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ARM嵌入式在通信領域的應用分析
前言
由于網絡與通信技術的發展，嵌入式系統在經歷了近20年的發展歷程后，又進入了一
個新的歷史發展階段，即從普遍的低端應用進入到一個高、低端并行發展，并且不斷提升低
端應用技術水平的時代，其標志是近年來32位MCU的發展。
32位MCU的應用不會走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，嵌入對象與對象專業領域十分廣泛而復雜;而當前32位MCU的高端應用則多集中在網絡、通信、多媒體技術領域。32位MCU將會集中在少數廠家發展的少數型號系列上。
在嵌入式系統高端應用的發展中，曾經有眾多的廠家參與，很早就有許多8位嵌入式
MCU廠家實施了8位、16位和32位機的發展計劃。后來，8位和32位機的技術擴展，侵占了16位機的發展空間。傳統電子系統智能化對8位機的需求，使這些廠家把主要精力放在8位機的發展上，形成了32位機的發展遲遲不前的局面。當網絡、通信和多媒體信息家電業興起后，出現了嵌入式系統高端應用的市場;而在嵌入式系統的高端應用中，進行多年技術準備的ARM公司，適時地推出了32位ARM系列嵌入式微處理器，以其明顯的性能優勢和知識產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家放棄了自己的32位發展計劃，轉而使用ARM內核來發展自己的32位MCU。就連在嵌入式系統發展史上做出卓越貢獻的Intel公司，以及將單片微型計算機發展到微控制器的Philips公司，在發展32位嵌入式系統時，都不另起爐灶，而是轉而使用ARM公司的嵌入式系統內核來發展自己的32位MCU。
本文在以下幾個方面對ARM嵌入式在通信領域的應用進行分析，
1對ARM進行介紹
2對ARM在通信領域的應用進行總的介紹
3對ARM的幾種型號在通信領域的應用進行舉例介紹
4對ARM在通信領域的應用趨勢做出結論
第1章ARM處理器概述
1.1ARM處理器簡介
ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。
1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術知識產權(IP)核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，ARM技術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技術芯片設計開發的公司，作為知識產權供應商，本身不直接從事芯片生產，靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片，世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。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技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統成本降低，使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。
1.2ARM微處理器的應用領域及特點
1.2.1ARM微處理器的應用領域到目前為止，ARM微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域：
1、工業控制領域：作為32的RISC架構，基于ARM核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統的8位/16位微控制器提出了挑戰。
2、無線通訊領域：目前已有超過85%的無線通訊設備采用了ARM技術，ARM以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。
3、網絡應用：隨著寬帶技術的推廣，采用ARM技術的ADSL芯片正逐步獲得競爭優勢。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應用領域提出了挑戰。
4、消費類電子產品：ARM技術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、成像和安全產品：現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術。
除此以外，ARM微處理器及技術還應用到許多不同的領域，并會在將來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系列，以及其它廠商基于ARM體系結構的處理器，除了具有ARM體系結構的共同特點以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域。
-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特的性能來滿足不同應用領域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應用而設計。
第2章ARM嵌入式在通信領域的應用
2.1ARM在通信領域的應用概述
通信是通過某種媒體進行的信息傳遞。古代，人們通過驛站、飛鴿傳書、烽火報警等方式進行信息傳遞。今天，隨著科學水平的飛速發展，相繼出現了無線電，固話，手機，互聯網甚至可視電話等各種通信方式。通信行業包括電信運營商，電信設備制造商，電信增值服務商，電話服務，呼叫中心運營與設備提供商，手機終端生產商等企業構成的通信泛行業群體(非標準行業定義)。
通信產品可以說包括在以上行業的產品，目前這些產品大部分是基于處理器制造的
ARM將其技術授權給世界上許多著名的半導體、軟件和OEM廠商，每個廠商得到的都是一套獨一無二的ARM相關技術及服務。利用這種合伙關系，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品中運行(理論上如此)。典型的產品如下。
①CPU內核
--ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內核，用于移動通信。
--ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權用戶最多的一項產品，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，它還利用嵌入式ICE調試技術來簡化系統設計，并用一個DSP增強擴展來改進性能。該產品的典型用途是數字蜂窩電話和硬盤驅動器。
--ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內核，同時配備Thumb擴展、調試和Harvard總線。在生產工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網和頂置盒。
②體系擴展
--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。
③嵌入式ICE調試
由于集成了類似于ICE的CPU內核調試技術，所以原型設計和系統芯片的調試得到了極大的簡化。
④微處理器
--ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低價、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、寫緩沖和JTAG。廣泛應用于手持式計算、數據通信和消費類多媒體。
--ARM940T、920T系列:低價、低能耗、高性能系統微處理器，配有Cache、內存管理和寫緩沖。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、同時滿足常規應用需要的一種微處理器技術，與DEC聯合研制，后來授權給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。
--ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機，基于一個緩存式ARM732位內核，擁有內存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDODRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網絡計算機(NC)。
2.2ARM在通信領域的應用分析
作為通信領域的典型應用，持電話、機頂盒、數碼像機、GPS、個為數字助理以及因特網設備等產品的市場需求越來越大。目前，基于ARM的處理器以其高速度、低功耗等諸多優異的性能而成為上述各類產品中選用較多的處理器。
2.1、ARM型號功能分析
在ARM內核中有四個功能模塊可供生產廠商根據不同用戶的不同要求來配置生產。這四個模塊分別用T、D、M和I來表示。
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，通常它為一個邊界掃描鏈JTAG，可使CPU進入調試模式，從而可方便地進行斷點設置、單步調試。
M：表示Multiplier，是8位乘法器。
I：表示EmbeddedICELogic,用于實現斷點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，時鐘速度為66MHz，每條指令平均執行1.9個時鐘周期。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。時鐘速度為120MHz-200MHz，每條指令平均執行1.5個時鐘周期。與ARM7系列相似，其中的ARM920、ARM940和ARM9E為含Cache的CPU核。性能為132MIPS(120MHz時鐘，3.3V供)或220MIPS(200MHz時鐘)。
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，時鐘速度為300MHz，每條指令平均執行1.2個周期，其中ARM1020為帶Cache的版本。
ARM10TDMI：與所有ARM核在二進制級代碼兼容，內帶高速32X16MAC，預留DSP協處理器接口。其中的VFP10(矢量浮點單元)為七級流水結構。
ARM1020T：ARM10TDMI+32KI&DCaches+MMU結構，300MHz時鐘，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。能夠技術多種商用操作系統。適用于下一代高性能手持式因特網設備及數字式消費類應用。
StrongARM
StrongARM處理器采用ARMV4T的五級流水結構。目前有SA110、SA1100以及SA1110等三個版本(見表2)。
2.2、ARM7系列開發工具及開發環境分析
1.軟件開發工具
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、集成開發環境和調試接口等組成。
Compiler：高優化性能的C/C++編譯器。
CrossToolChain：交叉開發工具。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：集成開發環境。GreenHills的MULTI集成環境綜合了軟件開發和調試過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。用戶可方便地在MULTI環境中利用上述工具來開發應用程序。
Servers:底層調試接口。GreenHills的Servers提供兩類調試接口供用戶選擇使用。一類用于Angel監控器、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及用戶自己編寫的操作系統。
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語言調試器和Angel監控器組成的開發軟件包。由于價格比較適中而應用比較廣泛。
2.硬件開發工具
ARM的硬件開發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板上的CPU，因而功能非常強大。但這類仿真器為了能夠全速仿真時鐘速度高于100MHz的處理器，通常必須采用極其復雜的設計和工藝，因而其價格比較昂貴。Lauterbach公司的TRACE32-Fire就是這類產品的佼佼者。
JEENI仿真器：這是一種價位較低的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試界面。
MAJIC仿真器：與JEENI相比，MAJIC能夠通過100base-T以太網與主機相連，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，又能夠通過更換模塊來支持ARM7系列CPU.同時也能夠支持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及其系統開發
目前在國內，ARM7的應用較多，ARM9、ARM10的使用尚未開始。在引，我們以ARM7的應用來例來說明ARM7系統的構成及其OS的應用。
ARM7處理的生產廠商很多，他們僅須向ARM公司購買ARM7核的License便可進行生產。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公司也生產相應的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(實時多任務操作系統)中，NucleusPLUS實時多任務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、通訊協議模塊、文件系統以及嵌入式網上瀏覽器等等完整的解決方案。國內許多著名的公司均已選用Nucleus在ARM平臺上實現PDA、STB、DVD、POS、GPS、手機以及智能終端等。
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，非常適合用于開發PDA設備。在此介紹一個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、網絡模塊和瀏覽器來實現PDA的各種功能。現在已經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網絡模塊(使用PPP拔號上網)以及各種片上設備的驅動、瀏覽器的移植也即將完成。
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