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ARM嵌入式在通信領(lǐng)域的應用分析
前言
由于網(wǎng)絡(luò )與通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統在經(jīng)歷了近20年的發(fā)展歷程后，又進(jìn)入了一
個(gè)新的歷史發(fā)展階段，即從普遍的低端應用進(jìn)入到一個(gè)高、低端并行發(fā)展，并且不斷提升低
端應用技術(shù)水平的時(shí)代，其標志是近年來(lái)32位MCU的發(fā)展。
32位MCU的應用不會(huì )走8位機百花齊放、百余種型號系列齊上陣的道路。這是因為在8位機的低端應用中，嵌入對象與對象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域十分廣泛而復雜;而當前32位MCU的高端應用則多集中在網(wǎng)絡(luò )、通信、多媒體技術(shù)領(lǐng)域。32位MCU將會(huì )集中在少數廠(chǎng)家發(fā)展的少數型號系列上。
在嵌入式系統高端應用的發(fā)展中，曾經(jīng)有眾多的廠(chǎng)家參與，很早就有許多8位嵌入式
MCU廠(chǎng)家實(shí)施了8位、16位和32位機的發(fā)展計劃。后來(lái)，8位和32位機的技術(shù)擴展，侵占了16位機的發(fā)展空間。傳統電子系統智能化對8位機的需求，使這些廠(chǎng)家把主要精力放在8位機的發(fā)展上，形成了32位機的發(fā)展遲遲不前的局面。當網(wǎng)絡(luò )、通信和多媒體信息家電業(yè)興起后，出現了嵌入式系統高端應用的市場(chǎng);而在嵌入式系統的高端應用中，進(jìn)行多年技術(shù)準備的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)權平臺扇出的運行方式，迅速形成32位機高端應用的主流地位，以至于使不少傳統嵌入式系統廠(chǎng)家放棄了自己的32位發(fā)展計劃，轉而使用ARM內核來(lái)發(fā)展自己的32位MCU。就連在嵌入式系統發(fā)展史上做出卓越貢獻的Intel公司，以及將單片微型計算機發(fā)展到微控制器的Philips公司，在發(fā)展32位嵌入式系統時(shí)，都不另起爐灶，而是轉而使用ARM公司的嵌入式系統內核來(lái)發(fā)展自己的32位MCU。
本文在以下幾個(gè)方面對ARM嵌入式在通信領(lǐng)域的應用進(jìn)行分析，
1對ARM進(jìn)行介紹
2對ARM在通信領(lǐng)域的應用進(jìn)行總的介紹
3對ARM的幾種型號在通信領(lǐng)域的應用進(jìn)行舉例介紹
4對ARM在通信領(lǐng)域的應用趨勢做出結論
第1章ARM處理器概述
1.1ARM處理器簡(jiǎn)介
ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以認為是一個(gè)公司的名字，也可以認為是對一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)，還可以認為是一種技術(shù)的名字。
1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術(shù)的授權。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(IP)核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于A(yíng)RM技術(shù)的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。
ARM公司是專(zhuān)門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設計開(kāi)發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權供應商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買(mǎi)其設計的ARM微處理器核，根據各自不同的應用領(lǐng)域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權，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(gè)系統成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費者所接受，更具有競爭力。
1.2ARM微處理器的應用領(lǐng)域及特點(diǎn)
1.2.1ARM微處理器的應用領(lǐng)域到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域：
1、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構，基于A(yíng)RM核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應用領(lǐng)域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性?xún)r(jià)比，向傳統的8位/16位微控制器提出了挑戰。
2、無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域：目前已有超過(guò)85%的無(wú)線(xiàn)通訊設備采用了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 )應用：隨著(zhù)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(yǔ)音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應用領(lǐng)域提出了挑戰。
4、消費類(lèi)電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。
5、成像和安全產(chǎn)品：現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機中的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)還應用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì )在將來(lái)取得更加廣泛的應用。
1.3ARM微處理器系列
ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，以及其它廠(chǎng)商基于A(yíng)RM體系結構的處理器，除了具有ARM體系結構的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應用領(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(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對獨特的性能來(lái)滿(mǎn)足不同應用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專(zhuān)門(mén)為安全要求較高的應用而設計。
第2章ARM嵌入式在通信領(lǐng)域的應用
2.1ARM在通信領(lǐng)域的應用概述
通信是通過(guò)某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。古代，人們通過(guò)驛站、飛鴿傳書(shū)、烽火報警等方式進(jìn)行信息傳遞。今天，隨著(zhù)科學(xué)水平的飛速發(fā)展，相繼出現了無(wú)線(xiàn)電，固話(huà)，手機，互聯(lián)網(wǎng)甚至可視電話(huà)等各種通信方式。通信行業(yè)包括電信運營(yíng)商，電信設備制造商，電信增值服務(wù)商，電話(huà)服務(wù)，呼叫中心運營(yíng)與設備提供商，手機終端生產(chǎn)商等企業(yè)構成的通信泛行業(yè)群體(非標準行業(yè)定義)。
通信產(chǎn)品可以說(shuō)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)授權給世界上許多著(zhù)名的半導體、軟件和OEM廠(chǎng)商，每個(gè)廠(chǎng)商得到的都是一套獨一無(wú)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標準的締造者。
ARM架構是面向低預算市場(chǎng)設計的第一款RISC微處理器。
ARM提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案。由于所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行(理論上如此)。典型的產(chǎn)品如下。
�、貱PU內核
--ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內核，用于移動(dòng)通信。
--ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權用戶(hù)最多的一項產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴展組合在一起，以減少內存容量和系統成本。同時(shí)，它還利用嵌入式ICE調試技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化系統設計，并用一個(gè)DSP增強擴展來(lái)改進(jìn)性能。該產(chǎn)品的典型用途是數字蜂窩電話(huà)和硬盤(pán)驅動(dòng)器。
--ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內核，同時(shí)配備Thumb擴展、調試和Harvard總線(xiàn)。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。
�、隗w系擴展
--Thumb:以16位系統的成本，提供32位RISC性能，特別注意的是它所需的內存容量非常小。
�、矍度胧絀CE調試
由于集成了類(lèi)似于ICE的CPU內核調試技術(shù)，所以原型設計和系統芯片的調試得到了極大的簡(jiǎn)化。
�、芪⑻幚砥�
--ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低價(jià)、低能耗、封裝式常規系統微型處理器，配有高速緩存(Cache)、內存管理、寫(xiě)緩沖和JTAG。廣泛應用于手持式計算、數據通信和消費類(lèi)多媒體。
--ARM940T、920T系列:低價(jià)、低能耗、高性能系統微處理器，配有Cache、內存管理和寫(xiě)緩沖。應用于高級引擎管理、保安系統、頂置盒、便攜計算機和高檔打印機。
--StrongARM:性能很高、同時(shí)滿(mǎn)足常規應用需要的一種微處理器技術(shù)，與DEC聯(lián)合研制，后來(lái)授權給Intel。SA110處理器、SA1100PDA系統芯片和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計算機，基于一個(gè)緩存式ARM732位內核，擁有內存和I/O控制器、3個(gè)DMA通道、片上視頻控制器和調色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個(gè)浮點(diǎn)運算單元以及對EDODRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡(luò )計算機(NC)。
2.2ARM在通信領(lǐng)域的應用分析
作為通信領(lǐng)域的典型應用，持電話(huà)、機頂盒、數碼像機、GPS、個(gè)為數字助理以及因特網(wǎng)設備等產(chǎn)品的市場(chǎng)需求越來(lái)越大。目前，基于A(yíng)RM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(lèi)產(chǎn)品中選用較多的處理器。
2.1、ARM型號功能分析
在A(yíng)RM內核中有四個(gè)功能模塊可供生產(chǎn)廠(chǎng)商根據不同用戶(hù)的不同要求來(lái)配置生產(chǎn)。這四個(gè)模塊分別用T、D、M和I來(lái)表示。
T：表示Thumb，該內核可從16位指令集擴充到32位ARM指令集。
D：表示Debug，該內核中放置了用于調試的結構，通常它為一個(gè)邊界掃描鏈JTAG，可使CPU進(jìn)入調試模式，從而可方便地進(jìn)行斷點(diǎn)設置、單步調試。
M：表示Multiplier，是8位乘法器。
I：表示EmbeddedICELogic,用于實(shí)現斷點(diǎn)觀(guān)測及變量觀(guān)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)結構，分為三級流水，空間統一的指令與數據Cache，平均功耗為0.6mW/MHz，時(shí)鐘速度為66MHz，每條指令平均執行1.9個(gè)時(shí)鐘周期。其中的ARM710，ARM720和ARM740為內帶Cache的ARM核。
ARM9
ARM9采用ARMV4T(Harvard)結構，五級流水處理以及分離的Cache結構，平均功耗為0.7mW/MHz。時(shí)鐘速度為120MHz-200MHz，每條指令平均執行1.5個(gè)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結構，六級流水處理，指令與數據分離的Cache結構。平均功耗為1000mW，時(shí)鐘速度為300MHz，每條指令平均執行1.2個(gè)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，內帶高速32X16MAC，預留DSP協(xié)處理器接口。其中的VFP10(矢量浮點(diǎn)單元)為七級流水結構。
ARM1020T：ARM10TDMI+32KI&DCaches+MMU結構，300MHz時(shí)鐘，功耗為1W(2.0V供電)或00mW(1.5V供電)。指令Cache和數據Cache分別為32K，寬度為64bits。能夠技術(shù)多種商用操作系統。適用于下一代高性能手持式因特網(wǎng)設備及數字式消費類(lèi)應用。
StrongARM
StrongARM處理器采用ARMV4T的五級流水結構。目前有SA110、SA1100以及SA1110等三個(gè)版本(見(jiàn)表2)。
2.2、ARM7系列開(kāi)發(fā)工具及開(kāi)發(fā)環(huán)境分析
1.軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境和調試接口等組成。
Compiler：高優(yōu)化性能的C/C++編譯器。
CrossToolChain：交叉開(kāi)發(fā)工具。包括匯編器(Assembler)、連接器(Linker)、庫函數以及目標代碼格式轉換器。
MULTI：集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。GreenHills的MULTI集成環(huán)境綜合了軟件開(kāi)發(fā)和調試過(guò)程中要用到的各種工具，如源級調試器、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。運行出錯檢測器、ARM指令集仿真器以及底層調試接口等。用戶(hù)可方便地在MULTI環(huán)境中利用上述工具來(lái)開(kāi)發(fā)應用程序。
Servers:底層調試接口。GreenHills的Servers提供兩類(lèi)調試接口供用戶(hù)選擇使用。一類(lèi)用于A(yíng)ngel監控器、在線(xiàn)仿真器以及EPI公司的JEENIJTAFG仿真器等;另一類(lèi)則用于商用操作系統及用戶(hù)自己編寫(xiě)的操作系統。
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(yǔ)言調試器和Angel監控器組成的開(kāi)發(fā)軟件包。由于價(jià)格比較適中而應用比較廣泛。
2.硬件開(kāi)發(fā)工具
ARM的硬件開(kāi)發(fā)工具主要包括兩類(lèi)仿真器，一是JTAG仿真器，二是全功能在線(xiàn)仿真器。前者是利用ARM處理器中的調試模塊的功能，通過(guò)其JTAG邊界掃描口來(lái)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(guò)十幾條線(xiàn)來(lái)調試，因而功能有局限。目前ARM處理器的JTAG仿真器在市場(chǎng)上比較流行的是EPI公司的JEENI和MAJIC，著(zhù)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(xiàn)仿真器來(lái)說(shuō)，由于其信真頭完全取代目標板上的CPU，因而功能非常強大。但這類(lèi)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雜的設計和工藝，因而其價(jià)格比較昂貴。Lauterbach公司的TRACE32-Fire就是這類(lèi)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(hù)可使用其編譯器和調試界面。
MAJIC仿真器：與JEENI相比，MAJIC能夠通過(guò)100base-T以太網(wǎng)與主機相連，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(guò)更換模塊來(lái)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提供獨特的RISC邏輯追蹤功能。
TRACE32Fire：這是全功能ICE，提供強大的調試和偵錯功能。
3、支持ARM7的RTOS及其系統開(kāi)發(fā)
目前在國內，ARM7的應用較多，ARM9、ARM10的使用尚未開(kāi)始。在引，我們以ARM7的應用來(lái)例來(lái)說(shuō)明ARM7系統的構成及其OS的應用。
ARM7處理的生產(chǎn)廠(chǎng)商很多，他們僅須向ARM公司購買(mǎi)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)相應的ARM7芯片。雖然眾多的廠(chǎng)商提供多種瑾的處理器，但是除外部一些功能模塊外，它們的內核是相同的，因而在軟件編程有調試上是相同的。
在多種商用RTOS(實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統)中，NucleusPLUS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統是一種帶源代碼的OS，目前非常流行。在國內也擁有大量的實(shí)際應用。Nucleus是最早支持ARM系列CPU的操作系統之一，它提供內核、圖形界而模塊、通訊協(xié)議模塊、文件系統以及嵌入式網(wǎng)上瀏覽器等等完整的解決方案。國內許多著(zhù)名的公司均已選用Nucleus在A(yíng)RM平臺上實(shí)現PDA、STB、DVD、POS、GPS、手機以及智能終端等。
4、基于A(yíng)RM7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(kāi)發(fā)PDA設備。在此介紹一個(gè)韓國現代電子提供的以GMS30C7201芯片為核心的PDA方案。
*操作系統：NUCLEUSPLUS
*編譯器：ARMSDT/GREENHILL
*仿真器：JENNI/TRACE32-ICD
例如，我們選用ATI公司的NUCLEUS操作系統及相應的文件系統、圖形軟件包、網(wǎng)絡(luò )模塊和瀏覽器來(lái)實(shí)現PDA的各種功能�，F在已經(jīng)完成了大部分的軟件移植工作：MUCLEUS內核、文件系統、圖形軟件包、TCP/IP網(wǎng)絡(luò )模塊(使用PPP拔號上網(wǎng))以及各種片上設備的驅動(dòng)、瀏覽器的移植也即將完成。
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