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ARM处理器与嵌入式系统

现代电子技术?? 2010年11月25日 ?? 收藏0

  引言

  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。


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