ARM嵌入式技术的发展与应用

ARM嵌入式技术的发展与应用

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（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院）摘要：在信息化时代的今天，嵌入式系统的应用无处不在。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，及其应用，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。[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 嵌入式系统的概念与特点

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、嵌入式应用程序。嵌入式系统的特点与定义不同，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。

与“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。

与“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。

与“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。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与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。

目前, 有关ARM微处理器应用较多的有决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。该系列广泛应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。该系列主要应用于引擎管理、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，可应用于需

要DSP与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图形引擎应用夯实基础，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，但与等价的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