ARM嵌入式技术的发展与应用

ARM嵌入式技术的发展和使用

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（北京信息科技大学仪器科学和光电工程学院）摘要：在信息化时代的今天，嵌入式系统的使用无处不在。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，及其使用，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使用而设计的专用计算机系统。

它以使用为中心，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。

1 ARM嵌入式系统的发展

1.1 嵌入式系统的概念和特点

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、嵌入式使用程序。嵌入式系统的特点和定义不同，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。

和“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。

和“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。

和“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。和上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有和对象系统相适应的接口电路。[3]

1.2 ARM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。

Core Architecture

ARM1 v1

ARM2 v2

ARM2aS，ARM3 v2a

ARM6，ARM600，ARM610 V3

ARM7，ARM700，ARM710 V3

V4T

ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T，

ARM740T

StrongARM，ARM8，ARM810 V4

ARM9TDMI，ARM920T，ARM940T V4T

ARM9E—S V5TE

ARM10TDMI，ARM1020E V5TE

目前, 有关ARM微处理器使用较多的有决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。该系列广泛使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。该系列主要使用于引擎管理、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，可使用于需要DSP和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Embedded ICE-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图形引擎使用夯实基础，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]

1.3 ARM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，但和等价的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（Processor Mode）：

（1）用户模式（User：usr）：