式系統的應用特點與發展J.科技創新導報，2011(17)7朱竹霞.論ARM嵌入式系統及其信息產業化發展J.現代商貿工業，2008(20)8吳愛國，劉林