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ARM嵌入式在通信領(lǐng)域的應(yīng)用分析
前言
由于網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在經(jīng)歷了近20年的發(fā)展歷程后，又進(jìn)入了一
個新的歷史發(fā)展階段，即從普遍的低端應(yīng)用進(jìn)入到一個高、低端并行發(fā)展，并且不斷提升低
端應(yīng)用技術(shù)水平的時(shí)代，其標(biāo)志是近年來32位MCU的發(fā)展。
32位MCU的應(yīng)用不會走8位機(jī)百花齊放、百余種型號系列齊上陣的道路。這是因?yàn)樵?位機(jī)的低端應(yīng)用中，嵌入對象與對象專業(yè)領(lǐng)域十分廣泛而復(fù)雜;而當(dāng)前32位MCU的高端應(yīng)用則多集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體技術(shù)領(lǐng)域。32位MCU將會集中在少數(shù)廠家發(fā)展的少數(shù)型號系列上。
在嵌入式系統(tǒng)高端應(yīng)用的發(fā)展中，曾經(jīng)有眾多的廠家參與，很早就有許多8位嵌入式
MCU廠家實(shí)施了8位、16位和32位機(jī)的發(fā)展計(jì)劃。后來，8位和32位機(jī)的技術(shù)擴(kuò)展，侵占了16位機(jī)的發(fā)展空間。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化對8位機(jī)的需求，使這些廠家把主要精力放在8位機(jī)的發(fā)展上，形成了32位機(jī)的發(fā)展遲遲不前的局面。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)、通信和多媒體信息家電業(yè)興起后，出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)高端應(yīng)用的市場;而在嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用中，進(jìn)行多年技術(shù)準(zhǔn)備的ARM公司，適時(shí)地推出了32位ARM系列嵌入式微處理器，以其明顯的性能優(yōu)勢和知識產(chǎn)權(quán)平臺扇出的運(yùn)行方式，迅速形成32位機(jī)高端應(yīng)用的主流地位，以至于使不少傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)廠家放棄了自己的32位發(fā)展計(jì)劃，轉(zhuǎn)而使用ARM內(nèi)核來發(fā)展自己的32位MCU。就連在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展史上做出卓越貢獻(xiàn)的Intel公司，以及將單片微型計(jì)算機(jī)發(fā)展到微控制器的Philips公司，在發(fā)展32位嵌入式系統(tǒng)時(shí)，都不另起爐灶，而是轉(zhuǎn)而使用ARM公司的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核來發(fā)展自己的32位MCU。
本文在以下幾個方面對ARM嵌入式在通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析，
1對ARM進(jìn)行介紹
2對ARM在通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行總的介紹
3對ARM的幾種型號在通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行舉例介紹
4對ARM在通信領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢做出結(jié)論
第1章ARM處理器概述
1.1ARM處理器簡介
ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以認(rèn)為是一個公司的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。
1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。
ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐�，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場被消費(fèi)者所接受，更具有競爭力。
1.2ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)
1.2.1ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域：
1、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。
2、無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。
3、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。
4、消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。
5、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。
除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。
1.3ARM微處理器系列
ARM微處理器目前包括下面幾個系列，以及其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。
-ARM7系列
-ARM9系列
-ARM9E系列
-ARM10E系列
-SecurCore系列
-Inter的Xscale
-Inter的StrongARM
其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨(dú)特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
第2章ARM嵌入式在通信領(lǐng)域的應(yīng)用
2.1ARM在通信領(lǐng)域的應(yīng)用概述
通信是通過某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。古代，人們通過驛站、飛鴿傳書、烽火報(bào)警等方式進(jìn)行信息傳遞。今天，隨著科學(xué)水平的飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了無線電，固話，手機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)甚至可視電話等各種通信方式。通信行業(yè)包括電信運(yùn)營商，電信設(shè)備制造商，電信增值服務(wù)商，電話服務(wù)，呼叫中心運(yùn)營與設(shè)備提供商，手機(jī)終端生產(chǎn)商等企業(yè)構(gòu)成的通信泛行業(yè)群體(非標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)定義)。
通信產(chǎn)品可以說包括在以上行業(yè)的產(chǎn)品，目前這些產(chǎn)品大部分是基于處理器制造的
ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，每個廠商得到的都是一套獨(dú)一無二的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成為許多全球性RISC標(biāo)準(zhǔn)的締造者。
ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器。
ARM提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。由于所有產(chǎn)品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運(yùn)行(理論上如此)。典型的產(chǎn)品如下。
①CPU內(nèi)核
--ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核，用于移動通信。
--ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權(quán)用戶最多的一項(xiàng)產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴(kuò)展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。同時(shí)，它還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并用一個DSP增強(qiáng)擴(kuò)展來改進(jìn)性能。該產(chǎn)品的典型用途是數(shù)字蜂窩電話和硬盤驅(qū)動器。
--ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內(nèi)核，同時(shí)配備Thumb擴(kuò)展、調(diào)試和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達(dá)ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。
�、隗w系擴(kuò)展
--Thumb:以16位系統(tǒng)的成本，提供32位RISC性能，特別注意的是它所需的內(nèi)存容量非常小。
③嵌入式ICE調(diào)試
由于集成了類似于ICE的CPU內(nèi)核調(diào)試技術(shù)，所以原型設(shè)計(jì)和系統(tǒng)芯片的調(diào)試得到了極大的簡化。
�、芪⑻幚砥�
--ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低價(jià)、低能耗、封裝式常規(guī)系統(tǒng)微型處理器，配有高速緩存(Cache)、內(nèi)存管理、寫緩沖和JTAG。廣泛應(yīng)用于手持式計(jì)算、數(shù)據(jù)通信和消費(fèi)類多媒體。
--ARM940T、920T系列:低價(jià)、低能耗、高性能系統(tǒng)微處理器，配有Cache、內(nèi)存管理和寫緩沖。應(yīng)用于高級引擎管理、保安系統(tǒng)、頂置盒、便攜計(jì)算機(jī)和高檔打印機(jī)。
--StrongARM:性能很高、同時(shí)滿足常規(guī)應(yīng)用需要的一種微處理器技術(shù)，與DEC聯(lián)合研制，后來授權(quán)給Intel。SA110處理器、SA1100PDA系統(tǒng)芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術(shù)。
--ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計(jì)算機(jī)，基于一個緩存式ARM732位內(nèi)核，擁有內(nèi)存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調(diào)色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點(diǎn)運(yùn)算單元以及對EDODRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)(NC)。
2.2ARM在通信領(lǐng)域的應(yīng)用分析
作為通信領(lǐng)域的典型應(yīng)用，持電話、機(jī)頂盒、數(shù)碼像機(jī)、GPS、個為數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設(shè)備等產(chǎn)品的市場需求越來越大。目前，基于ARM的處理器以其高速度、低功耗等諸多優(yōu)異的性能而成為上述各類產(chǎn)品中選用較多的處理器。
2.1、ARM型號功能分析
在ARM內(nèi)核中有四個功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的不同要求來配置生產(chǎn)。這四個模塊分別用T、D、M和I來表示。
T：表示Thumb，該內(nèi)核可從16位指令集擴(kuò)充到32位ARM指令集。
D：表示Debug，該內(nèi)核中放置了用于調(diào)試的結(jié)構(gòu)，通常它為一個邊界掃描鏈JTAG，可使CPU進(jìn)入調(diào)試模式，從而可方便地進(jìn)行斷點(diǎn)設(shè)置、單步調(diào)試。
M：表示Multiplier，是8位乘法器。
I：表示EmbeddedICELogic,用于實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)觀測及變量觀測的邏輯電路部分，其中的TAP控制器可接入到邊界掃描鏈。
ARM7
ARM7采用ARMV4T(Newman)結(jié)構(gòu)，分為三級流水，空間統(tǒng)一的指令與數(shù)據(jù)Cache，平均功耗為0.6mW/MHz，時(shí)鐘速度為66MHz，每條指令平均執(zhí)行1.9個時(shí)鐘周期。其中的ARM710，ARM720和ARM740為內(nèi)帶Cache的ARM核。
ARM9
ARM9采用ARMV4T(Harvard)結(jié)構(gòu)，五級流水處理以及分離的Cache結(jié)構(gòu)，平均功耗為0.7mW/MHz。時(shí)鐘速度為120MHz-200MHz，每條指令平均執(zhí)行1.5個時(shí)鐘周期。與ARM7系列相似，其中的ARM920、ARM940和ARM9E為含Cache的CPU核。性能為132MIPS(120MHz時(shí)鐘，3.3V供)或220MIPS(200MHz時(shí)鐘)。
ARM10
ARM10采用ARMV5T結(jié)構(gòu)，六級流水處理，指令與數(shù)據(jù)分離的Cache結(jié)構(gòu)。平均功耗為1000mW，時(shí)鐘速度為300MHz，每條指令平均執(zhí)行1.2個周期，其中ARM1020為帶Cache的版本。
ARM10TDMI：與所有ARM核在二進(jìn)制級代碼兼容，內(nèi)帶高速32X16MAC，預(yù)留DSP協(xié)處理器接口。其中的VFP10(矢量浮點(diǎn)單元)為七級流水結(jié)構(gòu)。
ARM1020T：ARM10TDMI+32KI&DCaches+MMU結(jié)構(gòu)，300MHz時(shí)鐘，功耗為1W(2.0V供電)或00mW(1.5V供電)。指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分別為32K，寬度為64bits。能夠技術(shù)多種商用操作系統(tǒng)。適用于下一代高性能手持式因特網(wǎng)設(shè)備及數(shù)字式消費(fèi)類應(yīng)用。
StrongARM
StrongARM處理器采用ARMV4T的五級流水結(jié)構(gòu)。目前有SA110、SA1100以及SA1110等三個版本(見表2)。
2.2、ARM7系列開發(fā)工具及開發(fā)環(huán)境分析
1.軟件開發(fā)工具
GreenHillsTools：GreenHills的ARM軟件工具包能夠支持ARM6、ARM7、ARM7M、ARM7TM、ARM7TDMI、ARM7500FE、ARM8、ARM9、ARM10以及StrongARM等系列處理器。它由編譯器、交叉工具包、集成開發(fā)環(huán)境和調(diào)試接口等組成。
Compiler：高優(yōu)化性能的C/C++編譯器。
CrossToolChain：交叉開發(fā)工具。包括匯編器(Assembler)、連接器(Linker)、庫函數(shù)以及目標(biāo)代碼格式轉(zhuǎn)換器。
MULTI：集成開發(fā)環(huán)境。GreenHills的MULTI集成環(huán)境綜合了軟件開發(fā)和調(diào)試過程中要用到的各種工具，如源級調(diào)試器、工程管理器、版本控制器、文本編輯器、性能分析器、圖形瀏覽器。運(yùn)行出錯檢測器、ARM指令集仿真器以及底層調(diào)試接口等。用戶可方便地在MULTI環(huán)境中利用上述工具來開發(fā)應(yīng)用程序。
Servers:底層調(diào)試接口。GreenHills的Servers提供兩類調(diào)試接口供用戶選擇使用。一類用于Angel監(jiān)控器、在線仿真器以及EPI公司的JEENIJTAFG仿真器等;另一類則用于商用操作系統(tǒng)及用戶自己編寫的操作系統(tǒng)。
ASDT2.5：SDT2.5是ARM公司提供的一大套由C編譯器、連接定位器、C語言調(diào)試器和Angel監(jiān)控器組成的開發(fā)軟件包。由于價(jià)格比較適中而應(yīng)用比較廣泛。
2.硬件開發(fā)工具
ARM的硬件開發(fā)工具主要包括兩類仿真器，一是JTAG仿真器，二是全功能在線仿真器。前者是利用ARM處理器中的調(diào)試模塊的功能，通過其JTAG邊界掃描口來與仿真器連接。這種方式的仿真器比較便宜，連接比較方便。但由于僅通過十幾條線來調(diào)試，因而功能有局限。目前ARM處理器的JTAG仿真器在市場上比較流行的是EPI公司的JEENI和MAJIC，著名的德國Lauterbach公司有一款通用JTAG/BDM/ONCE仿真器TRACE32-ICD也能夠很好的支持ARM系列處理器。對于全功能在線仿真器來說，由于其信真頭完全取代目標(biāo)板上的CPU，因而功能非常強(qiáng)大。但這類仿真器為了能夠全速仿真時(shí)鐘速度高于100MHz的處理器，通常必須采用極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工藝，因而其價(jià)格比較昂貴。Lauterbach公司的TRACE32-Fire就是這類產(chǎn)品的佼佼者。
JEENI仿真器：這是一種價(jià)位較低的JTAG仿真器。它能夠很好地與SDT2.5工具連接。用戶可使用其編譯器和調(diào)試界面。
MAJIC仿真器：與JEENI相比，MAJIC能夠通過100base-T以太網(wǎng)與主機(jī)相連，支持多處理器和低電壓I/O。
TRACE32-ICD：這是一種通用JTAG/BDM/ONCE仿真器，既能夠支持Motorola系列的68K、ColdFire、MPC5XX/8XX、MPC82XX，又能夠通過更換模塊來支持ARM7系列CPU.同時(shí)也能夠支持SIEMENS的ONCE方式，如TriCore、C166等。另外，TRACE32-ICD提供獨(dú)特的RISC邏輯追蹤功能。
TRACE32Fire：這是全功能ICE，提供強(qiáng)大的調(diào)試和偵錯功能。
3、支持ARM7的RTOS及其系統(tǒng)開發(fā)
目前在國內(nèi)，ARM7的應(yīng)用較多，ARM9、ARM10的使用尚未開始。在引，我們以ARM7的應(yīng)用來例來說明ARM7系統(tǒng)的構(gòu)成及其OS的應(yīng)用。
ARM7處理的生產(chǎn)廠商很多，他們僅須向ARM公司購買ARM7核的License便可進(jìn)行生產(chǎn)。目前常用到的ARM7芯片有tmel公司的AT91M40400、CirrusLogic公司的CL-PS7500FE/EP7211等、Hyundai公司的GMS30C7201、Linkup公司的L7200、Samsung公司的KS32C4100/50100等等。另外，TI公司、LSILogic、NS公司、NEC公司以及Philips公司也生產(chǎn)相應(yīng)的ARM7芯片。雖然眾多的廠商提供多種瑾的處理器，但是除外部一些功能模塊外，它們的內(nèi)核是相同的，因而在軟件編程有調(diào)試上是相同的。
在多種商用RTOS(實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng))中，NucleusPLUS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是一種帶源代碼的OS，目前非常流行。在國內(nèi)也擁有大量的實(shí)際應(yīng)用。Nucleus是最早支持ARM系列CPU的操作系統(tǒng)之一，它提供內(nèi)核、圖形界而模塊、通訊協(xié)議模塊、文件系統(tǒng)以及嵌入式網(wǎng)上瀏覽器等等完整的解決方案。國內(nèi)許多著名的公司均已選用Nucleus在ARM平臺上實(shí)現(xiàn)PDA、STB、DVD、POS、GPS、手機(jī)以及智能終端等。
4、基于ARM7的PDA方案
ARM7系列芯片具有高速、低功耗、集成度高等特點(diǎn)，非常適合用于開發(fā)PDA設(shè)備。在此介紹一個韓國現(xiàn)代電子提供的以GMS30C7201芯片為核心的PDA方案。
*操作系統(tǒng)：NUCLEUSPLUS
*編譯器：ARMSDT/GREENHILL
*仿真器：JENNI/TRACE32-ICD
例如，我們選用ATI公司的NUCLEUS操作系統(tǒng)及相應(yīng)的文件系統(tǒng)、圖形軟件包、網(wǎng)絡(luò)模塊和瀏覽器來實(shí)現(xiàn)PDA的各種功能�，F(xiàn)在已經(jīng)完成了大部分的軟件移植工作：MUCLEUS內(nèi)核、文件系統(tǒng)、圖形軟件包、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊(使用PPP拔號上網(wǎng))以及各種片上設(shè)備的驅(qū)動、瀏覽器的移植也即將完成。
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