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1、硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ES 体系结构的研究及其应用 硕士学位论文 2 ESES 体系结构的研究及其应用体系结构的研究及其应用 摘摘 要要 本文论述了使用 RTOS 进行嵌入式系统开发的原理和方法，着重讨论嵌入式系统嵌入式系统（ES-Embedded System）的体系 结构和建构原理及其应用。嵌入式系统的概念很容易理解，但是高端的嵌入式系统开发很困难。构建一个嵌入式系统， 技术门槛高，是一个复杂的系统建构过程。 嵌入式系统开发过程有软件和硬件两部分开发工作。 硬件开发主要涉及微处理器/微控制器、存储器和常见外围接口（A/D、D/A、时钟、USB、网络接口等等）部分的 设计。硬件
2、设计包括原理图、PCB 版图设计和硬件安装调试。硬件设计的最终成果是具有特定功能的板级电路和系统 结构件。 软件设计是嵌入式系统中的主要部分。硬件提供了潜在的计算能力，要发挥硬件功能，需要软件的支持。例如， 同样的一台 PC 机硬件，可以安装 Win3.1、Win95 或者 WinXP。在硬件没有任何改动的情况下，用不同的操作系统软 件，系统的功能、稳定性和用户操作的感觉会有很大差别。 本文首先概述嵌入式系统的组成原理，然后对嵌入式系统设计中涉及到的硬件和软件技术作概括性介绍。论文的 重点是嵌入式操作系统（EOS） ，特别是实时操作系统（RTOS）的理论研究，主要对如何应用 RTOS 开发嵌入
3、式系统 的问题进行深入的探讨。 通过对 C/OS-II、Windows、Window CE、FreeBSD、Minix、Linux、Lineo、Windriver、QNX、Mach、OSE、L4、 “和欣”等大量操作系统的比较研究， 本文总结出当前操作系统的发展方向和如何构建属于自己的操作系统的基本方法。这些基本方法对于构建中国自己知 识版权的实时操作系统具有重要的价值和一定的指导意义。 在研究过程中以 C/OS-II v2.51 RTOS 为代表，将该实时操作系统移植到 ARM7 处理器上，并利用 ADS 和 Multi- ICE 在 Evaluator-7T 评估板上调试成功。另外利用 E
4、asyPack 仿真器将 C/OS-II v2.51 移植到 8051 微控制器上，并调试 成功。充分验证了对实时操作系统结构的正确理解。本文将通过对移植代码的说明，详细论述操作系统的移植原理。 论文共分 7 章 9 部分。引言部分简要介绍嵌入式系统的重要性和研究嵌入式系统的必要性和迫切性。 第一章绪论，介绍嵌入式系统的概念和构建嵌入式系统的关键技术。 第二章论述嵌入式系统硬件，详细论述构成嵌入式系统的处理器、存储器、外围设备和网络等硬件要素。 第三章嵌入式系统的软件，按照系统软件（固件、操作系统）和应用软件，论述了嵌入式系统中的软件技术。 第四章介绍嵌入式系统开发工具，介绍了嵌入式系统开发过
5、程中常用的软件和硬件工具。 ES 体系结构的研究及其应用 3 第五章和第六章分别以 C/OS-II 在 8051 和 ARM 上的移植为例子，说明基于简单操作系统内核和复杂操作系统平 台的嵌入式系统开发。 第七章介绍基于 Linux 的嵌入式系统的构建方法。 最后是全文的总结，这部分从课题的需求性、实用性和先进性 3 个方面，对论文进行总结。 关键词：嵌入式系统, RTOS, C/OS-II, Linux, microkernel 硕士学位论文 4 Embedded System Architecture Reseach and Development Abstract: This thesi
6、s discusses the Embedded System Architecture Reseach and Development, especially about the principle and method of developing RTOS-based Embedded System. It is easy to understand the concept of embedded system, but difficult to develop an embedded system successfully. The development is a complicate
7、d project. The development involves both hardware and software development tasks. The hardware of an embedded system includes the microprocessor (or microcontroller), memory and peripherals (AD/DA, clock, USB, network interface etc.). The hardware design includes the schematics, PCB layout design an
8、d hardware debugging. The result of hardware design is to have the particular function of, stable electric circuit. The software design is the major part of system development. And the software engineering crisis found in the software world will also appear in the embedded system world. In this thes
9、is, the embedded system is based on RTOS. So, the point of the thesis is about operate system, especially the RTOS theories studies, answering to how to apply the RTOS into embedded system. By researching different operating systems such as C/OS-II, Windows, Windows CE, FreeBSD, Minix, Linux, Lineo,
10、 Windriver, QNX, Mach, OSE, L4 etc., this thesis makes out the the development trend of the current operating system. These basic methods have the very important value to builid our own operating system. This thesis takes C/OS-II v2.51 as example, porting it to ARM7TDMI processor and makes an sample
11、 app on Evaluator-7T board shipped from ARM Ltd. Also a C/OS-II v2.51 8051 port is done and tested on the EasyPack. The above porting work can illustrate the process to develop a RTOS-based embedded system. And it is a good reference for embedded system developers to use this port in their project.
12、Key word: Embedded System, RTOS, C/OS-II, Linux, microkernel ES 体系结构的研究及其应用 5 目目 录录 摘要 5 Abstract7 目录 9 引言 13 第一章 嵌入式系统概述15 1.1 什么是嵌入式系统15 1.2 历史回顾 15 1.3 应用前景 15 1.4 主要技术支撑 16 1.4.1 嵌入式系统中的主要硬件技术 16 1.4.2 嵌入式系统中的主要软件技术 17 1.5 研究前沿 17 第二章 嵌入式系统硬件19 2.1 嵌入式系统处理器的发展 19 2.1.1 嵌入式系统的核心器件类型 19 2.1.2 嵌入式系
13、统的核心器件体系结构 20 2.1.3 典型的嵌入式微处理器ARM体系结构21 2.2 存储器 22 2.3 外部设备（输入设备/输出设备/存储设备/网络通信设备）22 2.4 外围接口（USB/并行接口/串行接口/无线接口）22 2.5 网络 23 第三章 嵌入式系统软件 25 3.1 软件的作用25 3.2 固件25 3.2.1 固件的定义和功能25 3.2.2 一个固件范例HAL26 3.3 高层软件26 3.3.1 软件库27 3.3.2 操作系统27 3.3.2.1 操作系统的分类27 3.3.2.2 单一内核操作系统 27 3.3.2.3 微内核操作系统 28 3.3.2.4 操作
14、系统与实时操作系统28 3.3.2.5 POSIX规范29 3.3.2.6 嵌入式操作系统(EOS)的发展30 3.3.2.7 内核31 3.3.2.8 如何构建自己的嵌入式操作系统36 3.4 应用软件的设计 37 3.3.1 模块化设计37 硕士学位论文 6 3.3.2 面向对象设计38 3.3.3 低功耗设计38 第四章 嵌入式系统开发工具39 4.1 ADS v1.2集成开发环境 39 4.1.1 调试的概念 41 4.1.2 目标系统接口 42 4.1.3 调试系统 43 4.1.4 Multi-ICE仿真器 44 4.2 Easy Pack仿真器介绍 46 第五章 C/OS-II
15、v2.51到8051的移植 49 5.1 获得源代码v2.5149 5.2 代码结构图 49 5.3 C/OS-II结构详解 51 5.3.1 C/OS-II运行过程 51 5.3.2 调度的发生 52 5.3.3 体系结构相关代码 53 5.4 C/OS-II的移植 53 5.4.1 结构说明 53 5.4.2 使用KEIL C51建立RTOS 56 5.5 基于C/OS-II的嵌入式应用的时空指标分析59 5.5.1 影响时空指标的因素 59 5.5.2 运行的时间效率61 第六章 C/OS-II v2.51到ARM7的移植 63 6.1 开发环境 63 6.2 评估板 63 6.3 使用
16、HAL 66 6.4 使用Flash66 6.5 ARM和ADS 1.2 67 6.6 HAL在移植中的作用 68 6.7 总结72 6.8 下一步工作73 第七章 基于Linux的嵌入式系统75 7.1 Linux简介75 7.2 开发工具 75 7.2.1 宿主（Host）平台 75 7.2.2 需要的软件代码 75 7.3 构建工具和内核 76 7.4 建立系统 77 总结 79 ES 体系结构的研究及其应用 7 论文发表情况 81 致谢 83 参考文献 85 附件：程序清单87 硕士学位论文 8 引引 言言 嵌入式系统(Embedded System)1是嵌入微处理器/微控制器利用其算
17、术和逻辑运算能力实现特定功能的系统。嵌入 式操作系统（EOS-Embedded Operating System）是构建嵌入式系统的核心技术。 嵌入式系统的发展和任何一种产业一样，需要市场的拉动和技术的推动。 嵌入式系统具有很好的应用前景。目前嵌入式系统在航空、电力、机械、化工、医疗、制造、消费类电子等领域 有广泛的应用。随着微电子技术和嵌入式技术的发展，未来嵌入式系统将应用于更多的领域。因此，研究嵌入式系统 开发技术，特别是 EOS，具有很强的迫切性和实用性。 本论文以嵌入式系统为研究对象，对嵌入式系统的定义、现状和未来，以及如何使用 EOS 开发出成功的嵌入式系 统做深入、具体的研究。 嵌
18、入式系统开发不同于通用计算机上的应用开发。嵌入式系统开发最大的特点是嵌入式系统是从底层硬件到上层 应用都需要进行开发，最终实现一个完整的系统。 构建一个嵌入式系统是一项很复杂的工程2。这其中涵盖了电子技术、计算机技术和网络通信技术中的许多内容。 在嵌入式系统中，用到的电子技术包括：数字电子和模拟电子。数字电子方面包括逻辑电路、接口原理、 FPGA/CPLD 等等；模拟电子包括模拟电路、A/D 和 D/A、电源、EMC 等等。 嵌入式系统的开发，软件开发占整个系统开发的主要部分3（软件开发成本占到总成本的 70%左右） 。嵌入式系 统的软件与 PC 机应用软件的开发有本质的区别。嵌入式系统的软件
19、有 Firmware、OS 和 Application 构成一个“自治” 系统。这个系统除了要实现特定的功能外，还必须满足实时性要求。 嵌入式系统是一门涉及多学科的崭新领域。虽然关于嵌入式系统的讨论很多，但是目前还很少有关于如何建立嵌 入式系统的方法论的讨论，更没有形成理论体系。 通过两年多的资料收集、研究和实践，用各种方式收集与嵌入式系统有关的资料，包括 ARM4、 P/C、Linux、QNX、OSE、L4、TCP/IP、BlueTooth、Ethernet、VHDL、Forth 等，总结出嵌入式系统开发的途径和 具体方法，特别是 EOS 内核移植到不同体系结构硬件上的方法和经验。最后，以两
20、个分别基于 8051 和 ARM 实际移植 的例子，阐述如何在 RTOS 平台上开发低成本、高可靠性、功能强大的嵌入式系统，供嵌入式系统开发人员参考。 ES 体系结构的研究及其应用 9 第一章第一章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 1.1 什么是嵌入式系统？ 嵌入式系统1被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、为特殊应用量身定制的、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。 计算机应用有两大类：通用计算机系统和嵌入式系统。 每年，全球生产出 50 亿片微处理器/微控制器等计算芯片。其中，仅仅只有不到 1 亿片芯片用于通用计算机系统。 另外的微处理器都被应用到
21、嵌入式系统中。通用计算机系统和嵌入式系统的比例是 1：50。这个比例中嵌入式系统占的 份额还会进一步增大。 1.2 历史回顾 从计算机诞生的那一天起，计算机的体积、性能、价格不断地依据摩尔定律在变化。个人电脑已经成为人类社会 组成的一部分，并且数量仍然在不断增加。 另一方面，嵌入式系统日益渗透到人类生活各个方面。从工业生产、军事装备、教学科研、日常生活和消费娱乐 的各个角落，都有嵌入式系统的应用。嵌入式系统技术使原有的传统技术如虎添翼，得到有力的推动和提高。网络技 术、实时系统、人机接口等等技术已经并且正在改变着世界。 1.3 应用前景 嵌入式系统经历了从低端应用到高端应用的过程。 嵌入式系统
22、的应用领域非常的广泛。传统的机器、仪表、设备等等各种产品都可以嵌入微控制器，使其具有计算 能力。这种计算能力，使传统设备具有一定程度的“智能”并使系统的功能、可靠性、安全性、可维护性、交互性、 效率、成本、功耗等获得极大的提升，并且具有几乎是无限的发展空间。 从某种程度上讲，嵌入式系统的应用仅受到工程技术人员想象力的限制， “创意”成了主要的瓶颈！只要有好的 “创意” ，就可以将计算机领域的成就延伸到人类文明的每一个角落，前提是这种“创意”被市场接受。 嵌入式系统是市场敏感的。以往用单片机开发应用系统的设计师对这一点有深刻的体会。嵌入式系统是一种高科 技产品，在产能过剩的今天，没有一种产品可以
23、逃脱市场规律的控制。对于嵌入式系统，它的发展很大程度上取决于 市场的需求。 发展趋势表明， “以信息化带动工业化” ，中国可以在进入曙光初现的的信息时代实现产业升级和经济腾飞。嵌入 式系统对于改善经济结构、实现产业升级、提升中国产品的国际竞争力将会起关键性作用。嵌入式系统的技术只有融 入各行各业，才能体现它的价值。 现在，嵌入式系统在通信、医疗器械、家用电器、仪器仪表、PDA、电子游戏等领域已经得到较大发展，并且在 不断催生新产品、推动新应用。未来，嵌入式系统会应用到更多过去和现在想都想不到的地方去。我们不能想象未来 100 年后，甚至是 20 年后是什么样子的，但是有一点可以肯定，嵌入式系统
24、在这种变化中起了巨大的作用。 1.4 主要技术支撑 嵌入式系统的多样性，决定了它必然包含各种不同相关领域的技术。如果嵌入式系统是无法穷尽的，那么嵌入式 系统的技术也是与时俱进的。这就是为什么至今嵌入式系统的定义仍然存在的各种不同说法的原因。不同的专家，看 嵌入式系统这个“无穷集”的角度不同，产生了不同的定义。 在这篇论文中， “主要技术支撑”指构建一个嵌入式系统产品所依赖的与计算机相关的关键技术。另外随着网络的 发展，通信技术也成为嵌入式系统的主要技术支撑。 硕士学位论文 10 1.4.1 嵌入式系统中的主要硬件技术 从发明数字计算机以来至今，主流计算机的体系结构仍然没有超越 Von Nuem
25、an 机的范围。其特点是存储程序和程 序控制。它由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。硬件技术就是这 5 大部件中蕴含的技术，主要包 括半导体器件技术、模拟电路技术、数字电路技术、微处理器和微控制器技术、ASIC 和各种半定制器件技术、各种传 感器技术、无线通信等等，涵盖的范围非常广泛。总的思路是利用计算机的计算和控制能力，与计算机以外的环境产 生互动。 硬件的复杂性体现在与硬件相对应的计算需求和对外围设备控制的需求上。计算需求主要是对各种复杂海量数字 信号处理的需求。简单的数字信号处理任务可以在普通微处理器上用软件完成，实时要求高的系统需要用 DSP 芯片甚 至采用硬件计算电路来
26、完成计算任务。 加入嵌入式系统中的不同外围设备，如以太网控制等模块，就会使嵌入式系统的复杂程度大为增加。 1.4.2 嵌入式系统中的主要软件技术 由于硬件变得越来越复杂，功能的需求不断增加，可靠性要求越来越高，同时也对软件提出了越来越高的要求。 嵌入式系统软件的复杂度比硬件复杂度增长得更快。软件危机在嵌入式系统中也越来越严重。 解决软件危机的方法是采用工程化方法。使用高级的建模工具、实现工具、调试工具，只有以增量的方式进行开 发，才可以开发出比较大的系统。 根据系统的复杂程度（开发难度）和各种成本预算，可以有以下几种典型的开发模式： 低端应用系统的开发模式：单片机+监控程序（循环程序+中断）
27、。开发使用的工具是仿真器（或软件模拟器）+编 程器。这种开发的特点是投入相对小，容易上马。但是开发周期长，可靠性取决于开发人员素质，无法得到保证。 高端应用系统的开发模式：嵌入式处理器+嵌入式实时操作系统（RTOS） 。开发使用的工具是 RTOS+仿真器(或软 件模拟器)/JTAG 接口+编程器。这种开发的特点是开发周期相对较短，实时性有保证，可靠性有一定保证；但是投入大， RTOS 价格昂贵，一般几千至几万美元，还需要高额使用费，开发风险大。 1.5 研究前沿 嵌入式系统是融合了工程学理论、微电子学、电子工程、系统软件和应用软件等等信息学科的交叉性学科和领域， 具有很高的理论和实用价值。作为
28、一门极具价值的实用型领域和后 PC 时代的主要经济增长点，各大半导体厂商和软件 厂商都积极的加入到嵌入式系统硬件和软件的研发和市场竞争中来。以下是主要几个大厂商的发展战略。 Wintel：在 PC 领域取得霸主地位的 Intel 正在积极进军嵌入式系统领域，Intel 购买 ARM 公司的 Liscense，结合自 己的技术优势，研发出 Strong ARM 体系结构，用于 Strong ARM-110、Strong ARM-1110、PXA210、PXA250 等等用于 嵌入式、无线、多媒体的超强微控制器。Microsoft 配合 Intel 的微控制器，推出 Win CE 和 Win CE
29、.net，打造嵌入式领 域的 Wintel 联盟。 Motolora：在手机市场表现不俗的龙头老大，一直专注于嵌入式系统芯片的开发。从低端 68K 的成功，到 16 MHz 68EZ328 DragonBall 在 Palm 上的流行，Motolora 在嵌入式系统中从没有落后过。从 Digital DNA 到采用 ARM core 的 DragonBall MX，Motolora 仍然要保持它的领先地位。 Samsung：韩国的半导体产业取得的成就是令人瞩目的。虽然，全球半导体产业增长放缓，Hynix 公司陷入困境， Samsung 却有可能成为全球最大半导体厂商。通过购买 ARM 公司的
30、liscense，Samsung 开发出近百种 ARM core 微控制 器，用于从 PDA 到通信的很多领域。最近消息表明，Samsung 开发的 ASIC 是成功的，并且获利巨大。Samsung 的 s3c4510 和 s3c44b0 在中国和世界的流行，足可以证明这一点。 TI：TI 是最大的 DSP 提供商。DSP 正在融合到嵌入式系统中。TI 的 OMAP 将 ARM CORE 和 DSP 结合到一片 ASIC 上，使微控制器和 DSP 优势互补。 其他：3COM、Agere、Altera、ADI、Cirrus Logic、Atmel、EPSON、Hynix 、Infineon、LS
31、I、Motorola、NS、NEC、Oki、Philips、Sharp、Triscend、TSMC、UMC 等半导体厂商都正在或准备发 ES 体系结构的研究及其应用 11 展基于 ARM 核的微控制器，作为抢占嵌入式系统市场的手段。 硕士学位论文 12 第二章第二章 嵌入式系统硬件嵌入式系统硬件 嵌入式系统的硬件与通用的桌面计算机相比，种类要多得多。一个嵌入式系统，一般由微处理器/微控制器、 MROM/EPROM/EEPROM/Flash、SRAM/DRAM/FRAM、键盘、LED/LCD/CRT 显示器、触摸屏、传感器、 A/D、D/A、UART、网络控制器、无线数据传输模块等构件根据应用的
32、要求进行组合构成。 开发嵌入式系统的硬件需要熟悉硬件设计。同一种类构件可以选择不同厂商提供的产品。这就需要对某一厂商提 供的产品很了解。以微控制器为例，很多厂商提供嵌入式处理器。一些大的厂商会开发出系列产品，供不同应用领域 选用。即使同一个体系结构的微处理器/微控制器，也会有不同的厂商购买许可证结合自身特点进行生产，例如，MCS- 51 即有 Atmel 公司的带有 Flash 的 89C 系列、Philips 公司的加有 I2C 总线的 8XC51 系列、TI 公司的高速 TSP 系列 以及 Cygnal 公司的高速 SOC 芯片 C8051F 系列等。同样是高端 ARM 体系结构，就有 S
33、amsung 和 Atmel 基于 ARM7 的 不同微控制器以及 Motolora 的龙珠（Drangonball）芯片等。 选定了微控制器以后，就可进一步确定系统的硬件结构、软件开发工具和调试方式。 2.1 嵌入式系统处理器的发展 2.1.1 嵌入式系统的核心器件类型 1. 嵌入式微处理器 嵌入式系统的核心硬件是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下 4 个特点： 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的 执行时间减少到最低。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现 错误
34、的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 具有可扩展的处理器结构，以适应能迅速开发出符合应用性能要求的嵌入式系统需求。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统 更是如此，如需要功耗只有 mW 甚至 W 级。 2. 数字信号处理器（DSP） 数字信号处理器是一种专门用于数字信号处理的处理器，它用在有高速数字信号处理的场合。在图像处理、 MPEG、通信等领域 DSP 有着广泛的应用。DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行 DSP 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分
35、析等方面 DSP 算法正在大量进入嵌入式系统领域，DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。 嵌入式 DSP 处理器有两个发展来源，一是 DSP 处理器经过单片化、EMC 改造、增加片上外设成为嵌入式 DSP 处 理器，TI 的 TMS320C2000/C5000 等就属于此范畴；二是在通用单片机或 SOC 中增加 DSP 协处理器，例如 Intel 的 MCS-296 和 Infineon(Siemens)的 TriCore。 3. 片上系统（SoC） 片上系统（SoC）全称 System On a Chip。SoC 不是一种处理器，而是一
36、种开发方式。SoC 的精髓是针对某一种应 用，开发出集成了所需要的一切资源的单芯片系统。这些 SoC 是高度集成的，并且没有冗余，真正做到量体裁衣！ SoC 这种开发方式的出现，得益于 EDA 软件的进步和可编程逻辑器件（CPLD、FPGA）的发展。使用硬件描述语 言（Verilog/VHDL/SystemC） ，可以像编写软件一样设计硬件，综合和底层的实现都可交给高级 EDA 软件完成。 2.1.2 嵌入式系统的核心器件体系结构 1. CISC 复杂系统指令集计算机(CISC-Complex Instruction System Computer)的指令集复杂，但指令功能强大。Intel x
37、86 处理 器属于 CISC，并且不断有新的指令添加进来，如多媒体功能的 MMX 指令集。这类处理器功能强大，实现复杂，软件 开发难度也大。 ES 体系结构的研究及其应用 13 2. RISC 精简系统指令集计算机(RISC-Reduced Instruction System Computer)的指令集简单，对于复杂的功能，需要使用多条 指令完成。ARM、MIPS、DLX、PIC、68K、SH8 都是典型的 RISC 指令集。 目前流行的 RISC 有两类：桌面和服务器 RISC 和嵌入式 RISC。 典型的桌面和服务器 RISC 有 Digital Alpha、Hewlett Packar
38、d PA-RISC、IBM and Motorola PowerPC、Silicon Graphics MIPS、Sun Microsystems SPARC 等。 典型的嵌入式 RISC 有 Advanced RISC Machines ARM、Hitachi SuperH、Mitsubishi M32R、Silicon Graphics MIPS16、Microchip PIC、Motorola 68K 等。 虽然，x86 占据了 PC 的天下，而由于 RISC 的先进性，RISC 几乎占领了整个嵌入式领域。 使用 RISC 的好处是，RISC 指令集简单并且相似，不同的 RISC 之间的
39、指令集差不多，学会了一种，掌握其它的指 令集就不困难了。 2.1.3 典型的嵌入式微处理器 ARM 体系结构 ARM(Advanced RISC Machines)公司从 1991 年推出第一种嵌入式 RISC 内核 ARM6 开始至今，经过十年多坚持不 懈的打造，ARM 已成为世界领先的嵌入式 RISC 处理器知识产权（IP）提供商。 ARM 处理器是一种低功耗高性能的 16/32 位 RISC 处理器。ARM 允许将其他处理器通过协处理器接口进行紧耦合。 它还包括几种内存管理单元的变种，包括简单的内存保护到复杂的页面层次。低功耗、精简指令系统（RISC）满足了 嵌入式系统对 CPU 的要求
40、，因此，在嵌入式设备如移动电话和 PDA 中广泛使用，正在成为开发嵌入式系统的首选。 ARM 的高性能表现为其体系结构是基于 RISC 流水线架构， 它的指令系统和相关译码机制比那些采用微程序的复 杂指令系统的计算机（CISC）简单得多。这个简化带来三个优点： 指令的高吞吐率 极其有效的实时中断响应 小的高性价比的处理器宏单元 流水线结构可以使所有的处理部件和存储器系统连续操作，典型情况是当一条指令正在被执行时，后一条指令正 在被译码，第三条指令同时被从存储器中取指。 ARM 结构的关键优点是能兼顾到高性能、低功耗、低价格几个方面而做得都比较好，另外具有 Thumb、DSP、jazeller
41、功能扩展5。 ARM 公司作为 32 位处理器内核的提供者，拥有 100 多家半导体合作伙伴，ARM core 是目前消费类电子市场中市 场占有量第一的 CPU 体系。ARM 公司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片技术授权，收 取授权费与技术转让费。 随着 ARM/MIPS/ARC 等成熟内核的推出，很多过去没有 32 位 CPU 研发能力的半导体公司进入了这一行列。 它借助于拥有的强大技术优势，在世界范围内与许多业界领先的半导体厂商和芯片设计中心、实时操作系统软件 开发商、应用软件公司、电子设计自动化（EDA）工具供应商和系统公司建立合作关系，其中包括世界顶级的厂商 I
42、ntel、NS、TI、Apple、Motorola、Philips、Lucent、Samsung、Hyundai、Sony 和 Alcatel 等 56 家公司。 由此可见 ARM 技术一定具有不可抗拒的魅力，1999 年采用 ARM IP 核的芯片出货量就达 1.8 亿片，占 RISC 市场份额 57.8%；2000 年采用 ARM IP 核的芯片出货量更是增长到 4 亿片，RISC 市场份额上升到 74.3%，同期 MIPS 芯片占 11.3%，Power PC 芯片占 3.4%。 基于相同的 ARM 指令集，ARM 公司开发出了不同体系结构的一系列处理器，从 ARM2 一直到最新的 ARM11。 目前，主流 ARM 内核：ARM7、ARM7TDMI、ARM720T（MMU） 、ARM9、ARM10、StrongARM/Xscale。 2.2 存储器 嵌入式系统一般需要扩展存储器，包括 RAM 和 ROM。 通常，微处理器的存储器接口支持动态的 SDRAM、EDORAM 和静态的 SRAM。SRAM 价格昂贵，SDRAM 具有 硕士学位论文 14 最高的性能价格比。SDRAM 是 PC 标准配件，兼容 PC133 标准6，嵌入式系统中的 SDRAM 和 PC 机内存条上