第一篇:ARM嵌入式系统的问题总结分析.
ARM嵌入式系统的问题总结分析
摘要:本文是作者关于嵌入式系统一些基本问题的思考和总结。主要是从嵌入式处理器与硬件、ARM处理器的优势、嵌入式软件、嵌入式系统教学等方面进行了一些梳理,谈了一些个人的观点。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 摘要: 本文是作者关于嵌入式系统一些基本问题的思考和总结。主要是从嵌入式处理器与硬件、ARM处理器的优势、嵌入式软件、嵌入式系统教学等方面进行了一些梳理,谈了一些个人的观点。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。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。
如果选择了带存储器管理单元(MMU)的ARM处理器(如ARM920T、CortexA8等),这种应用系统根据应用、实时性、开发环境等因素,移植一个功能较强的操作系统一般情况下会比较合适,如Linux、WinCE,甚至新的Android等。这种系统的开发难度主要是在OS的移植以及硬件驱动程序的开发上。当这二步工作完成后,主要的软件开发工作已和在PC机上开发没有多大区别,可以按照一般的软件工程方法来进行,要注意的只是与ARM硬件平台相关的软件优化问题。由于嵌入式系统硬件资源的有限性,嵌入式软件与其他应用软件的主要区别,在于嵌入式软件要有较高的效率,包括执行速度和存储空间,尽管这二者经常是相互矛盾的。目前一般要求更多的是速度优化。要编写出高效的ARM程序,需要开发人员熟悉ARM的体系结构,包括内核结构、指令系统、Cache与存储器结构等,还要有好的程序设计思想,以及对一些常用函数、算法的深刻理解。这个过程也是ARM系统开发从低级到高级的进阶之路。
目前,由于应用系统越来越复杂,嵌入式软件的移植性和重用性也得到了人们的高度重视,因为它直接影响到嵌入式软件的开发效率和质量。选择一种通用的开发环境和高级编程语言,使开发的嵌入式软件可以方便地移植到不同的硬件平台,是实现软件重用的基础。目前在ARM嵌入式系统开发中,ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是较好的开发平台,C/C++语言是应用最广泛的编程语言,并具有广泛的库函数、程序支持,在今后很长一段时间内,仍将在嵌入式系统应用领域中占重要地位。4 嵌入式系统的教学
如今,嵌入式系统作为一个热门领域,其教学问题也颇受高校的关注。教学的主要目的是培养社会需要的人,由于嵌入式系统的广泛性、差异性,社会对从事嵌入系统开发人员的要求也有很大的不同,既需要从事简单8/16位单片机开发的人员,也需要从事ARM、DSP开发的人员;既要有从事硬件、底层软件开发的人员,也要有从事OS移植、应用软件开发的人员。由于整个大学学习时间和课程教学时数的限制,一个人显然不可能学习、掌握嵌入系统开发的各个层面。所以,各个学校首先应根据自身情况,明确定位,确定自己培养学生的社会适应面,然后再制定教学大纲,确定课程内容和实验平台。对于高职、普通高校的电类与非电类专业、软件学院等,都应该有不同的选择,而不是人云亦云,一哄而上。
第二篇:嵌入式系统ARM实验报告
南京邮电大学通信与信息工程学院
实验报告
实验名称:实验一基于ADS开发环境的设计
实验二嵌入式Linux交叉开发环境的建立 实验三嵌入式Linux环境下的程序设计
课程名称嵌入式系统B
班级学号B13010711 姓名马俊民
开课时间 2015/2016学年第1学期
实验一基于ADS开发环境的程序设计
一、实验目的
1、学习ADS开发环境的使用;
2、学习和掌握ADS环境下的汇编语言及C语言程序设计;
3、学习和掌握汇编语言及C语言的混合编程方法。
二、实验内容
1、编写和调试汇编语言程序;
2、编写和调试C语言程序;
3、编写和调试汇编语言及C语言的混合程序;
4、编写程序测试多寄存器传送指令的用法。
三、实验原理
ADS全称为ARM Developer Suite,是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具。现在常用的ADS版本是ADS1.2,它取代了早期的ADS1.1和ADS1.0。
ADS用于无操作系统的ARM系统开发,是对裸机(可理解成一个高级单片机)的开发。ADS具有极佳的测试环境和良好的侦错功能,它可使硬件开发工作者更深入地从底层去理解ARM处理器的工作原理和操作方法,为日后自行设计打基础,为BootLoader的编写和调试打基础。
1.ADS软件的组成
ADS由命令行开发工具、ARM运行时库、GUI开发环境(CodeWarrior和AXD)、实用程序、支持软件等组成。
2.GUI开发环境
ADS GUI开发环境包含CodeWarrior和AXD两种,其中Code Warrior是集成开发工具,而AXD是调试工具。
使用汇编语言进行编程简单、方便,适用于初始化硬件代码、启动代码等。汇编语言具有一些相同的基本特征:
1.一条指令一行。
2.使用标号(label)给内存单元提供名称,从第一列开始书写。3.指令必须从第二列或能区分标号的地方开始书写。4.注释必须跟在指定的注释字符后面,一直书写到行尾。
在ARM汇编程序中,每个段必须以AREA作为段的开始,以碰到下一个AREA作为该段的结束,段名必须唯一。程序的开始和结束需以ENTRY和END来标识。嵌入式C语言设计是利用基本的C语言知识,面向嵌入式工程实际应用进行程序设计。为了使单独编译的C语言程序和汇编程序之间能够相互调用,必须为子程序之间的调用规定一定的规则。ATPCS就是ARM程序和Thumb程序中子程序调用的基本规则。
四、实验过程与关键代码分析
1.创建项目工程
在File菜单中选择New命令,打开一个新建工程对话框。在Project选项卡下,选择ARM Executable Image, 然后在Project name文本框里输入项目名称,点击确定。弹出工程窗口。
选择File菜单中的New命令,选择File标签页,在File name文本框中输入要创建的文件名。汇编程序以.s结尾,c程序以.c结尾。在Location文本框中指定文件的存放位置,选中Add to Project,在Targets中选中DebugRel,单击确定关闭窗口。
2.用汇编语言设计程序实现10的阶乘
AREA EXAMPLE, CODE, READONLY ENTRY start MOV R0, #10 MOV R1, #1 LOOP MUL R0, R0, R1 SUB R0, R0, 1 CMP R0, #1 BHI LOOP END 在这个程序中,我们首先对R0和R1赋值,将R0作为一个变量,而R1作为一个存贮阶乘值的寄存器。在每进行一次乘法之后,将R0减1。同时在做完减法后进行判断,如果此时R0大于1,则返回继续乘法,否则结束程序,输出结果。
3.用调用子程序的方法实现1!+2!+3!+„+10!,代码如下: asmp.s
AREA JC, CODE, READONLY
EXPORT JCP
ENTRY JCP
ADD R3, R0, #1
MOV R2, #1
MOV R1, #1 LOOP MUL R0, R1, R2
MOV R1, R0
ADD R2, R2, #1
CMP R2, R3
BNE LOOP
NOP
NOP
MOV PC, LR
END
PROGC.c #include
int main(){ int res=0;int m=10;int i;for(i=1;i<=m;i++)
res=res+JCP(i);printf(“The result =%dn”,res);return 0;} 在这个程序中,主程序由c语言完成作求和,子程序由汇编语言写成作阶乘。
5.实现字符串的逆序复制TEXT1=“HELLO”=>TEXT2=“OLLEH”
AREA invstring, CODE, READONLY start
ADR R1,TEXT1
ADR R2,TEXT2
MOV R3, #0 LOOP
LDRB R0,[R1], #1
ADD R3,R3,#1
CMP R0,#0
BNE LOOP
SUB R1,R1,#2
LOOP1
LDRB R0,[R1], #-1
STRB R0,[R2], #1
SUB R3,R3, #1
CMP R3,#1
BNE LOOP1
MOV R5,#&55
TEXT1
TEXT2 NOP =“HELLO”,0 ALIGN =“OELLH” END
五、实验小结
在这次实验中,学会了如何使用汇编程序进行编程。对汇编程序编程一些基本的要求有了一定的了解,学习了C语言的语法和在其中调用汇编程序的方法。学会了利用CodeWarrior IDE开发C和ARM汇编代码。学会了在AXD中进行代码调试的方法和过程,对AXD的调试有初步的了解。,实验二嵌入式Linux交叉开发环境的建立
一、实验目的
1、掌握嵌入式Linux交叉开发环境的建立方法
2、学习和掌握Linux常用命令
3、学习和掌握vi编辑器的使用
二、实验内容
1、搭建嵌入式Linux交叉开发环境
2、熟悉Linux的常用命令
3、熟悉vi编辑器的常用命令
三、实验原理
Linux系统是UNIX系统的分支,是UNIX的微机版。Linux具有异常丰富的驱动程序资源,支持各种主流的硬件设备与技术。Linux包含了现代的UNIX操作系统的所有功能特性,这些功能包括多任务、虚拟内存、虚拟文件系统、进程间通信、对称所处理器、多用户支持等。
Vi编辑器是所有UNIX和Linux下的标准编辑器。它包含3种工作模式。嵌入式系统是专用的计算机系统,它对系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格的要求。大部分嵌入式系统没有大容量存储设备,一般不能安装大型开发软件,系统的开发需要采用交叉开发模式。
四、实验过程与关键代码分析
实验用的是UP-NetARM2410-S试验箱,里面配有三星的芯片S3c2410X。打开电脑上VMWare软件,在Windows系统下启动虚拟机里的Linux系统。接着需要
1.宿主机的环境搭建
下载并运行VMWare,根据向导创建一台新虚拟机并选择Linux作为客户操作系统,再根据向导安装RedHat Linux 9.0。
2.虚拟机中启动Linux操作系统
使用root登陆,用户名为root,密码为123456。之后对共享文件设置进行调整:打开settings界面,打开shared folders功能,同时将路径设置到有课前下载的软件的目录下。
3.开发工具软件的安装(1)安装gcc 打开Linux后,打开终端窗口,在共享的目录下找到install.sh并运行,命令如下: ls./ install.sh 安装程序将自动建立/arm2410s目录,并将所有的开发软件包安装到/arm2410s 目录下,同时自动配置编译环境,建立合适的符号链接。安装完成后在目录/opt/host/armv4l/bin/下应该能看到主编译器。(2)配置PATH路径
vi.bash.profile 将里面PATH变量改为PATH=$PATH:$HOME/bin:/opt/host/armv41/bin/;存盘后执行
source.bash_profile 以后armv4l-unknown-linux-gcc将被自动搜索到
4.宿主机上的开发环境配置(1)配置IP地址
ifconfig eth0 192.168.0.121 命令配置了宿主机的IP地址。然后打开网络配置窗口,重新探测MAC地址。重新激活。(2)关闭防火墙
单击“Red”菜单→“系统设置”→“安全级别”→打开“安全级别配置”窗口,选择“无防火墙选项。”(3)配置NFS。
单击“Red”菜单→“系统设置”→“服务器设置”→“服务”,在“服务配置”窗口中勾选nfs,单击“开始”(4)NFS设置
单击“Red”菜单→“系统设置”→“服务器设置”→“NFS服务器”,打开“NFS服务器配置”窗口,设置NFS共享。
然后在NFS服务器中增加主机IP地址的链接许可和目录。完成配置。
5.目标机的信息输出
Windows系统下,“开始”→“所有程序”→“附件”→“通讯”→“超级终端”,新建一个通信终端。区号、电话号码随意输入。设置每秒位数为“115200”,数据位为“8”,无奇偶校验,停止位为“1”,无数据流控制。单击“确定”。
6.程序的运行
打开超级终端,启动Linux,屏幕显示:
[/mnt/yaffs] 在超级终端上执行挂载命令:
[/mnt] mount –t nfs 192.168.0.121:/arm2410s /mnt/nfs 挂载成功后可执行程序。
五、实验小结
在这次实验中,学会建立Linux交叉开发环境,学会了ls和vi,cd等常用的Linux命令,并掌握了Vi编辑器的使用方法。同时知道了如何在搭建失败时寻找错误进行排错。
实验三嵌入式Linux环境下的程序设计
一、实验目的
1、掌握嵌入式Linux环境下的程序设计方法
2、学会编写Makefile文件
二、实验内容
1、熟悉嵌入式教学实验箱的使用
2、编写C程序和Makefile文件
3、编译程序产生可执行程序
4、完成主机的挂载和程序的执行
三、实验原理
在嵌入式Linux环境下的程序设计方法有一下几个步骤:
1.编写源程序
2.编写Makefile文件 3.编译程序
4.运行和调试程序
5.将生产的可执行文件加入文件系统。
前三个步骤在宿主机上完成,后面的步骤在目标机上完成。
四、实验过程与关键代码分析
1.建立工作目录
mkdir hello cd hello
2.编写源程序
用vi编辑器编辑Hello.c文件
vi Hello.c 在Vi中输入源程序如下:
#include
printf(“hello world n”);}
3.编写Makefile文件
vi Makefile 在vi中编辑Makefile文件如下:
CC= armv4l-unknown-linux-gcc EXEC = hello OBJS = hello.o CFLAGS += LDFLAGS+=-static all: $(EXEC)$(EXEC):(OBJS)$(CC)$(LDFLAGS)–o $@ $(OBJS)clean:
-rm –f $(EXEC)*.elf *.gdb *.o
4.编译程序
在hello目录下运行“make”来编译程序。
make clean
make 编译成功后,生成可执行文件Hello.o。
5.下载调试
在宿主机上启动nfs服务,并将/arms2410s设置为共享目录。接下来启动超级终端,建立通讯,挂载。
[/mnt] mount –t nfs 192.168.0.121:/arm2410s /mnt/nfs 挂载成功后,进入/mnt/nfs,再进入/mnt/nfs/hello,直接运行刚刚编译生成的可执行文件Hello.o,查看运行结果
cd hello./hello 可以看见“Hello world”
只需要挂载一次便可,只要实验箱没有重启,就可以一直保持连接。反复修改、编译、调试,直至程序调试通过。
6.可执行文件加入文件系统
程序调试通过后,可以把可执行文件拖放到usr/bin目录下,然后使用mkcramfs制作工具生成新的文件系统。当系统启动后,就可以在相应目录下执行可执行程序hello.五、实验小结 在这次实验中,学会了在嵌入式Linux环境下设计程序。同时知道了如何对目标机进行挂载。以及如何在发现挂载不成功寻找错误进行修改。另外在编译文件时需要注意的也都有所了解。
实验四多线程程序设计
一、实验目的1、2、二、实验内容1、2、3、4、三、实验原理
四、实验过程与关键代码分析
五、实验小结
3+
第三篇:实习总结-嵌入式ARM
实训总结
班级 卓越1301姓名***
通过这段时间的学习使我学到了很多知识,并且了解到ARM的应用以及对开发板的应用,为以后的学习奠定了一定的基础。
嵌入式系统一般定义为以应用为中心、以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统这是从技术角度。从系统角度上是设计完成复杂功能的硬件和软件,并使其紧密耦合在一起的计算机系统。
广义上讲,凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统,管理系统硬件核软件的能力有限,在实现复杂多任务功能时,往往困难重重,甚至无法实现。从狭义上讲,我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统,具有自己操作系统,具有特定功能,用于特定场合的嵌入式系统。
嵌入式的应用也比较广泛涉及军事国防、工业控制、消费电子和网络。在家用方面更是数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。
在ARM指令集中了解到ARM的寻址方式以及它的的特性,具有高效、快速的特点,还有Thumb指令集具有灵活、小巧的特点。
在这次实训中做了两个项目,一个是LED灯,实现LED灯的点亮是比较简单的,通过查找手册可以很快的了解到要使用的寄存器和方法,另一个项目是DS18B20这个比较复杂,除了要掌握对寄存器的使用,还要对了解对串口的初始化,读写字节等等。
感谢这次实训,通过这次的实训项目,使我大体了解制作项目的步骤,了解了嵌入式技术的掌握是需要一个过程的。实事求是的说,嵌入式技术的全面掌握是有相当难度的,通过积累和动手总会有收获的,从实验中也明白了一个大的项目并不是一个人可以完成的,团队协作很重要。
姓名:***
年级:卓越1301
2014-7-5
第四篇:ARM嵌入式系统应用中的问题总结分析
ARM嵌入式系统应用中的问题总结分析 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。
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ARMARM、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。
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。
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。
如果选择了带存储器管理单元(MMU)的ARM处理器(如ARM920T、CortexA8等),这种应用系统根据应用、实时性、开发环境等因素,移植一个功能较强的操作系统一般情况下会比较合适,如Linux、WinCE,甚至新的Android等。这种系统的开发难度主要是在OS的移植以及硬件驱动程序的开发上。当这二步工作完成后,主要的软件开发工作已和在PC机上开发没有多大区别,可以按照一般的软件工程方法来进行,要注意的只是与ARM硬件平台相关的软件优化问题。
由于嵌入式系统硬件资源的有限性,嵌入式软件与其他应用软件的主要区别,在于嵌入式软件要有较高的效率,包括执行速度和存储空间,尽管这二者经常是相互矛盾的。目前一般要求更多的是速度优化。要编写出高效的ARM程序,需要开发人员熟悉ARM的体系结构,包括内核结构、指令系统、Cache与存储器结构等,还要有好的程序设计思想,以及对一些常用函数、算法的深刻理解。这个过程也是ARM系统开发从低级到高级的进阶之路。
目前,由于应用系统越来越复杂,嵌入式软件的移植性和重用性也得到了人们的高度重视,因为它直接影响到嵌入式软件的开发效率和质量。选择一种通用的开发环境和高级编程语言,使开发的嵌入式软件可以方便地移植到不同的硬件平台,是实现软件重用的基础。目前在ARM嵌入式系统开发中,ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是较好的开发平台,C/C++语言是应用最广泛的编程语言,并具有广泛的库函数、程序支持,在今后很长一段时间内,仍将在嵌入式系统应用领域中占重要地位。
嵌入式系统的教学
如今,嵌入式系统作为一个热门领域,其教学问题也颇受高校的关注。教学的主要目的是培养社会需要的人,由于嵌入式系统的广泛性、差异性,社会对从事嵌入系统开发人员的要求也有很大的不同,既需要从事简单8/16位单片机开发的人员,也需要从事ARM、DSP开发的人员;既要有从事硬件、底层软件开发的人员,也要有从事OS移植、应用软件开发的人员。由于整个大学学习时间和课程教学时数的限制,一个人显然不可能学习、掌握嵌入系统开发的各个层面。所以,各个学校首先应根据自身情况,明确定位,确定自己培养学生的社会适应面,然后再制定教学大纲,确定课程内容和实验平台。对于高职、普通高校的电类与非电类专业、软件学院等,都应该有不同的选择,而不是人云亦云,一哄而上。
就目前的发展看,由于ARM等32位处理器应用渐成主流,开发工具已较完善、成熟,对于普通高校计算机学科的嵌入式系统教学,笔者认为可以定位在以32位嵌入式系统开发为主,重点是嵌入式系统的软硬件结构、嵌入式OS的知识,以及嵌入式软件设计(包括优化)。课程主体内容基本与硬件平台(处理器型号)无关,实验可以采用基于ARM核的不同厂家处理器的实验平台。主要考虑以下几点:
①在32位嵌入式系统开发上,软件开发人员的需求比硬件开发人员要多得多(尽管目前硬件开发人员较难找,但这应该是电子等专业培养的)。一般在一个从事嵌入式应用系统开发的公司中,软硬件人员的比例不会小于10:1。由于学习时间有限,教学重点应该偏软件。
②现代社会强调分工、合作,以求得整体利益的最大化。对个人的要求首先是专才,能把局部工作做精、做好。通才是需要的,但数量会比专才少得多,而且通才是练出来的,不是教出来的。今后的大学是大众教育,教学只能面向大众需求。在相关专业的研究生阶段,对一些有基础、有兴趣的学生,可以进行一些系统级硬件、底层软件的开发实践,同时也可满足社会对高层次嵌入式人才的需要。
③以此为主,可以再开设2门选修课。向下为“单片机原理与应用”,此课程以实践为主,让有兴趣的学生可以自己设计、制作一些单片机应用系统,同时也锻炼了硬件动手能力。向上为“数字信号处理(DSP)”,让那些数学基础较好、对实时信号处理有兴趣的学生有用武之地(现在这样的学生很难得)。
另外,由于应用日趋复杂,而教学时间有限,一个本科生在校期间不可能深入学习嵌入式系统的很多细节,嵌入式教学应采用自上而下的教学方法。一开始不必花很多时间讲解处理器内核架构/指令系统,只要知道各种内核的基本特点即可,重点学习、掌握处理器、外设的编程结构(即编程者角度看到的编程模型结构,非具体物理实现结构)。真实的应用、研究设计都是从粗粒度向细粒度进阶的,是一个自顶向下的过程,首先要重视的是系统架构和各个抽象层。1000行的C程序,编译后生成的目标代码只有10 KB左右,试想现在的MCU Flash动辄几百KB,为什么?一个目标代码几百KB的C程序,一般不是完全由个人写出来的,而都会使用一些第三方的库函数、中间件等。硬件也一样,现在很多硬件系统都会使用一些模块(Module),尽管这些模块看上去还是一个芯片,但实际上已经是一个SiP模块,如WiFi模块。所以,在了解基本嵌入式系统结构的基础上,本科阶段要更多地学习各种系统、模块、外设、协议、库函数的“边界(InteRFace)”,能够搭建一个简单系统(How to do),今后在工作、或研究生阶段进一步去做好一个系统(How to do better)。
5结语
嵌入式系统作为一种特殊的计算机应用系统,在任何时期都有相对的高、中、低端应用,即使在今后,没有OS支持的4位或8位单片机的嵌入式应用仍有大量需求,但趋势是系统化、复杂化。这既是嵌入式系统的特点--广泛性、差异性和不可垄断性,也是广大嵌入系统研发人员的生存与发展空间。ARM处理器在便携、手持式设备以及工业控制等应用领域,在今后相当长的时间内是一个很好的选择。当然,没有一种型号的处理器是可以覆盖所有应用的,也不是搬上一个嵌入式OS,就可以很好地解决软件问题的。深入了解各种器件特性,选择最合适的处理器、外围器件、操作系统和软件库,尽可能地优化软件设计,最贴切地满足应用需求,以获得最好的系统性价比,是嵌入式系统设计开发的精髓。
第五篇:哈工大ARM嵌入式系统考试知识点总结
接VIC部分
一旦产生IRQ中断,微控制器切换到IRQ模式,并跳转到向量表0x0018地址执行指令。一旦产生FIQ中断,微控制器切换到FIQ模式,并跳转到向量表0x001C地址执行指令,然后跳转到FIQ_Handler代码段。