ARM嵌入式系统应用中的问题总结分析

单片机

由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化，嵌入式系统在后PC时代得到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进步，在工业控制和新兴的手持式应用等领域，用户体验成为产品成功的关键因素之一，越来越多的产品需要良好的用户界面、互联功能以及较强的数据处理能力，这对嵌入式处理器硬件、软件、教学等提出了新的要求。
　　1 嵌入式处理器与硬件
　　在处理器方面，目前大量的中、低端嵌入式应用，主要使用8/16位单片机。在国内，由于历史的原因，主要是以MCS51核为主的许多不同型号单片机，主要厂商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。还有一些近几年发展较快的新型单片机，如PIC、AVR、MSP430系列等。这些单片机各有特点，但从目前的发展角度来看，单片机针对特定应用领域的个性化发展愈发明显，典型的例子就是ti公司的MSP430系列16位单片机、ST公司的STM8L系列8位单片机和STM32L系列32位超低功耗单片机。
　　在嵌入式中的高端应用领域，像工业控制、POS机、网络设备、图像处理、手机、PDA等，目前主要使用ARM、 MIPS、PowerPC、DSP等16~64位处理器，以32位处理器为主。各种类型的处理器都有其一定的应用针对性。例如，DSP对数字信号处理技术中用到的常用运算、算法做了优化设计，主要用于实时信号处理领域，如实时音视频处理、电机控制等。MIPS处理器性能很好，但功耗较大，适合于有交流电源供电的固定应用，如固定的网络设备、机顶盒等。ARM处理器性能高，功耗低，适合于用电池供电的便携、手持式设备。由于近几年便携、手持式嵌入式应用的高速发展，ARM处理器的增长速度和市场占有率也快速提升，成为目前32位应用中的主力产品。
　　由于嵌入式应用系统的广泛性，嵌入式系统的硬件设计涉及的知识面很广，从模拟到数字、低频到高频、小信号到大功率，以及复杂的时序逻辑设计和PCB设计，还要考虑软硬件资源的合理分配，不仅要有广而扎实的理论基础，更需要丰富的实践经验。只有对大大小小各种应用系统反复实战演练，了解新技术、新器件，使用过多种多样的处理器和模拟/数字器件，才能逐步积累，聚沙成塔，对一个新的应用系统给出快速、合理的硬件方案与设计。
　　2 ARM处理器的优势
　　对于如今大量出现的32位嵌入式应用，以笔者之见，ARM处理器的优势主要有以下几个方面。
　　2.1 高性能、低功耗、低价格
　　把ARM处理器的性能拿来和一些著名的通用处理器(如Pentium)相比是不合适的，因为他们各自针对的应用需求是不同的。Pentium处理器采用多条指令流水线的超标量结构，追求通用应用目标下的超强性能，功耗大，可以用散热器加风扇散热。ARM针对嵌入式应用，在满足性能要求的前提下，力求最低的功率消耗。ARM结构的优点是能兼顾到性能、功耗、代码密度、价格等几个方面，而且做得比较均衡。在性能/功耗比(MIPS/W)方面,ARM 处理器具有业界领先的性能。基于ARM核的芯片价格也很低，目前ARM CortexM的芯片价格可低至10元人民币左右。
　　2.2 丰富的可选择芯片
　　ARM只是一个核，ARM公司自己不生产芯片，采用授权方式给半导体生产商。目前，全球几乎所有的半导体厂家都向ARM公司购买了各种ARM 核，配上多种不同的控制器(如LCD控制器、SDRAM控制器、DMA控制器等)和外设、接口，生产各种基于ARM核的芯片。目前，基于ARM核的各种处理器型号有好几百种，在国内市场上，常见的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等厂家的芯片。用户可以根据各自的应用需求，从性能、功能等方面考察，在许多具体型号中选择最合适的芯片来设计自己的应用系统。由于ARM核采用向上兼容的指令系统，用户开发的软件可以非常方便地移植到更高的ARM平台。
　　2.3 广泛的第三方支持
　　以如今的技术，设计一个处理器并非难事，但要使这个处理器得到大家认可，并取得市场成功却是非常困难的，其中涉及许多技术与非技术的因素和环节，还包括时机、运气。因为现在许多产品的开发，不是一个简单的处理器加几百条指令、语句就可以解决的。要用到32位处理器，一般都要有编译器、高效的开发工具(仿真器及调试环境)、操作系统、协议栈等，这些东西都不是一个芯片生产商可以解决的，而需要许多第三方的支持。这就像一粒种子，需要土壤、空气、水等环境才能发芽、成长。这也是我们的一些“中国芯”该反思之处。
　　ARM通过近20年的培育、发展，得到了广泛的第三方合作伙伴支持。目前，除通用编译器GCC，ARM有自己的高效编译、调试环境(MDK、 Keil),全球约有50家以上的实时操作系统(RTOS)软件厂商和30家以上的EDA工具制造商，还有很多高效率的实时跟踪调试工具的厂商，对ARM 提供了很好的支持。用户采用ARM处理器开发产品，既可以获得广泛的支持，也便于和同行交流，加快开发进度，缩短产品的上市时间。
　　2.4 完整的产品线和发展规划
　　ARM核根据不同应用需求对处理器的性能要求，有一个从ARM7、ARM9到ARM10、ARM11，以及新定义的CortexM/R/A系列完整的产品线。前几年应用较多的主要是基于V4架构的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些处理器芯片，如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel 的AT91系列和Samsung的S3C系列。近两年，ARM Cortex系列以更好的性能、更低的价格得到快速推广，典型的就是基于CortexM3的STM32系列。
　　ARM CortexM/R/A系列分别针对不同的应用领域。M系列主要面向传统微控制器(MCU/单片机)应用，这类应用面很广，要求处理器有丰富的外设，并且各方面比较均衡;R系列强调实时性，主要用于实时控制，如汽车引擎;A系列面向高性能、低功耗应用系统，如智能手机。选用ARM处理器进行开发，技术积累性较强，生命周期长，设计重用度高，不易被淘汰。用户在选择ARM处理器时，可以针对应用需求，从大量的ARM芯片中选用满足性能、功能要求的产品，以获得较好的性价比。
　　3 ARM嵌入式系统的软件
　　由于嵌入式系统的差异性很大，对不同的应用需求，必须选择不同的软件设计方法、开发平台和系统工具。
　　对于一些不需要复杂图形用户界面、通信协议和复杂文件操作(如同时打开多个文件)的应用，如果选用CortexM3核的处理器就已可以满足要求，任务数不多，任务之间的关系也不复杂，则不一定需要移植复杂的操作系统。这样一方面可以降低系统硬件开销，也可以获得更好的实时性和执行速度。不过，这样的软件开发方法需要开发人员有较好的程序设计思想，对所用器件有深入的了解，并掌握其编程控制方法。若引入一个简单的操作系统，如μC/OS，可以简化程序结构，但开发者最好熟悉其内核结构，并有使用经验，否则可能会需要更多的系统开发、调试时间。